型钢混凝土在大跨度悬臂梁结构中的应用.pdf

2 7 6 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 3 卷 第 3期 2 0 1 2年 3月 Vo 1 4 3 No 3 Ma x 2 0 1 2 型钢混凝土在大跨度悬臂梁结构中的应用 韩 宁 ，李晓润2 ，吕俊江2 ( 1 北京市建 筑设计研 究院 ， 1 0 0 0 4 5 ， 北京； 2 _ 中冶建 筑研 究总院 有限公 司， 1 0 0 0 8 8 ， 北京 ) 摘要 ： 通过高大跨度悬挑梁 的设计实例 ， 介绍型钢混凝 土组合梁 的特点和大跨度悬臂结构 的基本设计思 路 ， 针对型钢混凝土在低高大跨度悬臂梁中的应用进行探索性 的研究与尝试。 工程实践表明 ， 型钢混凝土用于低 高大跨度悬臂结构具有良好 的综合效益 。 关键词 ： 型钢混凝土 ； 大跨度悬挑梁 ； 结构设计 中图分类号 ： T U 7 5 5 文献标识码 ： B 中图分类号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 2 7 6 0 2 APPLI CATI oN oF STEEL RE姗oRCED CONCRETE I N LONG S PAN CANTI LEVER BEAM H A N N i n g ，L I X i a o - r u n 。 ，L U J u n - j i a n g 。 ( 1 B e i j i n g I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e D e s i g n ，1 0 0 0 4 5 ，B e ij i n g ,C h i n a ； 2 C e n t r e R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g a n d C o n s t r u c t i o n u n d e r MC C ， 1 0 0 0 8 8 ， B e ij i n g ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th r o u g h t h e d e s i g n p r a c t i c e o f t h e l o n g -s pa n c a n t i l e v e r b e a ms ，t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a n d t h e b a s i c d e s i g n i d e a s o f l o n g s p a n c a n t i l e v e r s t r u c t u r e we r e i n t r o d u c e d T h e e x p l o r a t o r y a n d e x p e rime n t a l r e s e a r c h a i me d a t t h e l o n g s p a n s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m wi t h l o we r h e i g h t Was c a r r i e d o u t En g i ne e rin g p r a c t i c e s h o we d t h a t s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms f o r l o n g s p a n s t r u c t u r e wa s p r o fit a b l e o v e r a l 1 Ke y wo r ds ： s t e e l r e i nfo r c e d c o n c r e t e ；l o n g -s p a n c a nt i l e v e r b e am ；s t r u c t u r a l d e s i gn 型钢混凝土( S R C )结构比钢结构可节省大量钢 材 ， 增大截面刚度 ， 克服 了钢结构耐 火性 、 耐久性差及 易屈曲失稳等缺点 。 