新型桁架式钢骨混凝土在某综合球类馆 可行性应用分析

李江帆

(广西建工集团第一建筑工程有限责任公司， 广西 南宁 530000)

1 项目概况

某体育运动学校项目综合球类馆地下设1层设备用房。地上共3层，首层设乒乓球馆和车库；二层设拳击、散打、摔跤、柔道、跆拳道训练场地；三层设排球场、网球场、羽毛球场。总长度为：132.60m，总宽度为：72.80m，总高度为45.00m，总层数为4层，层高为7m至15m;该工程虽然外形比较规则，层数不多，但存在错层、开洞的情况，且建筑要求空间较大，层高较高，柱距较大。其中四层右侧为两跨连续梁，其中两跨为36.4米的框架梁，而层高达到了15米，属于典型的大跨度大空间结构，其平面布置详见图1，

图1 综合球类馆四层右侧结构平面布置图

2 原常规不同设计方案比选

该结构第四层为篮球场和手球场，需要较大空间，因此柱距较大，为三跨连续梁，其中一跨为36.4米的梁。而层高则到底15米，对于这样的高大空间结构，对于混凝土结构而言，一般常规的做法有预应力混凝土和实腹式钢骨混凝土两种方案，本工程在初步设计阶段考虑了两种设计方案，主要从工程量以及施工成本进行对比，具体两种方案的设计详图2和图3：

图2 综合球类馆预应力梁方案

图3 实腹式钢骨混凝土梁方案

2.1 工程量对比

通过计算预应力梁方案和实腹式钢骨混凝土梁方案的工程量，来计算方案比选，

计算预应力梁方案总长度64.2m，

纵筋=0.00617×28×28×66×64.2+0.00617×18×18×66×64.2=28967kg

箍筋为2503kg 预应力钢筋为4017kg

总用钢量为31470kg=35.64 t

混凝土=0.60×2.1×64.2=80.89m³

实腹式钢骨混凝土梁方案

总长度64.2m，配筋率0.3%

型钢=（0.4×0.04×2+0.03×1.72）×64.2×78/10=42t

纵筋=0.65×2.4×0.3%×2×64.2×78/10=4.7t

混凝土=（0.65×2.4-0.0836-0.00936）×64.2=94.2m³

通过对比可知，预应力砼梁比型钢混凝土梁节省砼 16.4%，节约钢材 17.8%,节约效果较为明显。而且现有的预应力性能研究、计算理论、设计方法、及工程实践上都取得了长足的发展，施工技术也比较成熟。在一般的工程中也优先选择预应力混凝土梁作为解决大跨度建筑的一种解决方案。

2.2 施工成本对比

虽然预应力混凝土作为解决大跨度建筑的一种可行的方案，但是本工程特殊之处在于，作为体育场馆，要求空间较大，层高较一般的建筑要高，高达 15米,如采用预应力混凝土方案，在施工时就会出现高大模板支撑，如采用满堂支撑，整个支撑体系所需的工程量会比一般的工程大许多。整体的施工成本也会增加。

而钢骨混凝土梁中的型钢，在构件可起到二次受力作用，方便施工。由于其本身刚度较大，浇筑混凝土时钢骨架可以作为滑模、挂模的骨架从而节省模板支撑；施工阶段时承担混凝土和钢析架自重及施工荷载，实现无支撑自承重，加快施工速度[1]。因而本工程选择钢骨混凝土梁作为其中一种较优的选择，只是实腹式钢骨混凝土存在用钢量较大的缺点仍待解决。

故本工程结合已有的一些研究成果以及应用现状，提出采用新型桁架式钢骨混凝土梁来解决上述预应力梁方案和实腹式钢骨混凝土梁方案出现的问题。

3 新型桁架式钢骨混凝土的可行性应用设计分析

空腹式钢骨混凝土结构目前已有不少的研究和应用，而空腹式钢骨混凝土梁研究方面的研究大多数采用空腹格构式钢骨混凝土梁结构形式，对于传统的空腹式钢骨混凝土结构，型钢一般为角钢放置在构件的四角，扁钢作为腹杆，采用铆接，其抗震性能相对较差[1]，其图详见图4

