钢-混凝土组合梁在重庆国际会展中心工程中的应用.pdf

第 4 1 卷第 t 2期 2 0 1 0年 1 2月 V0 1 4 1 No 1 2 D e c 2 01 0 建 筑 技 术 Ar c hi t e c t ur e Te c hn o l oz v 钢一 混凝土组合梁在重庆国际会展 中心 工程中的应用 王 佐 ( 机 械 工业 第 三 设 计 研 究 院 ， 4 01 1 4 7， 重 庆 ) 摘要 ： 通过重庆 国际会展中心 工程中钢一 混凝土组合梁 的设计实例 ， 介绍组合梁 的特点和基本设计思路 。 工程实践表明 ， 钢一 混凝土组合梁用于大跨度结构具有良好的综合效益。 关键词 ： 钢一 混凝土组合梁 ； 大跨度结构 ； 结构设计 中 圈分 类号 ： T U 3 1 8 文献 标 识码 ： B 文章 编 号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 0 ) 1 2 1 1 1 1 0 3 AP P LI CATI oN OF S T EE L CoNC RET E C OMP OS I T E B EAM I N CHONGQING IN TERNATI ONAL CONVENTI oN AND EXHI BI TI oN CENTER W ANG Zu O ( T h i r d D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Ma c h i n e r y I n d u s t ry， 4 0 1 1 4 7 ， C h o n g q i n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e Ch o n g q i n g I n t e r n a t i o n a l Co n v e n t i o n a n d Ex h i b i t i o n Ce n t e r i n s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a m d e s i g n e x a mp l e ，i n t r o d u c e t h e c h a r a c t e ris t i c s a n d t h e b a s i c d e s i gn i d e a s o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms En g i n e e rin g p r a c t i c e s h o ws t h a t s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms f o r l a r g e -s p a n s t m c t u r e h a s a g o o d o v e r all e f f i c i e n c y Ke y wo r d s：s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms ； l o n g s p a n s t r u c t u r e s ； s t r u c t u r a l d e s i g n 钢一 混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础 上发展起来的一种新型梁 通常其上部为钢筋混凝土 板 ， 下部为钢梁 ， 两者间用抗剪键连接 ， 在正弯矩作用 下形成上部混凝土板受压下部钢粱受拉的组合结构。 收稿 日期 ： 2 O 1 O 一 0 7 0 9 作 者简 介 ： 王 佐 ( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 贵州 印 江 人 ， 高 级 工程 师 ， 工学 硕 士 e - ma i l ： c q - wz 1 6 3 c o n 钢一 混凝土组合梁充分发挥了两种材料的优势， 其承载 力高 ， 刚度大 ， 延性好 ， 是一种在大跨度结构中极具优 势 的楼盖梁 。 