与普通钢筋混凝土( R C ) 结构相比 ， 配钢率可比R C 结构中的配钢 率大很多 ， 因此型钢混凝 土 构件 的承载能 力可高于 同样 外形 的R C 构件 1 倍以 上 ， 并可减 小构件截面积。同时 ， 由于S R C 结构整体性 强 ， 延性性能好等优点 ， 能大大改善钢筋混凝土受剪破 坏 的脆性性质， 使结构抗震性能也得到明显改善。 1 工程概况 北京世纪华侨城商业 中心办公楼建筑面积3 9 6 0 m 2 ， 地下 1 层 ， 地上2 层 ， 地下层层 高3 6m， 首层层高4 0 m， 二层层高3 8 m( 图1 ， 2 ) 。 该办公楼为丙类建筑 ， 使用 年限5 0 年 。 采用普通钢筋混凝土框架一 剪力墙结构+ 局 部型钢混凝土结构形式 。抗震设防为8 度( 0 2 ， 第一 组 ， I I I 类场地土。抗震等级为主体结构( 除大跨度悬挑 L【 ： l I r - 二 _ l 【 1 I 【 j ! 【 【 【l 七 l J ! 图1 结 构平面布 置图 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 2 4 作者 简介 ： 韩 宁( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 北 京市 人， 高 级工程 师 ， e ma i l ：h a n n b i a d corn Cn 1 会 议 室 息 区 房 f _ 1 门 厅 屑 = II l 一 0 配 电 室 翻 开 I l 图2结 构 立 面 布 置 图 位置外1 框架三级 、 剪力墙二级 。 根据建筑方案大型会议室要求从 轴往外出挑 8 1 m， 根据 北京市建 筑设计技术细则 表5 1 1 - 3 中对 悬挑梁高度 的要求为 ， 5 也， 7 ，故此处挑梁高应 为 1 1 5 1 6 0m。本工程 由于建筑投资、 造型功能等方面 的要求 。 梁高限为0 8 1 0 m。 如何完成这一大跨度悬臂 结构的设计 ， 是对结构工程师的挑战 。 2 低 高大跨度悬臂 梁的设计 2 1 低高大跨度悬臂梁的选型及截面布置 由于该大跨度悬臂梁结构要承担较大剪力 ，设计 时通过在钢筋混凝土梁 中配置型钢 ，利用型钢腹板承 受剪力 ， 可大幅提高悬臂梁整体 的抗剪承载力 ， 同时也 改善了构件受剪破坏时的脆性性能 ，使构件具有 良好 的延性和耗能能力。 经比选 ，确定悬臂梁采用型钢混凝土结构型式的 设计方案 。 以截面抗剪承载力作为控制条件 ， 确定型钢 混 凝 土 悬 臂 梁 K HL 1 0 6 ， K H L 2 0 6的截 面 尺 寸 为 6 0 0 2 0 1 2年 3月 韩宁 ， 等 ： 型钢混凝土在大跨度悬臂梁结构 中的应用 2 7 7 mm 8 0 0 mm( 图3 ) ， 内部为工字型钢梁 。同时根据 钢 骨混凝土结构设计规程 的要求 ， 取经济含钢率4 5 ， 即型钢面积约 为2 1 6 0 0 m m2 ， 实配型钢面积采用2 0 6 0 0 m m2 。型钢的出挑长度根据悬臂梁弯矩包络图确定 ， 取 梁轴线长度的7 0 。梁体内混凝土强度等级为C 3 0 ， 型 钢采用Q 2 3 5 B。 悬臂梁 中普通钢筋则根据计算结果并放大1 0 配 置 ( 如图3 所示 ) ， 截面受拉侧钢 筋为1 2 3 2 ， 受压侧钢 筋为8 3 2 ， 采用H R B4 0 0 I I 钢筋 ， 配筋率不超过2 ， 同 时考虑到梁上、 下钢筋 的摆放与柱中型钢翼缘、 柱主筋 和箍筋之间的关系 ， 可满足相应规范的要求。 梁的箍筋 及腰 筋均 应按 混凝土 结构 设计规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ) 的要求布置。 图3悬 臂 桨截 回 配 筋 图 2 2 低高大跨度悬臂梁的抗剪连接 将型钢放置于梁 的上部 。可较好地发挥型钢材料 的抗拉性能，但型钢上翼缘混凝土的界面间存在较大 的剪应力 ， 极可能产生相对滑移 ， 因而抗剪连接件成 为 型钢混凝土组合梁充分发挥各材料性能的关键 。