西安某中小学体育馆项目劲性混凝土结构的应用

袁文健

摘 要：结合某工程实例，通过对大跨度建筑常用的几种结构形式的比较，突出劲性混凝土结构的优势，简述劲性混凝土结构的设计要点。

关键词：大跨建筑物;钢梁;钢筋混凝土楼盖组合结構;预应力混凝土结构;劲性混凝土结构

随着经济的发展，大跨建筑物越来越多的出现在我们身边，各种体育馆、剧场、会议室、多功能厅等大跨建筑物如雨后春笋般的涌现出来，而大跨建筑物的结构形式也是多种多样，本文就劲性混凝土结构在西安某中小学体育馆项目中的应用做些探讨。

一、工程概况

本工程为西安某中小学项目体育馆，东西长124.4m，南北宽69.5m，结构空间复杂，其中左侧8-3～8-7轴与8-A～8-H轴所围区域为层高11.2m的33.6x45.6m单层风雨操场，右侧8-8～8-16轴与8-A～8-E轴所围区域为层高7m的67.2x33.1m单层游泳馆，风雨操场大屋面高出游泳馆大屋面4.2m，风雨操场和游泳馆大屋面均为学生活动场所，游泳馆大屋面另起顶高11.5m的膜结构，其下设置篮球场。

二、方案比选

本工程右侧为游泳馆，室内环境潮湿，采用钢结构较为不利，钢结构后期维护成本较高，管理不便。同时平顶大屋面为学生活动场所，荷载较大，对屋面板舒适度要求较高，综合考虑大屋面楼盖结构在劲性混凝土结构和钢筋混凝土预应力结构之间产生。距本体育馆东侧十米左右为学校剧场，剧场大屋面跨度为32.6x38.5m，剧场大屋面主受力方向与右侧较高的教学楼采用100mm抗震缝分开，由于体育馆和剧场几乎同时开建，三个大空间场馆采用相同的结构形式便于业主招标采购，方便现场管理施工，剧场大屋面主受力方向与东侧教学楼之间没有预应力结构的张拉空间，且钢筋混凝土预应力结构施工工艺较复杂，初步确定本项目采用劲性混凝土结构。

经济性方面，本工程选择大跨钢梁-钢筋混凝土楼盖结构、劲性混凝土结构和预应力混凝土结构三个方案进行比较，为方便分析，本工程仅比较与大跨屋盖结构相关结构的经济性。大跨钢梁-钢筋混凝土楼盖结构方案为便于施工，采用单向密肋梁，梁间距2.8～3.2m，H型钢梁截面H1400x500x28x34，混凝土板厚150mm，计算结果风雨操场钢梁最大应力比0.85，最大挠度120mm，游泳馆钢梁最大应力比0.74，最大挠度104mm，均满足要求;劲性混凝土结构为便于施工，劲性混凝土梁仅沿大屋面短跨方向布置，劲性混凝土梁截面800x2200mm，钢骨H1800x450x20x40，劲性混凝土梁配筋率0.9%左右，劲性混凝土柱1200x1200mm，钢骨H800x650x30x40，风雨操场梁最大挠度108mm，游泳馆最大挠度128mm，均满足要求;预应力钢筋混凝土方案仅沿大屋面短跨方向布置，梁截面尺寸800x2600mm，设6道预应力索3-12Φs15.2（140，280，140）+ 3-12Φs15.2（140，280，140）， 风雨操场梁最大挠度68mm，游泳馆最大挠度76mm，均满足要求。三种方案材料用量对比见表一。

由表一可以看出，方案三梁截面尺寸最大，梁高2600mm，对建筑层高影响最大，且施工工艺复杂，影响施工周期，优点是造价相对较低;方案一梁高1400mm，加板厚1550mm，对建筑层高最有利，钢结构施工工艺简单，但造价最高，且钢结构在潮湿环境中易受腐蚀，后期存在维护管理难题，方案二梁高2200mm，介于方案一和方案三之间，造价较方案一下降很多，较方案三增加不多，虽然劲性混凝土结构施工工艺也比较复杂，但无后期养护问题。综合比较，最终采用劲性混凝土结构方案。

三、结构设计

（一）基本条件

本工程为中小学体育馆，采用局部带大跨（风雨操场大屋面短跨33.6m，游泳馆大屋面短跨33.1m，均大于18m）的钢筋混凝土框架结构。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第二组，建筑物场地类别第II类，本工程属于重点设防类即乙类建筑，按8度对整体结构进行地震作用计算，结构构件抗震等级按9度确定，抗震等级为一级，结构重要性系数取1.1。