1工程 概 况 重庆国际会展中心位于重庆市南岸区 ，由展览中 心 、 会议中心和二期酒店组成 ， 占地面积4 6 万m 。 总建 可知 ， 弯折角对钢绞线的延伸率影响是比较严重的。 钢 绞 线 的 弯折 角 为 1 O 。 5 0 时 ，其 延 伸 率仅 为 2 4 9 ， 与无弯折角时的延伸率相 比， 已下降了约5 0 。 若要保证钢绞线 的延伸率折减小于5 0 或保证其弯折 后延伸率仍在2 5 以上 。 则钢绞线的弯折角应控制在 1 0 。 以内 。 4结 论 和 建 议 ( 1 )钢绞线在经过弯折器弯折成一定角度后 ， 其 极限抗拉强度均有一定程度的降低 ，且弯折角度越大 极限抗拉强度降低得越 多。当弯折角在 1 2 8 5 3 。 以内 时 ， 钢绞线 的极限抗拉强度降低值在5 以内( 弯折角 为1 0 8 0 6 。 时， 降低值在3 以内 ； 弯折角为6 6 9 4 o 时 ， 降 低值较小 ， 约在1 2 以内) 。 ( 2 )钢绞线在经过弯起器弯折成一定角度后， 其延 性有明显的降低 。 为实现预应力结构的延性破坏 ， 预应 力筋经弯折后须具有足够的延性 ，即预应力筋必须满 足一定的拉断延伸率的要求 。 因此 ， 折线先张法预应力 混凝土梁中的钢绞线 的弯折 角建议在l 0 。 以内较为合 适 ， 或采用多折点弯折 ， 但各弯折点的弯折角度均应小 于1 0 。 。 在弯折一定角度范围内( 0 1 3 。 ) ， 钢绞线延伸率 的下降程度与弯折角呈线性关系。 驻马店一桐柏高速公路淮河桥工程 中， 3 5 m跨折 线配束先张预应力钢筋混凝土箱梁的设计与施工中 应用了本文的试验成果 ， 现 已完工并顺利通车 ， 效果良 好 。 参考文献 1 GB f r 5 2 2 4 2 0 0 3 ，预应力混凝土用钢绞 线 S 2 杜拱辰 4 O 年来预 应力混凝土在 我国房 屋建 筑工程 中的应 用与 发展 J 土木工程学报 ，1 9 9 7， ( 2 ) ： 3 - 4 3 薛伟辰现代预应力结构设计 M 北京 ： 海洋 出版社 ， 1 9 9 1 l 1 l 2 建筑技术 第 4 l 卷第 1 2期 筑面积2 3 万m： 是重庆市重点建设的十大社会文化基 础 设施 之 一 主展 厅 共3 层 ， 柱 网尺 寸2 4 re x 2 4 m， 由钢 管混凝土柱和钢桁架形成框架结构 ， 次梁为3 m 间距的 工字钢 梁 ， 楼板 为压 型钢板一 混凝 土组合楼板 。会议 中 心主体共3 层 ， 主体为钢筋混凝土框架结构， 柱网1 2 m x 1 2 m。 会议中心一层中部抽掉3 根框架柱， 形成2 4 re x 3 6 m的大空间会议室。二层和三层分别是千人国际会议 大厅和宴会大厅，均为抽掉6 根柱子后形成3 6 re x 4 8 m 的大空间。 经过综合分析和比较 ， 该工程大空间的楼盖 均采用钢梁和压型钢板混凝土组合梁楼盖。本文以一 层2 4 rex 3 6 n l 会议室楼盖设计为例 ， 介绍会展中心工程 中钢一 混凝土组合梁结构的设计。 2 钢一 混凝土组合梁设计 组合梁楼盖平面布置如图1 所示。钢梁S L 一 1 采用 Q 3 4 5 B 焊接 工字钢( 图2 ) ， 工字钢梁与框架柱 ( 或框架 梁 ) 通过预埋件铰接连接。组合梁翼板为压型钢板一 混 凝土组合楼板 ( 图3 ) ，压型钢板为闭口型B D 4 0 1 8 5 5 5 5 ， 板肋垂直于钢梁铺设。 由于结构跨度大 ， 荷载相对较小 ， 组合梁承载力较 易满足要求， 而挠度成为控制设计的主要因素。针对这 一 特点， 将组合梁截面设计成高而薄的纤细截面( 图2 ) ， 并按弹性理论进行承载力和挠度的计算。 为避免钢梁两 阶段受力挠度增大。 施工时钢梁下设置临时支承。 