钢骨再生混凝土（共8篇）
钢骨再生混凝土 篇1
常温下钢材性能优越,但其力学性能对温度较为敏感。钢材是不燃体,在火灾作用下易导热,升温快,耐火性能差。研究表明[1]:当温度低于200℃时,钢结构的强度基本不变;当温度超过300℃时,钢结构的强度下降、塑性增加;在550℃时,钢结构强度的降低幅度增加更为明显,此时钢材承载力过低。一般将550℃作为钢结构在火灾有效载荷作用下达到承载力极限状态的临界温度。因此,必须对钢结构进行防火保护。
混凝土绝热性能好,热容量大,并具有一定强度,是一种理想的防火保护材料。将混凝土包裹在钢构件表面,形成钢骨混凝土,可提高结构的耐火性能。欧美国家最初发展钢骨混凝土就是基于对钢结构防火和耐久性方面的考虑,同时外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,显著改善钢结构出平面的扭转屈曲性能,使钢材的强度充分发挥。
再生混凝土作为一种新型的绿色环保建筑材料,具有良好的热工性能[2,3,4],将再生混凝土包裹在钢构件表面形成钢骨再生混凝土(Steel Reinforced Recycled Concrete,简称SRRC),和钢骨普通混凝土相比可改善构件的耐火性能,扩大再生混凝土的使用范围。杨有福[5,6,7]将再生混凝土灌入钢管形成钢管再生混凝土,对钢管再生混凝土构件荷载-变形关系以及受力机理进行了研究,并对其设计方法作了探讨。目前对钢骨再生混凝土耐火性能的研究较少。本文首先分析钢骨再生混凝土耐火性能的影响因素,以此为基础研究钢骨再生混凝土的耐火极限。
1 钢骨再生混凝耐火性能影响因素
1.1 再生混凝土的物理特性
再生粗集料孔隙率约为天然粗集料的20倍[2],增大了再生混凝土的孔隙率,较大的孔隙率必将增大再生混凝土的吸水率。再生混凝土较大的孔隙率类似于轻质混凝土,轻质混凝土平衡含水率为2.5%[8],在缺少实测资料时本文建议再生混凝土的平衡含水率可参照轻质混凝土取用。表1为再生混凝土平衡含水率的建议值。
注:密度取文献[4]相应密度值。
再生混凝土作为一种湿性保护层,和普通混凝土一样,由于其内部含有一定的自由水分,当构件温度升至100℃时,考虑水分蒸发,吸收热量,因此钢骨升温分析中必须考虑延迟时间tv,tv可以按式(1)近似计算[8]:
式中:p———保护层中所含的水分,%;
ρi——保护层的密度,kg/m3;
di——保护层厚度,m;
λi——保护层导热系数,W/(m·℃)。
表2为利用式(1)计算得到的不同层厚度再生混凝土所对应的升温延迟时间。
min
从表2可以看出,随着再生粗集料取代率的增加,再生混凝土升温延迟时间增加;随厚度的增加再生混凝土(r=100%)升温延迟时间从25 mm厚的0.5 min,增加到150 mm厚的19.3 min,而普通混凝土升温延迟时间从0.2 min左右增加到9.0 min,再生混凝土升温延迟时间随厚度增加明显高于普通混凝土;相同的厚度下再生混凝土(r=100%)升温延迟时间约为普通混凝土的2倍。再生混凝土的高孔隙率、高含水率、长升温延迟时间,可显著延长钢骨再生混凝土构件的耐火时间。
1.2 再生混凝土的高温性能
再生混凝土的高温试验研究表明[3]:0~700℃时再生混凝土试块表面未出现裂纹,在700℃以上时试块表面出现明显的细裂纹,随温度升高逐渐出现明显的骨料膨胀造成的星形裂纹,但裂纹不多。同时在600℃以下时,试块尺寸基本没有变化,在600℃以上时,试块会产生一定膨胀。和普通混凝土相比,在整个试验过程中没有发生爆裂现象,再生混凝土具有较强的抗爆裂性能。高温后抗压试验研究表明,当再生粗集料取代率为50%以上时,再生混凝土高温后相对残余抗压强度整体上优于普通混凝土。
