新型桁架式鋼骨混凝土在某綜合球類館 可行性應(yīng)用分析

李江帆

(廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司， 廣西 南寧 530000)

1 項目概況

某體育運動學校項目綜合球類館地下設(shè)1層設(shè)備用房。地上共3層，首層設(shè)乒乓球館和車庫；二層設(shè)拳擊、散打、摔跤、柔道、跆拳道訓(xùn)練場地；三層設(shè)排球場、網(wǎng)球場、羽毛球場?？傞L度為：132.60m，總寬度為：72.80m，總高度為45.00m，總層數(shù)為4層，層高為7m至15m;該工程雖然外形比較規(guī)則，層數(shù)不多，但存在錯層、開洞的情況，且建筑要求空間較大，層高較高，柱距較大。其中四層右側(cè)為兩跨連續(xù)梁，其中兩跨為36.4米的框架梁，而層高達到了15米，屬于典型的大跨度大空間結(jié)構(gòu)，其平面布置詳見圖1，

圖1 綜合球類館四層右側(cè)結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 原常規(guī)不同設(shè)計方案比選

該結(jié)構(gòu)第四層為籃球場和手球場，需要較大空間，因此柱距較大，為三跨連續(xù)梁，其中一跨為36.4米的梁。而層高則到底15米，對于這樣的高大空間結(jié)構(gòu)，對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，一般常規(guī)的做法有預(yù)應(yīng)力混凝土和實腹式鋼骨混凝土兩種方案，本工程在初步設(shè)計階段考慮了兩種設(shè)計方案，主要從工程量以及施工成本進行對比，具體兩種方案的設(shè)計詳圖2和圖3：

圖2 綜合球類館預(yù)應(yīng)力梁方案

圖3 實腹式鋼骨混凝土梁方案

2.1 工程量對比

通過計算預(yù)應(yīng)力梁方案和實腹式鋼骨混凝土梁方案的工程量，來計算方案比選，

計算預(yù)應(yīng)力梁方案總長度64.2m，

縱筋=0.00617×28×28×66×64.2+0.00617×18×18×66×64.2=28967kg

箍筋為2503kg 預(yù)應(yīng)力鋼筋為4017kg

總用鋼量為31470kg=35.64 t

混凝土=0.60×2.1×64.2=80.89m3

實腹式鋼骨混凝土梁方案

總長度64.2m，配筋率0.3%

型鋼=（0.4×0.04×2+0.03×1.72）×64.2×78/10=42t

縱筋=0.65×2.4×0.3%×2×64.2×78/10=4.7t

混凝土=（0.65×2.4-0.0836-0.00936）×64.2=94.2m3

通過對比可知，預(yù)應(yīng)力砼梁比型鋼混凝土梁節(jié)省砼 16.4%，節(jié)約鋼材 17.8%,節(jié)約效果較為明顯。而且現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力性能研究、計算理論、設(shè)計方法、及工程實踐上都取得了長足的發(fā)展，施工技術(shù)也比較成熟。在一般的工程中也優(yōu)先選擇預(yù)應(yīng)力混凝土梁作為解決大跨度建筑的一種解決方案。

2.2 施工成本對比

雖然預(yù)應(yīng)力混凝土作為解決大跨度建筑的一種可行的方案，但是本工程特殊之處在于，作為體育場館，要求空間較大，層高較一般的建筑要高，高達 15米,如采用預(yù)應(yīng)力混凝土方案，在施工時就會出現(xiàn)高大模板支撐，如采用滿堂支撐，整個支撐體系所需的工程量會比一般的工程大許多。整體的施工成本也會增加。

而鋼骨混凝土梁中的型鋼，在構(gòu)件可起到二次受力作用，方便施工。由于其本身剛度較大，澆筑混凝土時鋼骨架可以作為滑模、掛模的骨架從而節(jié)省模板支撐；施工階段時承擔混凝土和鋼析架自重及施工荷載，實現(xiàn)無支撐自承重，加快施工速度[1]。因而本工程選擇鋼骨混凝土梁作為其中一種較優(yōu)的選擇，只是實腹式鋼骨混凝土存在用鋼量較大的缺點仍待解決。

故本工程結(jié)合已有的一些研究成果以及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出采用新型桁架式鋼骨混凝土梁來解決上述預(yù)應(yīng)力梁方案和實腹式鋼骨混凝土梁方案出現(xiàn)的問題。

3 新型桁架式鋼骨混凝土的可行性應(yīng)用設(shè)計分析

空腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)目前已有不少的研究和應(yīng)用，而空腹式鋼骨混凝土梁研究方面的研究大多數(shù)采用空腹格構(gòu)式鋼骨混凝土梁結(jié)構(gòu)形式，對于傳統(tǒng)的空腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼一般為角鋼放置在構(gòu)件的四角，扁鋼作為腹桿，采用鉚接，其抗震性能相對較差[1]，其圖詳見圖4

