型鋼混凝土梁在特種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用初探

周康喆 張首飛

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251;2.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450000)

0 引言

型鋼混凝土以其優(yōu)越的性能，在工程中得到了越來越多的應(yīng)用，隨著研究的深入和實踐的積累，技術(shù)也日臻成熟，因而將其應(yīng)用在一些特種工程中的時機也已經(jīng)成熟。本文兩位筆者分別從事鐵路工程和核工程的工作，這些工程有其特殊的工程要求。

近年，鐵路建設(shè)發(fā)展速度快，建成了很多大型的交通樞紐，如北京南站、上海虹橋站、天津西站等。這些站房中出現(xiàn)很多大跨度的梁，因為其承受荷載大，如果是站臺層，還會受到動力激勵，若在車站里，也會受到人群激勵，故對其承載能力以及裂縫要求高，并且因為外觀以及投資要求，必須控制梁高。

核工程建設(shè)中，由于涉核的建筑物或構(gòu)筑物一旦破壞，后果極其嚴(yán)重，甚至是災(zāi)難性的后果(如日本福島地震導(dǎo)致的核電站爆炸及泄露)，因此核工程在結(jié)構(gòu)上對其堅固性和抗震性的要求很高。而且，為防止事故導(dǎo)致的核泄漏擴散至大氣中以及貴重設(shè)備的破壞，核工程對建筑物的裂縫和變形也有一定的要求?？紤]到廠房通風(fēng)壓力較大，使用方希望降低廠房高度以減少排氣量，減少運營成本，而這樣就需要控制梁高。有時，廠房內(nèi)接觸某些特殊物質(zhì)，抗腐蝕性和耐火性等要求也高于普通工業(yè)或民用建筑，有的甚至無法采用抗腐蝕和耐火性能較差的鋼結(jié)構(gòu)。這些都是普通工業(yè)和民用建筑所不具備的特征。

鑒于此，筆者認(rèn)為，在這些特種結(jié)構(gòu)中，采用型鋼混凝土能夠更好地發(fā)揮型鋼混凝土的優(yōu)越性。本文希望通過型鋼混凝土梁和普通混凝土梁的性能對比，促進型鋼混凝土在特種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 試驗研究

筆者在2010年夏曾進行了型鋼混凝土梁的試驗[1]。試件梁截面為4400mm×300mm×575mm(長×寬×高)，其中型鋼截面尺寸:H500mm×200mm×7mm×12mm，受拉縱筋和受壓縱筋均為612mm，箍筋采用四肢箍，內(nèi)箍6@50mm，外箍6@50/100mm。試件的混凝土強度等級為C35，型鋼選用Q345級指HRB335級鋼筋。

通過試驗，發(fā)現(xiàn)JGJ138-2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對極限承載力的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相對而言吻合較好。

應(yīng)用《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算得到，型鋼和縱向鋼筋達(dá)到屈服強度時，承載力為763kN·m。根據(jù)試驗結(jié)果，彎矩達(dá)到700kN·m(即荷載1000kN)之后，鋼材陸續(xù)屈服。加載最終達(dá)到1050kN·m(即荷載1500kN)。

試驗中得出，彎矩達(dá)到約700kN·m時，撓度約為1/440，最大裂縫寬度約為0.25mm(有栓釘)和0.5mm ～0.8mm(無栓釘)。彎矩達(dá)到約1050kN·m時，撓度約為1/220，最大裂縫寬度約為0.5mm(有栓釘)和1.2mm ～2.0mm(無栓釘)。卸載后，撓度恢復(fù)到約1/440，裂縫也較好的閉合，裂縫寬度擴展較慢。

試驗結(jié)果見圖1，表1。

表1 梁模型的最大裂縫寬度

2 試驗?zāi)Ｐ陀嬎惴治龊蛯Ρ?/h2>

2.1 有限元計算結(jié)構(gòu)

對于四種材料，選擇不同的單元類型進行模擬[2-9]。

1)混凝土:采用了Solid65單元，可模擬混凝土的開裂和壓碎。

2)鋼筋:采用了單軸桿Link8單元，只承受拉壓軸力，不承受彎矩和剪力。

3)型鋼:采用了Shell43單元，適合模擬線性、彎曲及適當(dāng)厚度殼體。

4)栓釘:采用了Beam188單元，該單元考慮了剪切作用。

本構(gòu)關(guān)系:混凝土部分采用了多線性等向強化的C35混凝土本構(gòu)關(guān)系。鋼材(包括鋼筋，型鋼和栓釘)選用普通的鋼材本構(gòu)進行計算。分別建立了有栓釘梁和無栓釘梁的型鋼混凝土梁模型，有限元分析結(jié)果見圖2～圖5。