钢骨再生混凝土在火灾作用下,再生混凝土抗爆裂性能可以使得再生混凝土紧紧地包裹在钢骨表面,延缓钢骨温度快速升高,同时保持组合构件内部钢骨的稳定性;较好的高温后抗压强度,使得钢骨再生混凝土构件还具有一定强度,结构不致迅速垮塌。和钢骨普通混凝土相比,钢骨再生混凝土具有较好的耐火性能。
1.3 再生混凝土的热工性能
1.3.1 比热
比热大的材料在同样升温幅度下吸收的热量要多。表3为再生混凝土的比热计算值[4]。
从表3可以看出,再生混凝土的比热略高于普通混凝土,且随着再生粗集料取代率的增加再生混凝土的比热进一步增大。和钢骨普通混凝土相比,在吸收同样热量的情况下,钢骨再生混凝土可以降低构件升温,且随再生粗集料取代率增加,构件升温进一步降低。因此,在吸收同样热量的情况下,钢骨再生混凝土的耐火性能提高。
1.3.2 导热系数
钢材同其它建筑材料相比具有良好的导热性能,自身易导热。混凝土的导热系数远低于钢材,在火灾作用下,钢骨混凝土中钢骨周围的混凝土可以有效延缓外界热量传递给钢骨,起到保护钢骨作用,从而提高组合构件的耐火性能。图1为再生混凝土的导热系数实测值[4]。
由图1可见,随着再生粗集料取代率的增加,再生混凝土导热系数降低。普通混凝土的导热系数为1.86 J/(kg·℃),取代率为50%时导热系数为1.62 J/(kg·℃),降低了13%;取代率为100%时导热系数为1.33 J/(kg·℃),降低了28%。钢骨再生混凝土外围的再生混凝土比普通混凝土的导热系数低,能更有效地阻止外界热量迅速传递给内部钢骨,进一步延缓钢骨温度升高,提高了钢骨再生混凝土的耐火性能。
2 钢骨再生混凝土的耐火性能分析
钢骨混凝土钢骨周围包裹的混凝土,属于非轻质保护层。对于非轻质保护层构件在火灾下的升温计算,欧洲规范3(EUROCODE3)给出的构件升温计算公式为:
式中:μ———保护层与构件的热容比,且μ=cbpbd F/ρscsV;
△t——时间步长,一般不超过30 s;
△Ts——该时间步长内构件的温度增量,℃(当△Ts<0时取△Ts=0);
△TA———该时间步长内空气的温度增量,℃。
建筑结构在火灾情况下的升温一般初始阶段较剧烈,然后变化渐趋于平缓,图2为国际标准IS0-834升温曲线[8]。
图3为按ISO-834标准升温曲线对不同截面形状钢骨再生混凝土构件进行升温,利用欧洲规范3计算获得的不同再生混凝土厚度对应的钢骨耐火极限(耐火极限是钢骨温度升至550℃时所需时间),其中,再生混凝土的比热和导热系数分别按表3和图1取值,钢材的比热cs=500 J/(kg·℃)、密度ρs≈7850 kg/m3,钢骨为型钢□350 mm×350 mm×15 mm和HN350 mm×175 mm×7 mm×11 mm,截面形状系数分别为70和197,热容比见表4。
从图3可以看出:
(1)相同保护层厚度下钢骨再生混凝土的耐火极限高于钢骨普通混凝土,且随着再生粗集料取代率的增加耐火极限进一步提高。例如,当外包混凝土厚度为100 mm时,对钢骨混凝土柱,当r=0时,耐火极限为110 min;当r=50%时,耐火极限为121.8 min;当r=100%时,耐火极限为142.6 min。钢骨再生混凝土(r=100%)的耐火极限比钢骨普通混凝土(r=0)提高超过30 min。
(2)随混凝土保护层厚度的增加,钢骨再生混凝土的耐火极限增加幅度大于钢骨普通混凝土。