本工 程为避免型钢与混凝土接触面滑移 ，在型钢上下翼缘 处 间隔1 5 0ra i n 设置两排直径 1 9m m、长8 0m m的剪 力 钉 。 2 - 3 低高大跨度悬臂梁的承载力计算 在确定挑梁尺寸后 ， 通过表1 所列的可能出现的不 利情况进行分析 ，找 出最不利的一组内力值进行截面 验算。 同时发现对民用建筑结构中的长悬臂构件而言 ， 竖向地震作用不是结构的最终控制内力。 表1 各工况下悬臂梁 内力计算结果 整体分 P MS A P 分 竖 向地震 荷载不利 工况内力 析下的 析下 的梁 作用下 的 组合 下的 梁内力 内力 梁 内力 粱内力 k N m O 0 O O k N m 1 2 8 1 2 8 1 2 8 1 28 肘 k N m 28 4 1 -28 21 28 4 1 28 4 0 肘 Jk N m - 7 9 5 - 7 8 0 - 7 9 5 - 7 8 0 k N - 2 0 2 -2 0 2 - 2 0 2 2 0 1 Jk N 5 o 6 - 5 0 1 5 0 6 5 O 4 k N 3 5 2 3 05 7 3 5 2 3 2 5 同时 取最不利荷载组合 工况 下的内力 ，利用 A B A Q U S 软件对本悬臂梁进行有限元分析。 其 中， 型钢 和混凝土采用三维8 节点实体单元模拟 ， 钢筋采用线性 三维桁架单元模拟 。 采用嵌入技术模拟钢筋 ， 型钢与混 凝土之间的相互作用 ， 不考虑滑移等因素的影响。 通过在悬臂梁上施加均布荷载 ，梁端施加集中荷 载的方式模拟最不利工况下构件的荷载条件 ，可以看 出悬臂梁约束端混凝土应力较大 ， 最大值为7 6 4MP a ， 低于C 3 0 混凝土的抗压强度设计值 1 4 3 MP a ； 悬臂梁端 纵向钢筋受拉应力最大值为5 1 0 MP a ，远低于其抗拉 强度设计值 。从型钢应力分布图中可以看 出无约束端 型钢所分担的内力已经很小 ，故从经济上考虑可适当 缩短型钢长度。另从悬臂梁内应力的矢量分布可看出 型钢与钢筋骨架能很好地协调工作 ， 共同承担荷载 。 2 4 低高大跨度悬臂梁的裂缝和挠度验算 按 型钢 混凝土组合 结构技 术规程 ( J G J 1 3 8 2 0 0 1 )第5 2 2 条验算裂缝宽度 ， K H L 1 0 6 梁在充分考虑 裂缝宽度分布的不均匀性和荷载长期效应组合影响的 最大裂缝宽度“ k为0 2 9 n l l n ， 而规范规定的允许值 为0 3 m m， 满足 规 范要 求 。 按 型钢 混凝 土组合 结构技 术规 程 ( G B 1 3 8 2 0 0 1 )第5 2 3 条验算挠度 。 K HL 1 0 6 梁的纵向收拉钢筋 的配筋率p = 1 5 时 ， 在充分考虑荷载短期效 应和长期 效应组合作用下的最大挠度为4 9 4 9 6m m， 而规范规定 的允许挠度 门为Z d 2 5 0 = 6 4 m m， 满足规范要求。 3结语 ( 1 )确立型钢混凝土组合结构的抗震等级 ，当该 结构全部采用型钢混凝土组合结构时 ，和部分采用型 钢混凝土组合结构时 。 应有所区别。 ( 2 )一般情况下， 型钢混凝土梁较合理的含钢率为 4 5 8 。 而型钢混凝土柱较合理的含钢率为7 - 7 5 。 ( 3 )型钢钢板的厚度不宜小于6 mm，一般翼缘板 为2 0 m m以上， 腹板为1 6 m m以上， 但当钢板厚度大于3 6 mm时 。 为保证焊接质量 ， 钢材的厚度方向的断面收缩 率应符合现行 国家标准 厚度方向性能钢板 的规定 。 ( 4 )应充分重视型钢混凝土梁与钢筋混凝土柱在 构造连接上的配合协调问题。 参考文献 1 北京市建筑设计标准化办公室北京市建筑设计技术细则 ( 结构 专业) M 北京 ： 中国计划 出版社，2 0 0 3 2 3 J G J 3 - 2 0 1 0 。 高层建 筑混凝 土结构技术规程 北京 ： 中国建 筑工业 出 版社 ， 2 0 1 0 3 YB9 0 8 2 1 9 9 7 ， 钢骨混凝土结构设计规程 北京 ： 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 7 4 J G J 1 3 8 2 0 0 1 ， 型钢 混凝 土组合结构技术规程