8 = f Il ： l l J l - 一 i l ： l I 8 8 一 T F 1 一 t 一 一 _ ； l 喀 - # 目 e 一 一曹 。 r 们 c ， ) i ； = ： 巷 =： 暑 = ： ： 一 _ 一 # L l 百 一 r一 ： r挂 T irIl 、 c 力 t E 一 f H l k I i H I 且 一 l i i一 - 3 一 下一 百 一 i f l 1 4 0 0 2 o o 0 l 2O 0 0 1 2 o o 0 l O7 舯 图 1 组合粱楼盖 图 2 钢粱 S L 一 1 图 3 压型钢板组合楼板 2 1 组 合梁的抗 剪连接 抗剪连接件是钢一 混凝土组合梁设计的关键。 在弯 剪作用下， 组合梁的钢与混凝土接触面会发生滑移。 研 究表明，没有机械连接的钢与混凝土接触面在滑移一 旦出现时组合粱就开始破坏 。抗 剪连接件承担了钢 梁和混凝土翼板之间的纵向剪力传递 ，使组合梁可能 成为一个整体共同工作。当组合梁配有足够数量的抗 剪连接件，可以完全承担梁截面在极限弯矩下的纵向 剪力时， 为完全抗剪连接组合梁； 当组合梁配置的抗剪 连接件不够 ，只能部分承担梁截面在极限弯矩下的纵 向剪力时， 为部分抗剪连接组合梁 。 部分抗剪连接组合 梁可以节省抗剪连接件 ，但其承载力比完全抗剪连接 组合梁低 ， 而且由于滑移变形更趋明显 ， 也会使组合梁 的挠度加大。 本工程抗剪连接件采用Q 2 3 5 圆柱头栓钉 ， 在压型 钢板支座处的凹肋 中穿过钢板熔焊于钢梁上翼缘 ， 每 个板肋一个栓钉。 大量推出试验表明， 栓钉主要有两种 破坏模式， 即栓钉周围混凝土的破坏或栓钉被剪断 。 栓钉的承载力根据两种情况分别计算取小值 ，并应考 虑压型钢板的影响对栓钉的承载力进行折减。组合梁 从跨中( 最大正弯矩点) 至梁端( 弯矩零点 ) 计算其需栓 钉3 1 个 ， 实际全跨设置栓钉6 4 个， 为完全抗剪连接0规 范规定栓钉的长度不应小于杆径的4 倍 ， 实际上使得栓 钉连接成为一种柔性抗剪连接。 试验研究表明 ， 其具有 很好的剪力重分布能力 ，所以没有必要按剪力图布置 栓钉，可将计算所需的栓钉总数均匀布置在最大正弯 矩截面至零弯矩截面之间 。 2 2 组 合梁 的承 载力计 算 施工时钢梁下设置了临时支承 ，使用阶段所有荷 载由组合梁承担 。 钢一 混凝土组合梁承载力计算有弹性 理论和塑性理论两种理论。本工程组合梁截面属纤细 截面 ， 钢梁腹板的宽厚比不满足塑性设计的要求， 按弹 性理论进行计算。弹性设计以下列假定作为计算的基 础 ： ( 1 ) 符合平截面假定 ； ( 2 ) 钢材与混凝土两种材料均 认为是理想弹性体 ； ( 3 ) 钢与混凝土之间连接可靠， 虽 有微小滑移但可忽略不计 ； ( 4 ) 不考虑混凝土开裂后的 影响。 在上述假定下， 根据截面应变相同且总内力不变 的原则 ，将受压混凝土板的有效宽度6 换算成与钢材 等效的换算截面宽度b ( 图4 ) ， 这样就可以按单一材料 截面根据材料力学进行截面的应力分析了。 在按弹性理论计算钢一 混凝土组合梁承载力时 ， 通 常以混凝土的弹性模量 为变形模量进 行线弹性计 算。实际上 ， 混凝土材料本身的力学性能是非线性的。 其变形模量随应力的增长而降低 ，通常是弹性模量E 2 0 1 0 年 1 2月 王佐 ： 钢一 混凝土组合粱在重庆 国际会展中心工程 中的应用 l l 1 3 表 1 不 同梁方案的比较 类型 钢 粱 组合梁 预应 力混凝土梁 钢 筋混凝土粱 工字钢 钢粱为工字钢 梁截面尺寸 m m 翼缘5 0 0 x 3 0 翼缘3 0 0 x 3 0 3 O O 1 3 5 0 3 5 0 x l 6 0 o 腹板1 6 4 0 x 1 8 腹板 1 2 4 0 x 1 6 梁 自重占总荷载比例 3 l 2 2 5 0 5 8 自重小 ，刚度 大 ，挠度 易满 足要 忧点 自重小 。施工较方便 刚度大 ， 挠度和裂缝宽度易控制 刚度 大 施 = 方便 求 施工方便 刚度 小 ， 稳定 性差 ， 需 做防 自重大 。 