(3)钢柱的耐火极限[9],对一级和二级高层民用建筑的要求分别为3 h和2.5 h,从图3(a)可以看出,一级建筑再生混凝土(r=100%)厚约为120 mm时即可满足要求,普通混凝土则需要145 mm厚才能满足;二级建筑再生混凝土(r=100%)厚约为105 mm时即可满足要求,普通混凝土则需要125 mm厚才能满足。钢梁耐火极限[9],对一级和二级高层民用建筑的要求分别为2 h和1.5 h,从图3(b)可以看出,一级建筑再生混凝土(r=100%)厚为100 mm时即可满足要求,普通混凝土则需要约120 mm厚才能满足;二级建筑再生混凝土(r=100%)厚约为85 mm时即可满足要求,普通混凝土则需要100 mm厚才能满足。因此,和钢骨普通混凝土相比,达到同样的耐火极限钢骨再生混凝土所需的截面尺寸较小,有利于节省建筑空间,减轻结构自重。
3 结论与展望
(1)再生混凝土的高孔隙率和高含水率增加了在火灾作用下构件的升温延迟时间,延长了构件耐火极限;再生混凝土的抗爆裂性能及良好高温后力学性能、略高的比热及较低的导热系数有助于提高钢骨再生混凝土的耐火性能。
(2)钢骨再生混凝土的耐火极限高于钢骨普通混凝土,有利于建筑防火,且能减轻结构自重。
(3)钢骨再生混凝土可以实现废弃资源的再利用,有利于节省天然资源和环境保护,且具有良好的耐火性能。为了了解钢骨再生混凝土的力学性能,将钢骨再生混凝土用于实际工程,作者认为还应在以下几个方面开展研究工作:(1)静力工作性能。目前国内外对于钢骨混凝土的静力性能已进行了较深入的研究,但对钢骨再生混凝土的静力性能研究还很缺乏。进行钢骨再生混凝土的轴压短柱、纯弯构件、压弯构件实验及理论研究,揭示其静力工作原理,考察现有的钢骨混凝土计算理论是否适用于钢骨再生混凝土很有必要。(2)滞回性能。钢骨混凝土构件具有良好的延性和耗能能力[10,11],但钢骨再生混凝土构件是否仍具有良好的滞回性能有待研究。
参考文献
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钢骨再生混凝土 篇2
摘 要：高层建筑越来越多，带转换层的建筑也比较普遍。转换层的存在使竖向刚度发生突变导致力的传递发生改变，在转换层处受力变得复杂，在考虑地震情况下，更是复杂。所以对转换层的研究是非常必要的。
关键词：钢骨；梁；计算原理
1、钢骨混凝土梁的性能
钢骨混凝土（SRC）构件和普通钢筋混凝土（RC）构件相比，其受力性能的差别主要表现如下：1、SRC构件的含钢量比RC构件的含钢量大得多，所以SRC构件比RC构件的刚度明显提高。这为在风荷载和地震作用下控制结构的水平位移提供了有利的条件。2、SRC构件的强度、刚度和延性较好，采用SRC结构不仅具有足够的抗震能力，而且可以使得梁、柱等构件截面大大减小，因此能减少构件的面积，降低建筑物高度，在改善房间功能、降低造价和能耗及结构抗震方面都极为有利，可获得较好的综合效益。3、SRC构件的混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，防止发生局部屈曲、弯曲失稳及梁发生侧向失稳的不利现象。4、SRC构件的耗能性能好。从试验中得到SRC柱滞回曲线饱满，所围的面积较大，这说明其耗能性能好。
2、钢骨混凝土梁计算的基本假定
我国冶金部颁布的《钢骨混凝土结构设计规程》Isl（YBgo82一97）中规定：型钢混凝土框架梁的正截面受弯承载力应按下列基本假定进行计算；
（1）截面应变分布符合平截面假定；
（2）不考虑混凝土的抗拉强度；
（3）受压边缘混凝土极限压应变气取0.003，相应韵最大压应力取混凝土轴心抗压强度设计值关，受压区应力图形简化为等效的矩形应力图，其高度取按平截面假定所确定的中和轴高度乘以系数0.8，矩形应力图的应力取为混凝土轴心抗压强度设计值；
（4）型钢腹板的应力图形为拉、压梯形应力图形。设计计算时，简化为等效矩形应力图形；
（5）钢筋应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值。受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变气取0.01。
