吳澤，周楊

（機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計研究院，重慶 400039）

鋼－混凝土組合梁充分利用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土兩種材料的受力特性，上部采用壓型鋼板與鋼筋混凝土的組合樓蓋，下部采用鋼梁。由于其承載力高、剛度大、延性好，是一種在大跨度結(jié)構(gòu)中極具優(yōu)勢的樓（屋）蓋梁體系。

1 工程概況

國際投資咨詢集團(tuán)綜合辦公樓是由重慶國際投資咨詢集團(tuán)有限公司新建的集車庫、超市、辦公、酒店、休閑會所為一體的綜合性辦公樓。整棟樓分為A、B兩座雙子樓。用地面積9507.10m2，建筑面積71112.21m2。在裙房三層、四層處形成24.6m×28.1m大空間招標(biāo)中心。本文通過對招標(biāo)中心組合樓蓋設(shè)計的介紹，闡述組合梁在國投辦公樓工程中的具體應(yīng)用。

2 組合梁設(shè)計

樓蓋自身跨度大，承擔(dān)荷載相對較小。組合梁兩端與混凝土邊梁采用鉸接連接，組合梁按簡支梁設(shè)計，由撓度控制，抗彎和抗剪能力相對富裕量較多。組合梁樓蓋平面布置如圖1所示。鋼梁SL-1采用Q345-B焊接工字鋼如圖2所示，組合梁翼板為壓型鋼板－混凝土組合樓板如圖3所示。組合梁采用的壓型鋼板對樓蓋自身的承載力和施工方式都有不同程度的影響，所以選擇合適的壓型鋼板是組合蓋梁樓蓋設(shè)計中首先需要考慮的問題。該工程中采用閉口式Y(jié)XB65-185-555型壓型鋼板，承載力高，施工期間無需支模，板肋與鋼梁鋪設(shè)方向呈正交垂直關(guān)系。

圖1 組合梁平面樓蓋布景

圖2 鋼梁SL-1

圖3 壓型鋼板組合樓蓋

2.1 閉口式壓型鋼板

壓型鋼板組合樓蓋施工速度快，節(jié)省建筑高度，特別是與組合梁一起共同使用，經(jīng)濟(jì)效益明顯，在當(dāng)前的工程中應(yīng)用不少。特別是最近幾年，閉口式壓型鋼板的出現(xiàn)，使得組合樓蓋的應(yīng)用越來越廣泛[3]。

壓型鋼板常見形式有三種:開口式、縮口式和閉口式。閉口式壓型鋼板與前兩者相比，其截面形心距離板底小，有效截面高度大，按截面塑性理論分析組合樓板承載力時，混凝土壓力合力作用點與鋼板拉力合力點具有更大的內(nèi)力臂，二者的材料強(qiáng)度都能得到充分發(fā)揮，具有更大的抗彎承載力。根據(jù)《鋼與混凝土組合樓(屋)蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)造》05SG522和廠家提供的技術(shù)參數(shù)，該工程采用YXB65-185-555，Q345，鋼板厚度t=1.0mm，組合樓板厚度h=120mm，C30，正向抗彎承載力值可達(dá)34kN·m，約是相同厚度，按構(gòu)造配筋率0.20%配置的普通鋼筋混凝土樓蓋抗彎承載力的4倍，足見其良好的抗彎承載力。

閉口板型板底平整，裝修之后能更大限度地滿足建筑裝飾需求。耐火試驗表明，這種鋼承板能夠替代樓板中正彎矩受拉鋼筋而且不用噴刷防火涂料就能達(dá)到1.5h耐火時限的要求，具有良好的耐火性能。

閉口式壓型鋼板與混凝土之間具有更良好的協(xié)調(diào)變形能力。

閉口板型正是基于上述多項優(yōu)點，使得它在壓型鋼板市場中占據(jù)著主導(dǎo)地位。

2.2 組合鋼梁抗剪連接鍵設(shè)計

抗剪鍵的設(shè)計對整個鋼－混凝土組合梁能否充分發(fā)揮作用，有著至關(guān)重要的作用，應(yīng)引起足夠的重視。栓釘焊于鋼梁上翼緣，作為直接的抗剪件，主要傳遞混凝土翼板和鋼梁之間的縱向水平力，還能抵抗翼板與混凝土之間掀起的作用[4]。栓釘直徑d=13～25mm，長度L=65～100mm，在加腋梁中可能更長。英國規(guī)范規(guī)定用于建筑和橋梁中栓釘鋼材延伸率＞18%，屈服強(qiáng)度＞400MPa。這種栓釘在與其垂直的各方向具有相同的剪切剛度和強(qiáng)度。栓釘直徑不宜取得過大，當(dāng)直徑d＞19mm時，會增加焊接的困難和費(fèi)用。其次，栓釘?shù)闹睆絛與施焊鋼板厚度t有關(guān)。根據(jù)ACI的相關(guān)規(guī)定，只有當(dāng)d/t＜2.7時，栓釘才能發(fā)揮其靜力強(qiáng)度。英國規(guī)范規(guī)定d/t≤2.0。在重復(fù)荷載作用下，這一限值更小。根據(jù)試驗，在脈動拉應(yīng)力作用下，d/t≤1.5。

一個栓釘僅受縱向剪力的剪切承載能力可按下式估算:

當(dāng)h/d在3.0～4.2之間，可用線性插值法確定。

式中:h-栓釘全長；d-栓釘直徑；As-栓釘截面面積；fc-混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；Ec-混凝土彈性模量；f-栓釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

