部分包覆钢-混凝土组合梁在装配式屋盖中的应用研究

2021-09-06王海

特种结构 2021年4期

王海

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

部分包覆钢-混凝土组合梁（Partially Encased Composite Beams，简称PEC 梁）由开口截面主钢件及其外轮廓范围内浇筑的混凝土组成，混凝土内可设纵筋、箍筋、抗剪件等钢配件。包括无翼板的部分包覆钢-混凝土矩形组合梁和有翼板的部分包覆钢-混凝土T 形组合梁两种形式。与纯钢梁相比，PEC梁的防火防腐性能好，刚度大于同截面的纯钢梁，包覆混凝土能阻止钢梁腹板的局部屈曲和翼缘向内侧局部屈曲。PEC 梁兼具装配式结构的优点，可工厂预制，现场装配施工。

污水处理厂的污泥干化车间一般不具备布置框架柱的条件，采用钢梁和带屋面水平支撑的有檩体系钢屋面是较为优选的屋面结构形式。但室内环境湿度大，还存在腐蚀性气体，需要对钢结构构件进行防腐处理，并刷防火涂料。若采用无翼缘板PEC梁作为屋面框架梁，腹板及翼缘内侧的防腐、防火涂漆可省去，由此节省的费用较为可观。

目前暂无PEC梁应用于污水、污泥工程项目的相关研究和工程案例。本文总结PEC梁正截面受弯、斜截面受剪、挠度和裂缝的计算方法，探讨PEC梁作为水平受力构件应用于大跨度装配式屋盖的连接做法，利用结构力学公式和SAP2000，探究包覆混凝土种类、强度等级、容重对梁跨中挠度、受拉区混凝土裂缝宽度的影响。

1 设计计算方法

1.1 正截面受弯

根据欧洲规范Eurocode 4［1］（简称EC4），PEC梁截面受弯承载力的计算与受压翼缘外伸部分的宽厚比相关（表1）。

表1 受压翼缘分类Tab.1 Classification of compression flange

当按照全塑性理论计算时，组合截面应力分布按照图1 考虑，不考虑腰筋的贡献。

图1 正弯矩作用下截面应力分布Fig.1 Section stress distribution under positive bending moment

1.2 斜截面受剪

参照EC4，为设计简便，竖向受剪承载力计算可仅考虑钢组件中平行于剪力方向的板件受力而不考虑内填混凝土，按下列公式计算：

式中：Vb为剪力设计值；hw、tw为梁腹板高度、厚度；fav为梁钢腹板的抗剪强度设计值。

当钢腹板的抗剪承载力不满足要求时，可按照EC4 提供的剪力分配法将剪力按照钢截面和钢筋混凝土截面的受弯承载力的比例进行线性分配，对两者分别进行受剪承载力验算。

1.3 挠度

矩形PEC梁在正常使用阶段的挠度应分别考虑荷载的标准组合和准永久组合按照结构力学方法计算，以两者中的大值作为挠度值。

对于PEC梁截面的短期抗弯刚度，EC4 考虑受拉混凝土开裂的影响，弹性模量取钢材弹性模量Es，截面惯性矩取等效惯性矩Ieq。

式中：对荷载标准组合，Iucr为未开裂PEC 梁的换算截面惯性矩，将腹部混凝土除以αE换算成钢截面后计算的全截面惯性矩；Icr为开裂PEC梁的换算截面惯性矩，当正弯矩作用时，将受压区混凝土除以αE换算成钢截面后计算的全截面惯性矩，αE为钢材与混凝土弹性模量的比值。

然而，当一定数值的正弯矩作用于组合截面上时，各材料可能处于弹性或弹塑性状态，截面受压区混凝土高度并不容易确定，通常需要借用数值分析手段，计算较为繁琐。

对于受弯构件，钢截面的抗弯刚度与0.8 倍混凝土截面的抗弯刚度之和作为组合截面抗弯刚度［2］。后续计算按照本条考虑。

1.4 裂缝

《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》（T／CECS 719—2020）［3］给出PEC梁受拉区混凝土最大裂缝宽度计算公式：

式中：ψ为考虑梁钢翼缘作用的钢筋应变不均匀系数；当ψ≤0.4 时，取0.4，当ψ ＞1.0 时，取1.0；σsa为考虑梁受拉翼缘与部分腹板及受拉钢筋的等效钢筋应力值；Es为钢筋的弹性模量；cs为纵向受拉钢筋的保护层厚度；de、ρte为考虑梁主钢件受拉翼缘与部分腹板及受拉钢筋的有效直径、有效配筋率。

2 节点连接及做法

针对PEC梁，目前具备完整、规范的设计方法，但尚未见其应用于大跨度装配式屋盖，本节结合某工程实际案例，探讨当屋面大跨钢梁被替换为PEC 梁时，PEC 梁采用的支座等节点做法、以及其与周边构件的连接构造做法。由于包覆混凝土的存在，使得PEC 梁在梁侧无可焊接点，PEC梁与周边钢结构构件的连接存在一些难点，本节对上述问题提出解决方案。