（6）在计算钢骨混凝土构件的刚度时，可以认为钢骨混凝土构件的刚度是型钢刚度与混凝土部分刚度的叠加。即：
（4—1）
（4—2）
（4—2）
式中：E、I、A——等效截面的材料弹性模量、惯性矩、截面积； 、 、 ——钢骨的材料弹性模量、惯性矩、截面积； 、 、 ——混凝土的材料弹性模量、惯性矩、截面积。
严格的讲（4一1）、（4一2）、（4一3）式应同时满足，但各软件的条件不同，要求输入的参数不同，有时很难同时满足。采用哪个公式得到的结果和实际较符合，还没有发现相关的研究。本文针对通用软件ANSYS要求输入的参数，对钢骨混凝土构件的弹性模量进行研究。
3、钢骨混凝土梁承载力的计算
3.1正截面抗弯承载力
充满型钢骨混凝土框架梁是以“适筋梁”破坏作为其抗弯承载力的极限状态，充满型实腹式钢骨混凝土框架矩形截面梁达到抗弯承载力极限状态时，钢骨混凝土梁中型钢上、下翼缘达到屈服强度设计值 、 。计算时把上、下翼缘分别作为纵向受力钢筋考虑，型钢腹板并没有完全屈服。此时，腹板承担了弯矩 、轴向力 。对型钢腹的应力分布进行积分，并作一些简化就可以得到 和 。简化的条件是 ，表示型钢腹板上端处于受压区，同时 ，表示型钢腹板处于受拉区。
其正截面受弯承载力按下列公式计算：抗震设计时
（4—4）
（4—5）
——型钢混凝土梁正截面承载力抗震调整系数， =0.75
、 ——混凝土等效矩形应力的图形系数，仅与混凝土应力应变曲线有关。当混凝土等级部超过C50时 取1.0， 取0.8。
——型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点至混凝土受压外边缘的距离， ；
——为型钢混凝土梁截面高度， 为型钢受拉翼缘与纵向受拉钢筋合力点至混凝土受拉边缘的距离；
——充满型实腹式型钢混凝土梁矩形截面的宽度；
——混凝土受压区高度；
、 ——分别为型钢受拉、受压翼缘截面行心至混凝土截面边的距离；
、 ——分别为纵向受拉、受压钢筋合力点至混凝土截面边的距离；
、 —分别为梁中型钢受拉、受压翼缘的截面面积；
、 ——分别为梁中钢筋受拉、受压钢筋的截面面积；
、 ——分别为纵向受拉、受压钢筋的强度设计值；
、 ——分别为型钢抗拉、抗压强度设计值；
——混凝土的轴心抗压强度设计值；
——型钢腹板承担的轴向合力；
——型钢腹板承担的轴向合力对型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的力矩；
当满足 ， 条件时，型钢混凝土梁内型钢腹板的抗弯承载力 ，、轴向承载力 ，分别按以下公式计算：
（4—6）
（4—7）
——混凝土相对受压区高度， ；
——型钢腹板厚度；
——型钢翼缘厚度；
——型钢翼缘高度；
——型钢腹板上端至梁截面上边缘距离与 的比值；
——型钢腹板下端至梁截面上边缘距离与 的比值。
3.2钢骨混凝土梁的抗剪承载力计算
目前，钢骨混凝土构件受剪承载力的计算主要有三种方法：前苏联将型钢腹板看作连续分布的箍筋，采用钢筋混凝土梁的计算方法；日本采用剪力分配计算方法，认为剪力由型钢部分和钢筋混凝土部分一起承担，而型钢部分和钢筋混凝土部分的受剪承载力分别不低于各自承担的剪力；我国两个规则在梁的抗剪承载力计算时采用同样的计算原理；采用叠加计算方法，认为型钢部分与钢筋混凝土部分受剪承载力之和作为钢骨混凝土构件的受剪承载力。当型钢含量较少时采用钢筋混凝土梁的计算方法得到的结果比较符合实际，剪力分配计算方法理论上较为合理，但计算复杂，剪力的分配也不易准确。
截面受剪承载力试验表明，当 超过一定值后，剪压破坏时型钢不会达到屈服，箍筋也有可能不屈服，因此，钢骨混凝土梁的受剪截面应符合下列条件：