該工程抗剪連接件采用Q235圓柱頭栓釘，直徑d=19mm，長度L=90mm。由于組合梁與預(yù)埋件采用鉸接，可將整個組合梁劃分為兩個剪跨區(qū)，每個剪跨區(qū)栓釘?shù)臄?shù)量按規(guī)范公式并考慮壓型鋼板對栓釘承載力的折減。通過計算，該工程按計算所需栓釘數(shù)目為24個，實際配置為64個，滿足計算需要。試驗研究還表明，栓釘具有良好的剪力重分布能力，剪力鍵可直接均勻地布置在剪跨區(qū)內(nèi)。只有在剪跨區(qū)內(nèi)有較大集中力的情況下，才將連接件總數(shù)按剪力圖的面積進(jìn)行分配，然后再各自均勻布置[5]。

2.3 組合梁承載力計算

基于材料力學(xué)的基本假定，在不考慮鋼與混凝土之間的相對滑移；不考慮混凝土開裂后對承載力的影響，將組合鋼梁受壓混凝土翼板的有效寬度bce換算成與鋼材等效的beq，形成單一材質(zhì)的換算截面，然后根據(jù)規(guī)范提供的抗彎承載力公式進(jìn)行計算[1]?？箯潖?qiáng)度驗算時，其截面可考慮部分的塑性變形，前提是梁的受壓翼緣自由外伸寬度與其厚度之比（b/t）需滿足一定的限值條件。本工程中鋼梁采用焊接組合截面，b/t=3.8＜10.7，取截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.05，γy=1.20。 如果考慮混凝土在長期荷載下的徐變影響，則其換算截面還將有所區(qū)別。

組合梁剪力假定由鋼梁的腹板全部承擔(dān)。

2.3 組合梁撓度驗算

組合鋼梁承載力計算時，鋼與混凝土之間連接可靠，雖然存在一定量的微小滑移，但對承載力的影響很小，可忽略不計。撓度計算時，當(dāng)樓板平面內(nèi)產(chǎn)生水平剪力時，抗剪連接件會產(chǎn)生微小變形（因其自身剛度小，屬于柔性連接件），這種變形必然會引起交界面上出現(xiàn)滑移應(yīng)變，使組合截面曲率增大，最終導(dǎo)致組合梁的撓度也會加大。撓度計算時，應(yīng)該考慮其滑移影響?！朵摻Y(jié)構(gòu)規(guī)范》[1]規(guī)定組合梁的剛度應(yīng)采用考慮滑移效應(yīng)的折減剛度B（組合鋼梁截面一般采用等剛度原則），即:

公式中:Ieq表示組合梁的換算截面慣性矩；ζ表示剛度折減系數(shù)。

鋼與混凝土組合鋼梁撓度應(yīng)按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計算，并取較大值。①按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算撓度時，在不考慮混凝土徐變特性和非線性特征的影響下，其撓度計算值f=37.5mm；②按荷載準(zhǔn)永久組合計算撓度時，考慮混凝土非線性和徐變的影響，撓度值f=38.2mm。兩種情況下計算撓度值都小于規(guī)范限值L/400=62mm?？梢姡M合梁整體具有很大的抗彎剛度，容易滿足工程需要。

3 大跨度結(jié)構(gòu)樓（屋）蓋梁方案比較

針對大跨度結(jié)構(gòu)樓（屋）蓋梁的設(shè)計，國內(nèi)外已作了很多研究，提出了不同的結(jié)構(gòu)方案。每種方案之間各有優(yōu)勢，各有不足。本文以該工程為例，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段，分別采用單向密肋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁和組合鋼梁進(jìn)行試算分析和比較[6]。

單向密肋梁，截面350×1400，縱筋率1.1%，自重占總荷載比例52%；優(yōu)勢:剛度大，施工支模方便；劣勢:自身荷載大，變形（撓度、裂縫）不易滿足要求。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁截面300×1200，自重占總荷載比例46%；優(yōu)勢:剛度大，撓度和裂縫易滿足規(guī)范要求；劣勢:抗震性能較差，自身荷載大，不利于施工。

組合鋼梁，焊接工字型截面1300×250×350×30×20，自重占總荷載比例23%；優(yōu)勢:自重小，剛度大，施工無需支模；劣勢:考慮耐久性和防火處理。

與單向密肋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，組合梁方案可有效減輕豎向荷載，縮小截面幾何尺寸，且結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性較好，施工快捷、方便。

4 結(jié)語

通過國咨集團(tuán)綜合辦公大樓中鋼－混凝土組合梁的設(shè)計實例，表明鋼－混凝土組合梁具有良好的抗彎承載力，尤其是在混凝土翼板硬化后，組合梁整體抗彎剛度很大，變形容易滿足規(guī)范要求。通過各種大跨度結(jié)構(gòu)方案的試算和比較，組合梁作為大跨度結(jié)構(gòu)的樓蓋梁具有良好的綜合效益。此外，閉口式壓型鋼板以其自身的優(yōu)勢，值得推廣應(yīng)用。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003:113-117.

[2]聶建國，易衛(wèi)華.壓型鋼板-混凝土組合板的受力性能及其計算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005(1).

[3]郭彥林，馬智剛，陳國棟，等.閉口式壓型鋼板-混凝土組合樓板受彎承載力的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005(1).

[4]聶建國，劉明，葉列平.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[5]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:科技出版社，2001.

[6]王佐.鋼與混凝土組合梁在重慶國際會展中心工程中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2010（12）.