大跨度报告厅的型钢混凝土梁设计

【摘要】随着我国经济的发展，我国建筑对大空间的要求越来越多，本文讨论在种植屋面、结果找坡的情况下，型钢混凝土梁与预应力混凝土梁的设计比选，并提出建设性意见。

【关键词】大跨度;型钢;预应力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、工程概况

某工程位于湖南省，建筑占地面积8547.71m2，总建筑面积73827.96m2，本建筑主楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，裙楼采用钢筋混凝土框架结构。建筑地下2层，地上16层。地下一层层高6.1米，地下二层层高3.9米。地上一、二层层高均为6.0m，3层及以上楼层层高均为4.8m。建筑高度80.20m（建筑室外地面至建筑屋面结构板顶），建筑最高点高度94.60m（建筑室外地面至建筑屋面构架顶）。其中学术报告厅长42.0m、宽34.8m，坡屋面最高点12.47m，局部层高6m，报告厅与主楼设缝脱开。 见图1

工程设计使用年限50年，株洲地区抗震设防烈度小于6度，根据株洲市地震局文件[株抗震（2013）80号]，本工程设防分类为标准设防类，按6度抗震设防，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅱ类，建筑结构的安全等级为二级，结构构件的重要性系数为1.0，建筑耐火等级为二级。株洲地区基本风压0.35kN/m2（50年重现期），地面粗糙度为B类，基本雪压 0.5 kN/m2 （100年重现期）。

2、结构方案

型钢混凝土组合结构是指在钢筋混凝土中放置型钢的一种结构形式，放置型钢会增加混凝土结构的强度及延展性，特别对于大跨度的梁，它比传统的钢筋混凝土结构具有更好的承载能力、更优的刚度及抗震性能，对于梁截面、挠度减小有显著效果。

该报告厅沿长方向跨度为26.4m，并且做种植屋面，即使采用结构找坡，屋面的荷载也较大。结构方案首先考虑的是采用钢筋混凝土井字梁结构，但考虑到主报告厅结构为长方形，井字梁条件不成熟，故否认了。接下来就考虑两种方案，第一考虑为预应力钢筋混凝土梁，第二种考虑为型钢混泥土梁，下面分别阐述折两种结构方案：

2.1预应力混凝土梁

本工程预应力框架梁均采用有粘结预应力技术，梁集中采用有粘结预应力筋，锚具采用圆锚。 预应力筋采用15.2mm，根据强度标准为1860MPa的低松弛预应力钢绞线，其性能应满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-1995）的规定，预应力梁及封端混凝土的强度等级为C40，预应力张拉控制应力为1860x0.75=1395MPa，每根有粘结预应力筋的张拉控制力为195kN。

预应力混凝土梁长方向分为两部分张拉，其中最大截面800mmx2000mm（7-7 Φ15.2）和600mmx1400mm（3-7 Φ15.2），抗震等级为三级。见图2、图3

2.2型钢混凝土梁

本工程型钢混凝土梁在钢构件加工制作前，应考虑结构变形（竖向构件的轴向变形差等）、焊接变形等可能产生的安装偏差并预先采取相应的调整措施。在确保满足施工安装和设计要求后，方可进行构件加工、制作和安装。由于跨度较大，故梁得拆分三段在现场焊接，所有钢构件均应在工厂加工制作，现场拼接和安装。梁的拼接焊缝应采用全熔透焊缝，施焊工艺及板材上的坡口尺寸应符合《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）的有关规定。焊接工字形（或H型钢）截面翼缘板与腹板应等强连接，拼接缝应错开，并避免与加劲板重合，腹板拼接缝与加劲板间距不宜小于200mm，腹板拼接缝与上下翼缘拼接缝间距不宜小于200mm。见图4

经过计算，型钢混凝土梁最大截面为800mmx1700mm（内置型钢尺寸为H1300x450x16x22）和800mmx1200mm（内置型钢尺寸为H800x400x14x20），抗震等级为三级。

3、结构设计中的几个技术问题

3.1荷载取值

根据建设方要求，报告厅屋面采用种植屋面，经查《种植屋面工程技术规程》（JGJ155-2013），荷载规范规定屋面采用种植土，荷载取值为恒载取6.0kN/m2 屋面活载取3.0kN/m2。

3.2支座节点计算

型钢混凝土梁的支座节点主要有以下几种连接：型钢混凝土梁与混凝土柱、型钢混凝土梁与混凝土梁的节点大样。混凝土次梁与型钢主梁的连接经查图集得到下种连接方式：见图5

型钢混泥土柱内的钢筋较多，考虑施工问题，采用直径为28mm的钢筋并筋排列，在型钢梁上设置抗剪栓钉以保证与混凝土的连接可靠。

由结构软件查得梁端的剪力V：-1350.000（kN），螺栓采用10.9s，公称直径为22mm，根据《钢结构标准》 第11.4.2条：

各螺栓所受剪力（kN）：

单个螺栓的承载力设计值抗剪Nvb=85.500（kN），计算满足要求。

3.3不同结构形式计算分析比较

预应力混凝土梁优点在于刚度大、抗裂性好，可以推迟裂缝的开展，且能在一定程度上减小自重，节省材料。但预应力混凝土梁的工艺相对复杂，对质量要求高，需要配备一支技术较为熟练的专业队伍且要有专门的设备，预应力混凝土梁在费用上开工费也较高，对于构件较少的工程成本较高。

型钢混凝土梁的优点在于型钢混凝土构件承载能力强，比预应力结构更加能减小构件截面，其中预应力混凝土梁最大截面800mmx2000mm（7-7 Φ15.2）和600mmx1400mm（3-7 Φ15.2）。型鋼混凝土梁最大截面为800mmx1700mm（内置型钢尺寸为H1300x450x16x22）和800mmx1200mm（内置型钢尺寸为H800x400x14x20）。从施工上型钢混凝土梁可以简化支模，加快施工速度，且耐火、耐久、抗震性能都略胜一筹。

4、结论及建议

（1）在计算种植屋面，特别是大跨度情况下的种植屋面首先考虑结构找坡，其次种植屋面的重量应考虑种植土而非填土，以减轻所取荷载。

（2）型钢混凝土梁的节点大样在图集中未涉及到型钢混凝土梁与混凝土柱的连接方式，只能参照型钢混凝梁与混凝土墙的连接方式来进行计算。

（3）型钢混凝土梁在施工时难点在于梁得拆分三段，所有钢构件均应在工厂加工制作，现场拼接和安装，切不可直接在现场焊接。

（4）考虑到施工工期、费用、难度，对于单体中只有少部分大跨度梁的情况下选择型钢混凝土梁优于预应力混凝土梁。

作者简介：

贺益田，1989年出生，女，籍贯湖南长沙，硕士研究生，工程师，土木工程建筑结构方向。