有限元分析表明:1)在相近的荷載下，配置栓釘?shù)牧号c未配置栓釘?shù)牧合啾龋芽p間距更小。2)在梁底，受拉縱筋處的裂縫間距明顯較小，可見型鋼的翼緣部分有限制裂縫發(fā)展的作用。3)純彎段處，豎向裂縫出現(xiàn)早;支座處，八字形斜裂縫出現(xiàn)晚;故正常使用極限狀態(tài)，主要由彎矩導(dǎo)致的豎向裂縫控制。

2.2 按規(guī)范計算結(jié)果

按照現(xiàn)行GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，計算300mm×575mm和300mm×800mm截面的鋼筋混凝土梁在763kN·m的彎矩下所需配筋面積。

1)300mm×575mm。

2)300mm×800mm。

裂縫寬度:Wmax=0.297mm＜Wlim=0.300mm，滿足(配筋由裂縫控制)。

2.3 經(jīng)濟性計算結(jié)果

試驗中型鋼混凝土梁的縱向鋼筋和型鋼總面積為9 488mm2，占整個截面面積5.5%，由于是上下對稱配筋，下部縱向鋼筋和型鋼面積為4744mm2，占整個截面的2.75%。承載力與計算結(jié)果基本吻合，彎矩達(dá)到770kN·m左右時，鋼材陸續(xù)屈服。

根據(jù)計算，鋼筋混凝土梁截面和彎矩荷載與試驗相同時，縱向鋼筋總面積為8 397mm2，下部鋼筋達(dá)到6 434mm2，已經(jīng)超筋，破壞為脆性破壞，延性較差。總鋼筋截面雖然略低于型鋼混凝土梁，為其縱向鋼筋和型鋼面積的88.5%，但是下部鋼筋達(dá)到型鋼混凝土梁的1.36倍。

當(dāng)鋼筋混凝土梁彎矩荷載與試驗相同，截面改為300×800時，總鋼筋面積為4626mm2，下部鋼筋3 904mm2為型鋼混凝土梁的82.3%。從上述數(shù)據(jù)可知，型鋼混凝土梁能夠有效降低梁截面尺寸，梁高降低約40%時，受拉側(cè)鋼筋僅多17.7%。而且由于工字型鋼的存在，許多管道可以從梁中穿過，能夠有效降低結(jié)構(gòu)高度。對于通風(fēng)要求高的涉核工程與經(jīng)濟、安全、舒適度要求較高的鐵路站房工程而言，能夠大幅降低運營成本且適用性強。

3 結(jié)論與建議

1)型鋼混凝土梁相比鋼筋混凝土梁能夠有效降低梁高，相比型鋼梁不需考慮失穩(wěn)等因素，可以最大程度利用鋼材承載力，同時抗腐蝕性和耐火性更好。

2)型鋼混凝土梁上下部對稱配置時，針對地震的反復(fù)荷載有很好的表現(xiàn)。而且型鋼整體工作，即使型鋼屈服，在卸載后恢復(fù)性較好，試驗中卸載后大量裂縫自主閉合，殘余裂縫也大幅減小。

3)加設(shè)栓釘后，型鋼混凝土梁的最大裂縫寬度相對鋼筋混凝土梁有一定提高。型鋼上設(shè)置栓釘能夠作為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的有效手段。

4)運用有限元分析軟件對型鋼混凝土構(gòu)件進行建模分析，可以較為準(zhǔn)確地模擬構(gòu)件荷載作用下的裂縫出現(xiàn)和發(fā)展，可以有效彌補現(xiàn)行規(guī)程的不足。

綜合以上這些優(yōu)點可以得出，型鋼混凝土梁在承載力，抗震性，截面高度控制，裂縫控制，抗腐蝕，耐火等各方面，相對普通的鋼筋混凝土梁和型鋼梁都有顯著的優(yōu)勢，適用于核工程建設(shè)與鐵路工程的站房建設(shè)。

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