（4—8）
——梁斜截面受剪的承载力抗震调整系数， =0.85；
——混凝土强度影响系数，当混凝土强度不超过C50时， 取1.0；当混凝土强度为C80时， 取0.8，其间按线性内插法确定。
《型钢混凝土组合结构技术规程》中，在均布荷载作用下，实腹式型钢混凝土框架梁的斜截面受剪承载力按下列公式计算
（4—9）
式中： ——计算截面剪跨比，可取元 ， 为计算截面至支座截面或节点边缘的距离。计算截面取集中荷载作用点处的截面。当 <1.4时取 =1.4；当 >3时取 =3。
——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积； ——沿构件长度方向箍筋的间距
4、结束语
浅谈钢骨混凝土结构 篇3
钢骨混凝土结构具有强度大、延性好、抗震能力强、防火防腐性能好及便于施工等一系列优点，还可以大大减小构件的断面尺寸，明显增加了房间的使用面积，也使房间中的设备、家具更好布置，因此已越来越广泛地应用于高层及高耸结构、地震区的建（构）筑结构、承受大荷载的结构及大跨度结构中，尤其在地震多发的日本应用十分广泛。
钢骨混凝土中配置的型钢形式总的可分为实腹式型钢与角钢骨架的桁架式配钢两大类。
前者的强度、刚度、延性很高，远比后者优越，可用于大型、中型及很高的建筑中。但是，配角钢骨架比配实腹型钢可更多地节约钢材，其含钢量比钢筋混凝土结构稍大或基本相当，而其强度、刚度、延性则比钢筋混凝土结构仍有较大的提高，所以常在荷载、跨度、高度不是特别大的结构中采用。钢骨混凝土构件可以是梁、柱、板墙等组合构件。
目前实腹式钢骨混凝土结构应用更加广泛。钢骨混凝土结构的优点主要在于：
1.1 承载能力和刚度高，截面面积小
钢骨混凝土结构中钢骨、钢筋、混凝土三种材料协同工作。钢骨和混凝土直接承受荷载，由于混凝土增大了构件截面刚度，防止了钢骨的局部屈曲，使钢骨部分的承载力得到了提高；另外，被钢骨围绕的核心混凝土因为钢骨的约束作用，使核心区混凝土的强度得以提高，即钢骨和混凝土二者的材料强度得到了充分的发挥，从而使构件承载力大大提高；由于钢骨混凝土结构不受含钢率限制，其承载力比相同截面的钢筋混凝土结构高出一倍还多。
1.2 抗震性能好
与钢筋混凝土结构相比，钢骨混凝土结构尤其是实腹式钢骨混凝土结构由于钢骨架的存在，使得钢骨混凝土结构具有较大的延性和变形能力，显示出良好的抗震性能。
1.3 经济效果好
与钢结构相比，钢骨混凝土结构用钢量大幅度减小，在承载相当的情况下，一般可节省钢材50%左右，造价可降低10%～40%；与钢筋混凝土结构相比，可节省60%左右的混凝土，并减小了构件的截面尺寸，增加了使用面积和层高，避免形成肥梁胖柱，减轻地基荷载，降低基础费用，因此具有可观的经济效益。
1.4 施工速度快，工期短
钢骨混凝土结构中钢骨架在混凝土未浇注以前已形成钢结构，已具有相当大的承载能力，能够承受构件自重和施工时的活荷载，并可以将模板悬挂在钢结构上，不必为模板设置支柱。在多高层建筑中，不必等待混凝土达到一定强度就可以继续上层施工，加快施工速度，缩短建筑工期。
1.5 耐火性和耐腐蚀性好
众所周知，钢结构耐火性和耐腐蚀性较差，但对于钢骨混凝土结构来说，由于外包混凝土的存在，在保证承载力提高的前提下，使构件耐火性和耐腐蚀性较钢结构得到了提高。
2 钢骨混凝土结构在国外的研究及应用