2.1 案例概况

某污水处理厂污泥干化车间为含起重机的单层建筑，平面尺寸40m ×18m，如图2 所示，室外地面标高3.5m，建筑内部为无柱网布置的大空间，屋面采用钢梁加水平支撑的有檩装配式屋架体系，屋面板采用夹芯彩钢板，下部结构为钢筋混凝土框架，柱顶标高为16.5m，屋面均布恒载和活载均按照0.5kN／m2考虑。屋面钢梁沿建筑短边方向简支布置，跨度为18m，钢梁在支座处通过预埋锚栓与下部钢筋混凝土柱连接，每跨钢梁由左右对称的两段组成，由屋脊向两侧找坡5%，左右两段在屋脊处通过节点板和高强度螺栓形成刚接节点。钢梁翼缘与腹板之间每间隔1.5m设置厚度为8mm的钢板加劲肋，用于提高翼缘和腹板的局部稳定性。

图2 屋面布置Fig.2 Layout of the roof

设计时，在“PKPM-钢结构二维设计-门式刚架”模块建立下部为钢筋混凝土柱、上部为钢梁的单榀门式刚架模型，梁柱节点设置为铰节点。对于本单体，基于梁高为1／30～1／20 跨度的原则，钢梁选用轧制HN700 ×300 ×13 ×24 截面的Q345 等级钢，均能满足承载能力和正常使用阶段的要求。

2.2 带PEC梁屋面的连接做法

现将钢梁替换为PEC 梁，立面如图3 所示（阴影部分为包覆混凝土）。端部支座和屋脊节点处不设包覆混凝土，方便施工操作。

图3 PEC 梁立面Fig.3 Elevation of the PEC beam

边跨梁需要通过弹簧钢板与抗风柱连接，用于将屋面的纵向水平力传递至抗风柱。当为钢梁时，钢梁上的节点可设置在其腹板；对PEC梁来说，梁上连接点需设置在上翼缘外侧，如图4 所示，PEC梁顶螺栓在梁制作时、包覆混凝土浇筑前预先安装。混凝土中纵向钢筋和腰筋在端部与加劲肋钢板焊接。

图4 PEC 梁与抗风柱连接Fig.4 Connection drawing of the PEC beam and the anti-wind column

在屋面设置刚性系杆（GXG），用于传递屋面沿系杆方向的水平力。当其与钢梁连接时，刚系系杆焊接于节点板，节点板通过螺栓和焊接与梁侧加劲肋连接；与PEC 梁连接时，在包覆混凝土侧面预埋钢板，预埋钢板采用角钢锚固于混凝土中，此时，刚性系杆通过节点板与预埋钢板焊接，如图5所示。

图5 PEC 梁与刚性系杆连接Fig.5 Connection drawing of the PEC beam and rigid tied bars

在钢结构中，隅撑（通常选用角钢）一端连接于屋面檩条，一端连接于梁侧加劲肋靠近下翼缘的位置，用于约束下翼缘的平面外变形；在PEC梁的情况下，隅撑与PEC梁那一侧的连接将变得困难和复杂，如图6 所示，通过在包覆混凝土侧面布置钢板预埋件，隅撑角钢通过弯折使角钢外侧平面与预埋钢板形成面接触，并通过焊接连接。

图6 PEC 梁与隅撑连接详图Fig.6 Connection details of the PEC beam and knee-braces

3 结构力学公式及SAP2000 计算结果分析

SAP2000 通过截面设计器定义组合截面［4］，对简支PEC 折梁（对称双坡，坡度每边5%）进行受力分析，同时用结构力学公式计算梁跨中弯矩，并采用1.3 节的组合截面刚度计算梁跨中挠度，将上述结果与软件计算值进行对比，见图7～图9。并按式（3）计算裂缝宽度，结果见图10 和图11，其中不上人屋面的活载准永久系数取0［5］。

图7 跨中弯矩随混凝土强度变化 Fig.7 Variation of the mid-span bending moment with concrete strength

普通混凝土分别采用C20、C30、C40、C50、C60 强度等级［6］，容重按25kN／m3；轻骨料混凝土分别采用LC20、LC30、LC40、LC50、LC60 强度等级［7］，密度等级选1800，容重按19.5kN／m3。

图7表明SAP2000能准确计算剪支PEC 梁的跨中弯矩，最大误差0.66%；图8 中SAP2000 算得的PEC梁跨中挠度略微偏小，对于轻骨料混凝土包覆梁，跨中挠度的最大偏差为4.21%，对于普通混凝土包覆梁，跨中挠度的最大偏差为5.52%，误差均在工程容许范围内。图8 显示随着混凝土强度等级增大，组合截面刚度提高，梁跨中挠度随之减小。

图8 跨中挠度随混凝土强度变化 Fig.8 Variation of the mid-span deflection with concrete strength

包覆混凝土分别选用容重为13.5kN／m3、15.5kN／m3、18.5kN／m3和20.5kN／m3的轻骨料混凝土LC20，弹性模量相应依次增加；分别选用容重为16.5kN／m3、17.5kN／m3、18.5kN／m3、19.5kN／m3和20.5kN／m3的轻骨料混凝土LC35；分别选用容重为18.5kN／m3、19.5kN／m3和20.5kN／m3的轻骨料混凝土LC50。图9 表明，随着混凝土容重的增加，自重和恒载作用下的梁跨中挠度逐渐增大，说明自重增加产生的效应大于混凝土弹性模量增大产生的效应；活载作用下的跨中挠度逐渐减小。