装配式钢-混凝土组合梁的应用案例

梁学元

（珠海九洲置业开发有限公司 珠海519000）

0 前言

为了提倡环保节能，国务院于2016年9月27日出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，要求因地制宜发展装配式建筑，力争用10 年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。目前，部分地区已形成了完善的装配式建筑产业链，发展势头非常乐观［1］。装配式建筑有多种类型，钢-混凝土组合梁属于其中一种，大力推广及应用钢-混凝土组合梁具有必要性和前瞻性。

1 钢-混凝土组合梁的优势

相较于装配式混凝土结构及纯钢结构，钢-混凝土组合梁能充分发挥钢材和混凝土2 种材料受力特点。通过抗剪连接件将混凝土翼缘板与钢梁组合成整体共同受力，由于有了混凝土翼缘板的参与，与钢梁相比较，钢-混凝土组合梁大大提高了刚度及承载力，因而具备节约材料、降低梁高、减少挠度、缩小裂缝等优点。另外，与混凝土梁相比较，钢-混凝土组合梁具有重量轻、构件延性好、缩短施工周期、节约模板等优势［2］。

2 应用实例

2.1 工程概况

某综合办公楼总建筑面积约13.7 万m2，地上23层为商业+办公楼，楼高99.6 m；地下为4 层停车场。结构类型为框架-核心筒结构，抗震设防烈度为7 度，抗震等级为二级［3］。办公楼区域的附加恒荷载为1.5 kN/m2；活荷载为 2.0 kN/m2［4］。为了响应国家和地方提出节能环保的装配式建筑政策，本工程在地上楼层采用钢-混凝土组合梁楼盖结构，组合梁平面布置如图1 所示。钢梁采用工字型300 mm×550 mm×14 mm×20 mm（次梁）和300 mm×700 mm×16 mm×22 mm（主梁），均为Q345级钢材；楼板采用120 mm厚C40混凝土现浇楼盖；钢梁与混凝土翼板的抗剪连接件采用2φ19@200栓钉，如图2所示。

图1 钢-混凝土组合梁平面布置Fig.1 Plane Layout of Steel-concrete Composite Beam

图2 钢-混凝土组合梁剖面Fig.2 Steel-concrete Composite Beam Section

2.2 次梁

次梁仅承受楼面传来的竖向荷载，不参与结构整体抗侧受力，所以次梁与柱的连接设置为铰接，次梁受力及计算较为简单。以最大跨度15 m的次梁作分析，梁上荷载计算所得的弯矩设计值M=1 454 kN·m，剪力设计值V=423 kN。经计算，钢-混凝土组合梁总高度为670 mm，混凝土翼缘板面积426 000 mm2，换算后截面积62 039 mm2，截面惯性矩2.71×109mm4，抗弯、抗剪承载力计算均满足要求。挠度计算值为15.74 mm＜L/300=50 mm，满足《钢结构设计标准：GB 50017-2017》［5］中规定的正常使用极限状态要求。

2.3 主梁

主梁不仅承受楼面传来的竖向荷载，同时参与结构整体抗侧受力，因此主梁与柱的连接设置为刚接。主梁最大跨度为15.5 m，梁上荷载作用下跨中正弯矩设计值M=987 kN·m，支座负弯矩设计值M=1 937 kN·m，剪力设计值V=787 kN。经计算，钢-混凝土组合梁总高度为820 mm，混凝土翼缘板面积263 000 mm2，换算后截面积 38 272 mm2，截面惯性矩 4.4×109mm4，跨中及支座处抗弯、抗剪承载力计算均满足要求。挠度计算值为5.14 mm＜L/300=51 mm，满足文献［5］中规定的正常使用极限状态要求。

2.4 抗剪连接件

组合梁之所以能成为一个整体而共同工作，是因为在钢梁与混凝土翼缘板之间设置了抗剪连接件，抵抗两者在交界处引起的剪力及位移，因此，抗剪连接件设计是组合梁设计的关键点［6］。由于栓钉相对于槽钢和弯筋更为普遍且施工简便，所以采用4.6级φ19栓钉作为抗剪连接件。根据文献［5］中相关规定，一个栓钉的承载力设计值71.45 kN。纵向最大剪力Vs=min（Aƒs，behc1ƒc）=5 360 kN。所需栓钉总数个，采用2 列栓钉，纵向间距取200 mm，即采用2φ19@200 栓钉布置，实际配置栓钉总数为150 个＞75 个，满足受力要求。上述计算公式适用于普通混凝土，近年来活性粉末混凝土（RPC）由于具有高强度、高韧性以及耐久性好等优点，逐渐被应用到组合梁施工中，王卫锋等人［7］对钢-活性粉末混凝土（RPC）组合梁栓钉抗剪承载力进行了试验研究，试验结果显示与文献［5］公式计算所得结果相差较大。