挠度和裂缝宽 缺点 需做防火和耐久性处理 自重大， 延性较差 ， 施工不方便 火和耐久性处理 度不易满足要求 0 图 4 组合梁换算截面 的1 0 0 5 倍。另外 ， 在荷载长期作用下 ， 受压翼缘混凝 土发生徐变 ，将使混凝土翼缘应力减小 ，钢梁应力增 大。为在计算中反映上述因素， 本工程设计时， 将混凝 土板有效宽度换算为钢材等效宽度 ，对恒载和活载作 了区分 在恒载的长期作用下混凝土的变形模量进行 了折 减 按 下式 进行 计算 ： ( 1 )恒载作用下 ： b q = b J 2 o t E ( 2 )活载作 用下 ： b m = b 其中 为钢材弹性模量E 与混凝土弹性模量E 。 的 比值 ， 即 ： o L E| E 2 3组 合梁 的挠 度 组合梁的挠度一般运用等刚度原则采用换算截面 法进行计算 。由于栓钉等柔性抗剪连接件在传递混凝 土板 与钢梁之间 的水平剪力时会不可避免 地产生变 形，从而引起交界面上出现滑移应变 ，使截面曲率增 大， 组合梁的挠度也相 应增大 ， 因此规 范 规定组合 梁 的刚度应采用考虑滑移效应的折减刚度 ， 即 ： B = E I d( 1 式 中E 为钢梁 的弹 性模量 ； 为组 合 梁 的换 算截面 惯性矩 ； 为刚度折减系数。 组合梁受压区混凝土应力应变的非线性及其在长 期荷载作用下的徐变 。 也会使组合梁的挠度增大 。 因此 组合梁的挠度应分别按荷载的标准组合和准永久组合 进行计算 ， 以其中的较 大值作为依据。( 1 ) 按荷载的标 准组合计算组合梁挠度时，不考虑混凝土的非线性和 徐变影响。 ，混凝土翼板等效为钢材时宽度取b = b d a ， 计算挠度厂 = 4 8 9 m m； ( 2 ) 按荷载的准永久组合计算组合 梁挠度时 ， 考虑混凝土的非线性和徐变影响。 混凝土翼 板 等 效 为 钢 材 时 宽 度 取 b = b J 2 a E ，计 算 挠 度 厂 = 4 9 2 mm。两 种情 况下 挠 度都 小 于规范 限 值L I 4 0 0 = 6 0 mm。可见 ， 混凝土硬化后与钢粱形成的组合梁具有 很大的抗弯刚度 ， 较易满足工程需要。 3 不 同梁方案的 比较 在设计前期阶段 。对分别采用钢梁、钢筋混凝土 梁 、 预应力混凝土梁等方案进行了试算和比较 ， 见表1 。 从表1 可见 ， 与钢梁相比 ， 该组合梁方案可减小用 钢量 ， 增大抗弯刚度 ， 提 高结构的稳定性和整体性 ， 增 强结构的抗火性和耐久性。与钢筋混凝土和预应力混 凝土梁相比 。该组合梁方案可减轻 自重，减小截面尺 寸， 增加有效使用空间， 提高结构延性 ， 施工方便快捷。 4 结语 通过重庆国际会展中心工程中钢一 混凝土组合梁 的设计实例 ， 表明钢一 混凝土组合梁受力性能好 ， 在大 跨度结构中作为楼盖粱具有良好的综合效益有推广 应 用价值 。 在钢一 混凝土组合梁的设计中， 应注意以下问题 ： ( 1 )应重视组合梁的抗剪连接设计 ， 这是组合梁 能否发挥作用的关键 ； ( 2 )在进行承载力和挠度计算时 ， 应充分考虑混 凝土的非线性和徐变对组合梁应力和变形的影响 。 参考文献 1 肖辉 ， 李爱群 ， 陈丽华 ， 等钢 与混凝土组合 粱的发展 、 研究和应用 J 特种结构 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 1 ) 2 聂建 国 ， 樊健生 钢 结构设计规范) ( G B 5 0 0 1 7 2 0 0 2 ) 钢一 混凝 土组 合粱修订内容介绍 J 建 筑结构学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 1 ) 3 G B 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 I s 4 范 旭红 ， 石启印 ， 马波 钢一 混凝 土组合 粱的研究与展望 J 江苏大 学学报 ( 自然科学版) 2 0 0 4， 2 5 ( 1 )