鋼-混凝土組合梁在鐵路旅客站房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭占月,黃北平

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205; 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

組合梁在國內(nèi)出現(xiàn)至今已近半個(gè)世紀(jì),對(duì)這種新型組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用也非常活躍,隨著研究的不斷深入,對(duì)于不直接承受動(dòng)力荷載的一般簡支組合梁及連續(xù)組合梁,其設(shè)計(jì)計(jì)算理論也逐步從彈性分析法計(jì)算轉(zhuǎn)化為塑性分析方法進(jìn)行計(jì)算。從而組合梁不斷在交通、冶金、電力、煤炭、建筑等領(lǐng)域有了更為廣泛的應(yīng)用。

近年來,雖然組合梁在我國的建筑和橋梁建筑領(lǐng)域已得到越來越多的應(yīng)用,顯示出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,由于專業(yè)技術(shù)人員對(duì)組合梁熟悉程度不一,加之沒有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)手冊(cè)可查閱等因素,設(shè)計(jì)時(shí)沒有傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)形式方便、省時(shí),從而舍棄了組合梁設(shè)計(jì)方案,這一狀況也與我國推廣鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期較為類同,短時(shí)間內(nèi)組合梁的普及應(yīng)用還受到許多的約束和限制。隨著組合結(jié)構(gòu)不斷的深入研究,加之更多、更廣泛的工程應(yīng)用,組合梁或組合結(jié)構(gòu)的良好的受力性能和較好的綜合性經(jīng)濟(jì)效益將不斷體現(xiàn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

某鐵路旅客站房主站房長246 m、寬56 m,建筑高度44.8 m,客流組織方式采用“上進(jìn)下出”為線側(cè)下式站房。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按3個(gè)區(qū)進(jìn)行劃分,其中,中部區(qū)域8.15 m高程處樓面,為18 m×36 m×18 m(開間方向)和30 m(進(jìn)深方向)大跨度樓面分格。根據(jù)建筑柱網(wǎng)以及候車室凈高要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在有限制條件和有限空間的條件下,確定最優(yōu)、最合理的樓面結(jié)構(gòu)體系。區(qū)域位置示意如圖1所示。

圖1 區(qū)域位置示意

1.2 結(jié)構(gòu)方案比較

根據(jù)以上情況,就30 m×36 m樓面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)可能選用的大跨度樓屋(蓋)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了比選,如鋼骨混凝土、混凝土井字梁、鋼桁架、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等。這幾種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)比較如下。結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 高程8.15 m樓面組合梁結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

(1)鋼骨混凝土：梁高較大(H/L=115～120),自重也較大,用鋼量大(5%～9%),柱的尺寸相對(duì)也較大,工程造價(jià)較高。

(2)鋼筋混凝土井字梁：梁高較大(H/L=1/20),自重也較大,柱的尺寸相對(duì)也較大,工程造價(jià)較高。

(3)預(yù)應(yīng)力混凝土梁：梁體高度較高(H/L=112～120),自重大,施工所需機(jī)具較多,施工工藝較復(fù)雜,需提前預(yù)制,并需架梁設(shè)備,工程造價(jià)較高。

(4)鋼桁架：平面外的剛度較小,所需鋼材較多,造價(jià)高,養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用高。

(5)鋼-混凝土組合梁：梁體高度較低,自重輕,施工便捷,施工工具簡單,不需要架梁設(shè)備。另外,梁體上部為鋼筋混凝土,下部為鋼材,能充分發(fā)揮鋼與混凝土材料特性,綜合造價(jià)較低。不足方面主要體現(xiàn)在：所需鋼材較多,材料造價(jià)偏高。

通過綜合比較,鋼-混凝土組合梁在本項(xiàng)目更能發(fā)揮其優(yōu)越性,能獲得良好的美學(xué)造型和較大的跨高比,兼顧使用舒適度的要求下,鋼-混凝土組合梁是一種比較優(yōu)異的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過建筑和結(jié)構(gòu)的專業(yè)人員共同商議,比較各個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)以及建筑功能及凈高等要求,選擇了雙向井字鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)方案。

1.3 計(jì)算與分析

組合梁的設(shè)計(jì)是以彈性理論和塑性理論為基礎(chǔ)的簡化計(jì)算方法。在合理應(yīng)用塑性法和彈性法對(duì)推廣組合梁的應(yīng)用有著積極的意義。彈性設(shè)計(jì)要求材料為理想的彈性體,而鋼-混凝土組合構(gòu)件是彈塑性體,當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí),截面發(fā)生塑性變形,這時(shí)截面還可以繼續(xù)承載。塑性設(shè)計(jì)的前提條件是形成塑性鉸。荷載增大時(shí),鋼梁一部分產(chǎn)生塑性化,在塑性鉸處作用的彎矩等于構(gòu)件的全部塑性彎矩,使塑性鉸能充分轉(zhuǎn)動(dòng)、變形,最終形成破壞機(jī)構(gòu)。