钢骨混凝土结构最早出现在欧洲。欧美20世纪初就开始对钢骨混凝土柱进行了研究。对钢骨混凝土梁的研究是从加拿大开始的，相继在英国、美国、日本及前苏联等国家也开始了研究。但对钢骨混凝土构件的性能进行大量试验和研究是从20世纪50年代开始的，很多学者在计算模型、分析方法及简化计算等方面做了大量工作，提出了许多风格各异的适合本国实情的理论和方法，但概括起来不外乎钢结构和混凝土结构及叠加原理三方面的理论。欧美的计算理论基于钢结构的方法，考虑混凝土的作用，在试验基础上将试验曲线进行修正，突出反映在组合柱的计算上。前苏联关于型钢混凝土结构的计算理论是基于钢筋混凝土结构的计算方法，认为型钢与混凝土是完全共同工作的，因此试验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全。第三种类型是日本建立在叠加理论基础上的方法，认为型钢混凝土结构的承载能力是型钢与钢筋混凝土两者承载能力的叠加。比较证明，日本的计算方法过于偏于安全。
3 钢骨混凝土结构在我国的研究及应用
我国对钢骨混凝土结构的研究已在全国研究院、高等院校、设计院开展起来。特别是近几十年来在大量学者进行钢骨混凝土梁、柱、梁柱节点、组合楼板等的静力及抗震性能、破坏形态的试验研究基础上，提出了符合我国国情的计算理论。其中西安建筑科技大学还进行了钢骨混凝土框架的抗震试验研究。并在研究成果的基础上陆续制定和颁发了一些专项规程（行业标准）。原能源部电力规划设计管理局于1992年颁发了《火力发电厂主厂房钢一混凝土组合结构设计暂行规定》（DLGJ99-91），内容包括钢管混凝土结构、外包钢混凝土结构、组合梁结构。1997年原冶金工业部颁发了《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97），这个规程主要是参考日本标准编制的。2002年建设部颁发了《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001、J130-2001）。这些规程和规范已经在工程的设计与施工中较为广泛的使用，并明确的提出对各类结构体系的框架柱，当房屋的设防烈度为9度时，且抗震等级为一级时，框架柱的全部结构构件应采用钢骨混凝土结构。
钢骨混凝土结构及其抗震性能研究 篇4
一、钢骨混凝土构件形式与设计理论
钢骨混凝土构件根据钢骨的形式可分为实腹式和空腹式两大类。实腹式钢骨主要有工字钢、槽钢及H型钢等。空腹式钢骨是由角钢构成的空间桁架式的骨架。
实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能, 而空腹式构件的抗震性能与普通钢筋混凝土构件基本相同。在日本阪神地震中, 空腹式钢骨混凝土结构破坏的事例很多。因此, 目前在抗震结构中多采用实腹式钢骨混凝土构件, 而对钢骨混凝土框架梁中的型钢, 宜采用充满型实腹型钢。充满型实腹钢骨的一侧翼缘宜位于受压区, 另一侧翼缘位于受拉区。
从20世纪50年代起, 国外对SRC构件性能、计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量工作, 提出了许多风格各异的理论和方法。以苏联为代表的极限强度理论认为, 在SRC构件变形较大时, 应力应变关系已进入弹塑性状态, 已不能保证型钢与混凝土共同工作, 进一步有日本和英美为代表的允许应力强度理论, 即日本的叠加强度理论和英美的弹性设计方法。
在我国, 冶金工业部1998年颁布了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》。建设部于2001年颁布了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》。以上两个行业标准均是依据国家标准《建筑结构荷载规范》 (GBJ9-87) 、《建筑抗震设计规范》 (GBJ11-89) 、《混凝土结构设计规范》 (GBJ10-89) 而制定。
二、钢骨混凝土构件计算理论