圖4 傳統(tǒng)空腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的情況，以及現(xiàn)場的一些研究，本項目提出采用唐光暹提出的新型桁架式鋼骨混凝土梁結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)配置桁架式型鋼，以形型鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的角鋼配置在梁的上、下部位，形型鋼用角鋼相連，構(gòu)成桁架式鋼骨混凝土梁構(gòu)件，具體如圖所示[1]：

根據(jù)唐光暹提出的桁架式鋼骨混凝土框架梁構(gòu)件設(shè)計方法，桁架式型鋼混凝土梁構(gòu)件的截面承載力等于桁架式鋼骨部分的承載力與鋼筋混凝土部分的承載力之和。桁架式型鋼混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載力由三部分組成，即混凝土、箍筋和桁架式型鋼骨架的受剪承載力。而《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》JGJ138-2016中 5.2.6條也提到配置配置桁架式型鋼的型鋼混凝土梁，其受彎承載力計算可將上下弦型鋼考慮為縱向鋼筋，受剪承載力計算可將桁架的斜腹桿按其承載力的豎向分力等效為抗剪箍筋，按國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010中的鋼筋混凝土梁的相關(guān)規(guī)定計算。

圖5 新型桁架式鋼骨混凝土梁結(jié)構(gòu)

雖然相關(guān)規(guī)程和規(guī)范提及桁架式型鋼的型鋼混凝土梁的相關(guān)設(shè)計，而且也有相關(guān)對此進行了較為深入的研究，而由于該桁架式鋼骨混凝土框架梁實際的工程應(yīng)用目前在國內(nèi)還沒有，沒有相關(guān)的工程實踐作為參考，因而在本工程大跨度梁的設(shè)計中采用相對保守的設(shè)計，即假設(shè)由桁架式鋼骨承擔梁的彎矩，混凝土和箍筋承擔梁的剪力和扭矩，同時鋼桁架作為鋼結(jié)構(gòu)支撐在施工過程中承擔施工荷載。

因該新型桁架式型鋼混凝土梁在國內(nèi)的工程應(yīng)用尚屬首次，目前工程設(shè)計類軟件沒有該桁架式型鋼選擇，因而采用有限元軟件ABAQUS進行模擬分析。 作為一種大型通用有限元分析軟件，ABAQUS能夠模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移及其他各種領(lǐng)域的問題，特別在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中能夠獲得很精確、很貼合實際的結(jié)果，通過采用ABAQUS對該新型桁架式鋼骨混凝土梁的模擬分析，對該新型桁架式鋼骨混凝土梁的設(shè)計進行驗證其可行性。

4 結(jié)論

（1）通過分析該綜合球類館的項目特點以及通過采用常規(guī)不同的方案設(shè)計比較，對比發(fā)現(xiàn)雖然采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有節(jié)省鋼材的特點，設(shè)計施工也比較成熟，但是在本項目中應(yīng)對高大空間時需要較多高大模板的缺點也較為明顯。而實腹式鋼骨混凝土梁雖然在施工時型鋼能作為支撐的一部分而節(jié)省一部模板支出的費用，但是也存在相較預(yù)應(yīng)力混凝土梁而言其用鋼量較大的缺點。

（2）針對實腹式鋼骨混凝土存在的缺點以及現(xiàn)有的一些學者的研究，提出采用新型桁架式鋼骨混凝土作為該綜合球類館高大空間的設(shè)計應(yīng)用。目前該新型桁架式鋼骨混凝土已有不少的學者對其進行了性能研究，并給出了具體的設(shè)計方法以及建議，而且相關(guān)的規(guī)范已有類似的設(shè)計指導(dǎo)意見。針對工程設(shè)計類的軟件沒有該類型的鋼骨混凝土梁的設(shè)計，可以采用ABAQUS通用有限元軟件對該設(shè)計進行驗證分析。

總體而言，新型桁架式鋼骨混凝土作為某綜合球類館的高大空間的解決方案，其應(yīng)用設(shè)計是可行的，而且具體的設(shè)計內(nèi)容也可作為一個研究課題進行深入研究，為今后采用相關(guān)類型的工程設(shè)計以及應(yīng)用作為一個示范參考。

[1]唐光暹.桁架式SRC梁_RC柱組合節(jié)點抗震性能及設(shè)計方法研究[D].廣西大學，2012

[2]王玉鐲,傅傳國.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實例詳解[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2010

[3]JGJ138-2016組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2016

[4]GB50010-2010(2015版)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2015