（二）截面设计

本工程风雨操场劲性混凝土柱截面尺寸取1200x1200mm，钢骨H800x650x30x40，游泳馆劲性混凝土柱截面尺寸取1000x1200mm，钢骨H800x600x30x40，大跨屋面短向劲性混凝土梁截面均为800x2200mm，钢骨H1800x450x20x40，长向采用普通钢筋混凝土梁，为平衡大跨梁柱顶弯矩，于有条件位置设置一跨小劲性混凝土梁，劲性混凝土柱混凝土强度等级C50，劲性混凝土梁及其余部位梁板柱混凝土强度等级均为C40，劲性混凝土柱自基础通至大屋面，大屋面结构布置示意见图一、图二。

（三）节点设计

劲性混凝土结构设计难点在于节点设计，节点设计包括劲性混凝土柱的柱脚处理，劲性混凝土柱与劲性混凝土梁的连接，劲性混凝土柱与普通混凝土梁的连接，劲性混凝土梁与普通混凝土柱的连接，普通混凝土梁与劲性混凝土梁的连接等。

1、劲性混凝土柱柱脚采用埋入式柱脚，柱脚锚栓采用2Φ30，按铰接设计，型钢埋入混凝土深度按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010取2.5倍的型钢长边尺寸，该规定比《组合结构设计规范》JGJ138-2016规定的2.0倍型钢长边尺寸要严格，经复核，型钢柱脚埋入深度计算值远小于规范规定的构造值。

2、劲性混凝土柱纵筋尽量设置在柱的四角，国标图集《12SG904-1》规定角部纵筋根数不宜超过5根，本工程个别柱角部设置6根纵筋，劲性混凝土柱纵筋布置在柱的四角减少了柱筋穿过劲性混凝土梁型钢上下翼缘的根数，降低了对梁型钢的削弱。

3、由于劲性混凝土梁柱内存在型钢，型钢外侧混凝土相对较薄，对于钢筋的握裹作用较弱，过薄的混凝土也会导致梁柱纵筋、箍筋的摆放困难，混凝土浇筑等难题，本工程控制劲性混凝土柱钢骨外侧混凝土厚度不小于200mm，劲性混凝土梁钢骨上下侧混凝土厚度200mm，两侧混凝土厚度175mm，较好的解决了以上问题。梁柱等构件纵筋、箍筋需要穿过劲性混凝土结构内型钢或锚固在型钢翼缘上，为保证混凝土浇筑质量，劲性混凝土结构要求的钢筋间距以及钢筋与型钢的间距较普通混凝土结构为大，且纵筋最好单排布置，不应超过两排，因此本工程劲性混凝土梁宽度取800mm，与劲性混凝土柱相连普通混凝土梁宽度控制在500～600mm，尽量保证钢筋间距，方便混凝土浇筑。

4、劲性混凝土梁与劲性混凝土柱采用刚接，型钢翼缘腹板均采用等强度焊接连接。

5、普通混凝土柱表面埋设钢板与劲性混凝土梁连接，避免了梁型钢进入节点内造成的钢筋布置问题。

6、普通混凝土梁与劲性混凝土梁连接方向为次要受力方向，其底部纵筋伸至型钢腹板向上弯折5d，按非抗震构造锚固，避免了在梁型钢腹板上穿孔造成的削弱。

7、梁纵筋原则上尽可能绕型钢穿过节点，无法绕过的穿柱型钢腹板或用焊接套筒连接于柱型钢翼缘上，焊接套筒对应位置均在柱型钢上设置加劲板。梁纵筋穿过柱型钢腹板时控制纵筋穿过根数和穿孔间距，尽量减少对柱型钢的削弱。

四、结语

劲性混凝土结构解决了钢结构需要定期维护、管理不便的难题，做到了普通钢筋混凝土结构达不到的跨度，相较于预应力混凝土结构截面尺寸相对较小，施工工艺难度不大，成本增加也不多，有着较广泛的应用前景。劲性混凝土结构难点在于节点设计、施工，由于混凝土内包裹有型钢和钢筋两种材料，为保证钢筋之间、钢筋与型钢之间的间距，确保混凝土浇筑质量，劲性混凝土梁、柱以及与劲性混凝土梁、柱相连的普通混凝土梁的截面尺寸应留有充足的余地，型钢外侧的混凝土厚度也应充分考虑，本工程个别劲性混凝土构件梁柱纵筋排布略显紧张，后续类似工程需多加注意。