在理論研究的基礎(chǔ)上,分析了組合框架梁在垂直加載條件下變形情況、鋼梁截面應(yīng)變變化規(guī)律,結(jié)合ANSYS有限元分析數(shù)據(jù)和采用規(guī)范規(guī)定的理論計(jì)算數(shù)據(jù),進(jìn)一步了解了這種組合框架梁模型受力性能,驗(yàn)證了該組合框架梁模型時(shí)假定的合理性,并提出探討了實(shí)際應(yīng)用這種組合框架梁構(gòu)造模型的一些問題,包括加強(qiáng)段長度取值、截面確定條件和過渡階段電算分析處理方法。其中組合樓板30 m×36 m區(qū)域雙向組合樓板,采用Ansys和Sap2000兩種軟件建模進(jìn)行有限元分析。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)5.2.3條規(guī)定：桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形宜取截面幾何中心連線；現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)可作為剛接。Ansys采用了桿件和實(shí)體單元進(jìn)行分析。桿件有限元模型采用BEAM44和shell181單元。BEAM44單元模擬鋼筋混凝土柱和鋼梁,shell181單元用以模擬混凝土樓板。建立的模型中考慮鋼梁和樓板是完全耦合的,不考慮相互之間的滑移。8.15 m的組合梁樓板根據(jù)具體的工程,建立的有限元模型見圖3、圖4。借助于有限元軟件,8.15 m組合梁在恒載和活載組合下,豎向位移最大值為83 mm,滿足規(guī)范的要求。

圖3 8.15 m樓板桿件有限元模型

圖4 8.15 m樓板實(shí)體有限元模型

2 現(xiàn)場測試試驗(yàn)

2.1 測試內(nèi)容及測點(diǎn)布置

為了解及評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特性,針對(duì)B區(qū)8.15 m組合樓蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力特性等性能現(xiàn)場的測試試驗(yàn)研究工作。測試分靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)兩部分,均在現(xiàn)場實(shí)際測試,為能對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行定量分析,并揭示大跨鋼-混凝土組合樓面的結(jié)構(gòu)性能,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,將結(jié)構(gòu)實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以反映結(jié)構(gòu)工作性狀。對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)舒適度根據(jù)測試結(jié)果參照國內(nèi)外相關(guān)資料,給出評(píng)價(jià)建議。結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析采用通用的有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行。

變形測點(diǎn)結(jié)合本項(xiàng)目柱網(wǎng)最大跨36 m×30 m布設(shè)。見圖5。

圖5 變形測點(diǎn)布置(單位：mm)

2.2 測試結(jié)果

圖6 變形結(jié)果對(duì)比曲線

實(shí)測樓面結(jié)構(gòu)豎向變形包含有在試驗(yàn)荷載作用下沉降變形,為便于計(jì)算與對(duì)比分析,以柱頂測點(diǎn)3和測點(diǎn)10的豎向變形平均值作為整體沉降值,其余各測點(diǎn)的豎向變形減去整體沉降值得到樓面測點(diǎn)的豎向撓度,以計(jì)算出的豎向撓度與有限元理論計(jì)算假定柱兩端固支的計(jì)算撓度值進(jìn)行比較。比較結(jié)果見圖6,通過圖6可看出,實(shí)測與理論計(jì)算差值較小,試驗(yàn)測量結(jié)果與計(jì)算值基本接近。

3 結(jié)語

在大跨度樓面結(jié)構(gòu)中當(dāng)梁高受一定限制時(shí),對(duì)于鋼-混凝土組合井字(連續(xù))梁結(jié)構(gòu),通過理論分析及工程測試對(duì)比,較好地解決了現(xiàn)代鐵路旅客站房柱網(wǎng),采用大開間且層高不易過低的難題。工程的成功實(shí)施和投入使用,為類似工程提供了可借鑒作用。

[1]GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50010—2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]《Minimizing Floor Vibration》(ATC Design Guide 1)[S].

[4]中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所.西站房豎向振動(dòng)舒適度測試報(bào)告[R].北京：2008.

[5]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.武昌站大跨度鋼-混凝土組合梁樓蓋應(yīng)用研究[R].武漢：2008.