2.5 梁柱节点

主梁作为框架的主要受力构件，与柱的连接宜设置为刚接，以此提高结构的整体刚度，满足抗侧力承载力及水平位移控制的要求［8］。那么如何保证主梁与柱之间的内力可靠传递，以及确保梁柱节点处具有足够的强度将成为重中之重。

本工程聘请了清华大学结构工程团队作为技术顾问，经分析研究，并结合以往的工程实例，顾问团队建议梁柱刚接节点处采用钢套筒加固处理，如图3 所示。使用通用有限元软件MSC.Marc 建立钢筋混凝土柱与组合梁刚接节点计算模型，经加载计算分析后，根据梁柱节点最大应力图（见图4），可见梁端钢材已经屈服，而钢套筒应力还是处于较低水平，保持足够的延性；而且随着钢套筒高度的增加，结构的耗能能力随之加强；钢套筒的存在可对节点核心区混凝土产生约束作用，反过来核心区混凝土的存在可防止钢套筒屈曲，两者相得益彰，突显了两种材质的特点。故此，节点采用钢套筒加固后，相比传统钢结构或混凝土结构具有更好的承载力和抗震性能，实现了“强节点弱构件”的设计目标［9］。梁柱节点的连接方式以及施工质量极大地影响着节点强度，是装配式结构得以实施的关键点［10］。本工程节点连接是采用钢套筒外伸牛腿，再由牛腿与钢梁螺栓连接，避免连接点位于节点内造成不利影响。

图3 主梁与柱节点剖面Fig.3 Main Beam and Column Joint Section

图4 梁柱节点最大应力Fig.4 Maximum Stress of Beam-column Joint

2.6 楼板

为了使楼层平面具有足够的刚度，保证各抗侧力构件所承受的水平力按照其抗侧刚度分配，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010》［11］规定，楼盖结构应具有适宜的舒适度，故此楼板采用120 mm厚混凝土现浇楼盖。利用有限元软件Midas Gen 进行分析，计算自振频率时刚度按照自身刚度，质量按照钢梁、楼板自重、楼面恒载和1/2活载产生的等效质量取值，计算结果显示竖向振动频率为5.04 Hz，高于规范的3 Hz 舒适度要求。由此可见，钢-混凝土组合梁楼盖结构具有较好的舒适度。

2.7 技术指标对比

为了分析钢-混凝土组合梁楼盖的经济性，在结构选型阶段专门做了3 个方案进行对比，分别是普通混凝土结构楼盖、钢结构楼盖和钢-混凝土组合梁楼盖。经分析，技术指标对比如表1所示。由表1可知，采用钢-混凝土组合梁楼盖其梁高降低了约23%，有效改善了建筑空间，楼盖自重也有明显减轻，降低了大楼整体负荷，从而节约成本，创造经济效益。

表1 技术指标对比Tab.1 Comparison of Technical Indicators

2.8 防锈、防火

由于有混凝土楼板的保护作用，相对于纯钢结构，钢-混凝土组合梁楼盖其裸露钢构件的面积相对较少，对防锈防火有一定的优势。然而，裸露的钢构件需做好防锈防火措施，以此提高结构的耐久性和建筑物寿命。其中防火措施尤为重要，因为火灾发生时，钢构件受热会迅速失去承载能力，从而导致整个结构失稳［12］。本工程防锈措施采用表面抛丸除锈达到Sa2.5级，后涂水性无机富锌底漆，厚度为50×2µm，环氧云铁中间漆，厚度为40×2µm，聚胺脂面漆，厚度为30×2µm。防火保护措施则采用厚型防火涂料，梁底外加防火吊顶进行单面隔绝等方法。

3 结语

本文简述了钢-混凝土组合梁的优势，以具体工程实例描述了各个构件的受力特点、设计注意事项，力求做到设计合理、安全可靠、经济适用。同时分析了各项技术指标，突显钢-混凝土组合梁具有节约材料、降低造价、扩大空间、缩短工期等诸多优势。随着装配式建筑的推广及普及，钢-混凝土组合梁的应用将越来越广泛，必将成为未来发展的趋势。