型钢混凝土在大跨度悬臂梁结构中的应用

【关键词】型钢混凝土；大跨度悬挑梁；结构设计 

　　和传统的钢筋混凝土材料相比，型钢作为一种新兴的建筑材料有着众多的优势，不仅可以节约建材，增加截面的坚硬程度，可以让耐火性和耐腐蚀性更强，从而保证建筑的稳定性和使用寿命。这是因为型钢中各种配钢率有所不同，比一般结构的钢材刚赔率大，甚至可以达到一倍以上。因此，为了保证整体的建筑质量，需要做好性能延伸方面的问题，改善钢筋混凝土的脆性，保证整体的抗震性结构，使其结构更加的持久耐用。 

　　0.工程概况 

　　我国某处的商业中心，办公楼集聚。一般的办公楼的建筑面积较大，通常会设置有地下两层机构，作为地上楼层的附属楼层，地下楼层一般是车位或是地下商场等结构类 型，在建筑的水平方面，需要和地上的楼层一样，而且办公楼的建筑性能和寿命一般在50年左右，这和住宅比起来，使用寿命较短，但是所需要的建材结构更加复杂，和传统的普通钢筋混凝土结构相比，这种建筑大部分采用的是剪刀墙的结构类型，配合局部混凝土的机构形式，抗震等级方面务必做到8级设防，才能够保证基本的抗震要求。根据大型的抗震等级规范设计，我国的大型结构的建筑一般会在其主体结构处设置剪刀墙，来保证建筑物的稳定性。 

　　根据建筑方案大型会议室要求从A轴往外出挑8.1m，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h=L/5～L/7， 故此处挑梁高应为1.15～1.60m。本工程由于建筑投资、造型功能等方面的要求，梁高限为0.8～1.0m。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。 

　　（1）在大跨度建筑中，普遍使用的是低而高的大型跨度的横梁设计结构，这种设计结构在选型和横截面的布置方面，都需要承担较大的剪刀力，因此，在设计的过程中，需要首先对所选取的钢筋和混凝土进行配置型钢，同时，采取型钢腹板的承载能力，可以大幅度的提高整体的承载力，改善了钢型结构的脆弱类型，使其具有更好的延展性及耗能性。 

　　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KHL106，KHL206 的截面尺寸为600mm×800mm，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21600mm2，实配型钢面积采用20600mm2。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70%。梁体内混凝土强度等级为C30，型钢采用Q235B。 

　　在悬臂梁的实施中，和传统的悬梁方式有所不同，其计算的结构要比传统的结构扩大10%，这也就意味着横截面的面积和侧 拉的钢筋承受能力在下降，受压侧钢筋的承受能力在缩小。一般来说，钢筋的配筋率有具体的要求，而在上下梁和钢筋的摆放位置上，需要和中型梁相互匹配，确保柱主筋和箍筋之间的有效性，同时按照相关的规范进行设计，确保合理的布置。 

　　（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150mm设置两排直径19mm、长80mm的剪力钉。剪刀钉的设计过程需要专业人员进行，首先对施工现场的环境进行勘察，确定剪刀钉的基本的规格，然而通过对现场所需的剪刀钉的机器设备的测试，保证剪刀钉按照图纸的要求进行设计，不可出现遗漏现象，而在剪刀钉的管理过程管理过程中，施工人员需要对现场环境做好勘查，确保项目能够在工期内完成，同时确保工程质量和施工人员的基本素质水平，保证基本的建筑进度，是建筑师需要重点做好的问题。 

　　（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。同时， 取最不利荷载组合工况下的内力， 利用ABAQUS软件对本悬臂梁进行有限元分析。分析的过程要做到科学合理，选用设计水平过硬的专业人士进行分析，确保数据的精确有效性，同时在做好这一分析之后，需要对内力组合进行抗震能力的测试，每个建筑物都需要取样调查，才能够保证基本的建筑不受外在环境的影响和损坏，保证基本的建筑结构坚固性，是每个设计师工作的重点。 

　　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7.64MPa，低于C30混凝土的抗压强度设计值14.3MPa；悬臂梁端纵向钢筋受拉应力最大值为5.10MPa， 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。从各个角度进行悬臂梁的施工和数据的分析，保证项目在可行的范围内有序的发展，同时保证经济效益，确保施工安全。 

　　（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》（JGJ 138-2001）第5.2.2条验算裂缝宽度，KHL106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ωmax为0.29mm，而规范规定的允许值[ω]为0.3mm，满足规范要求。按《型钢混凝土组合结构技术规程》（GB 138-2001）第5.2.3条验算挠度，KHL106梁的纵向收拉钢筋的配筋率ρ=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49.496mm，而规范规定的允许挠度[f]为l0/250=64mm，满足规范要求。 

　　2.结语 

　　总而言之，在进行钢筋混凝土组合结构的施工时，需要对其抗震等级进行测定，同时合理的配比含钢率，确保混凝土柱可以达到合适的配钢需要。一般来说，钢板的厚度不宜过高，需要按照相关的规定进行设置。最后，在施工的整体过程中，都要考虑到各个方面的协调问题，确保各种衔接的有效率，从而保证整体项目的顺利进行。 

　　【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，2003. 

　　[2]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010. 

　　[3]YB9082-1997.钢骨混凝土结构设计规程.北京：冶金工业出版社，1997.