图4 传统空腹式钢骨混凝土结构

根据上述的情况，以及现场的一些研究，本项目提出采用唐光暹提出的新型桁架式钢骨混凝土梁结构形式：内配置桁架式型钢，以形型钢代替传统的角钢配置在梁的上、下部位，形型钢用角钢相连，构成桁架式钢骨混凝土梁构件，具体如图所示[1]：

根据唐光暹提出的桁架式钢骨混凝土框架梁构件设计方法，桁架式型钢混凝土梁构件的截面承载力等于桁架式钢骨部分的承载力与钢筋混凝土部分的承载力之和。桁架式型钢混凝土构件斜截面受剪承载力由三部分组成，即混凝土、箍筋和桁架式型钢骨架的受剪承载力。而《组合结构设计规范》JGJ138-2016中 5.2.6条也提到配置配置桁架式型钢的型钢混凝土梁，其受弯承载力计算可将上下弦型钢考虑为纵向钢筋，受剪承载力计算可将桁架的斜腹杆按其承载力的竖向分力等效为抗剪箍筋，按国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010中的钢筋混凝土梁的相关规定计算。

图5 新型桁架式钢骨混凝土梁结构

虽然相关规程和规范提及桁架式型钢的型钢混凝土梁的相关设计，而且也有相关对此进行了较为深入的研究，而由于该桁架式钢骨混凝土框架梁实际的工程应用目前在国内还没有，没有相关的工程实践作为参考，因而在本工程大跨度梁的设计中采用相对保守的设计，即假设由桁架式钢骨承担梁的弯矩，混凝土和箍筋承担梁的剪力和扭矩，同时钢桁架作为钢结构支撑在施工过程中承担施工荷载。

因该新型桁架式型钢混凝土梁在国内的工程应用尚属首次，目前工程设计类软件没有该桁架式型钢选择，因而采用有限元软件ABAQUS进行模拟分析。 作为一种大型通用有限元分析软件，ABAQUS能够模拟结构应力位移及其他各种领域的问题，特别在钢筋混凝土结构非线性分析中能够获得很精确、很贴合实际的结果，通过采用ABAQUS对该新型桁架式钢骨混凝土梁的模拟分析，对该新型桁架式钢骨混凝土梁的设计进行验证其可行性。

4 结论

（1）通过分析该综合球类馆的项目特点以及通过采用常规不同的方案设计比较，对比发现虽然采用预应力混凝土梁具有节省钢材的特点，设计施工也比较成熟，但是在本项目中应对高大空间时需要较多高大模板的缺点也较为明显。而实腹式钢骨混凝土梁虽然在施工时型钢能作为支撑的一部分而节省一部模板支出的费用，但是也存在相较预应力混凝土梁而言其用钢量较大的缺点。

（2）针对实腹式钢骨混凝土存在的缺点以及现有的一些学者的研究，提出采用新型桁架式钢骨混凝土作为该综合球类馆高大空间的设计应用。目前该新型桁架式钢骨混凝土已有不少的学者对其进行了性能研究，并给出了具体的设计方法以及建议，而且相关的规范已有类似的设计指导意见。针对工程设计类的软件没有该类型的钢骨混凝土梁的设计，可以采用ABAQUS通用有限元软件对该设计进行验证分析。

总体而言，新型桁架式钢骨混凝土作为某综合球类馆的高大空间的解决方案，其应用设计是可行的，而且具体的设计内容也可作为一个研究课题进行深入研究，为今后采用相关类型的工程设计以及应用作为一个示范参考。

[1]唐光暹.桁架式SRC梁_RC柱组合节点抗震性能及设计方法研究[D].广西大学，2012

[2]王玉镯,傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社.2010

[3]JGJ138-2016组合结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2016

[4]GB50010-2010(2015版)混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2015