钢骨混凝土结构构件的计算可以分为以下3种。
1. 按平截面假定, 采用极限强度设计方法, 按钢筋混凝土结构理论进行计算。
即认为型钢与钢筋混凝土能够成为一个整体且变形一致, 共同承受外部作用, 将型钢离散化为钢筋, 并用钢筋混凝土的公式进行计算其强度。按该法计算时, 少数构件偏于不安全, 同时由于没有考虑钢骨和混凝土之间的黏结特性, 刚度不随荷载大小而变化, 这是不符合实际的。此方法的主要代表国家为前苏联。
2. 参数折算的钢结构计算方法。
按钢结构理论进行计算, 即将钢骨混凝土柱用具有修正的屈服强度、弹性模量和回转半径的钢构件代替, 然后按钢构件计算公式进行弯矩和轴力下的承载力计算。对于构件的抗剪承载力不进行专门计算, 而是通过对箍筋的构造规定加以满足。此方法的主要代表国家为美国以及欧洲。
3. 叠加计算方法。
在日本规范中, 对于空腹式钢骨混凝土构件按钢筋混凝土方法进行计算。对于实腹式钢骨混凝土构件的计算, 不考虑钢骨和混凝土之间的共同作用, 并假定钢骨不发生局部屈曲, 分别计算钢骨部分和钢筋混凝土部分的承载力和刚度, 然后叠加, 其计算结果偏于保守。
三、钢骨混凝土结构抗震性能的影响因素
尽管各国的钢骨混凝土构件的计算理论有很大不同, 但在对钢骨混凝土结构的抗震性能研究中则都参考了钢筋混凝土结构理论。自从20世纪50年代以来, 很多国家进行了大量的钢骨混凝土结构抗震性能的试验研究。研究表明, 影响钢骨混凝土抗震性能的主要因素为剪跨比、轴压比、配箍率、含钢率以及钢骨的截面形式等。
1. 剪跨比的影响。
剪跨比对抗震性能的影响主要有两方面:一是剪跨比对钢骨混凝土柱破坏形态的影响。二是剪跨比对钢骨混凝土柱抗剪承载力的影响。
2. 轴压比的影响。
大量试验结果表明, 轴压比对钢骨混凝土柱的破坏形态、承载力和滞回特性均有明显影响。随着轴压比的增大, 延性系数、极限位移转角、耗能能力3项指标均减小, 在高轴压比情况下, 柱的刚度退化明显。因此, 轴压比是影响钢骨混凝土柱抗震性能最重要的因素之一。
3. 用钢量的影响。
钢骨含钢率是指截面中钢骨面积与构件有效截面面积 (钢骨部分的面积与钢筋混凝土部分的面积之和) 之比。钢骨含钢率取值的范围, 各国规范并不一样。日本的规范最大含钢率定为13.3%, 美国规范取20%。在我国《型钢混凝土组合结构技术规程》规定框架柱受力型钢的含钢率不宜小于4%, 且不宜大于10%。《钢骨混凝土结构设计规程》规定钢骨混凝土构件的含钢率不小于2%, 也不宜大于15%。试验表明, 在一定范围内, 用钢量越大的钢骨混凝土柱, 抗震性能越好。
4. 配箍率的影响。
大量试验研究表明, 在其他因素相同的条件下, 钢骨混凝土柱的位移延性系数随配箍率的提高而增加。箍筋的主要作用是可以保证钢骨、钢筋、混凝土三位一体工作, 防止钢骨保护层混凝土纵向劈裂剥落, 直接参与钢骨混凝土柱的抗剪力荷载, 提高其抗剪承载力。
5. 钢骨形式的影响。
浅谈钢骨混凝土梁施工技术 篇5
某度假酒店共六层, 首层为购物城, 二层半圆部分作咖啡厅, 另一部分及三层以上作住房, 整个建筑呈弧形。其中二层圆弧梁跨度最大达47m, 设计为钢骨混凝土梁, 梁高1.2m, 梁宽0.5m。钢骨混凝土梁呈圆弧形且跨度非常大, 钢骨部分须由几段Ⅰ型钢焊接而成。由于Ⅰ型钢重且多、底面配筋多且密, 给施工带来不少困难, 对钢骨混凝土梁的模板安装, 钢筋绑扎、Ⅰ型钢安装、混凝土浇筑等施工工序都有特别的要求。具体施工方法如下:
1 钢骨混凝土梁施工流程
2 梁支模及搭设操作平台
⑴顶架的安装:按门式架@610四体排列法排列, 并在钢骨的拼缝位置加设1ф48钢管顶架。
⑵支梁底模:按钢骨混凝土梁的直段形式安装梁底板, 底板用18mm厚夹板。
⑶绑扎钢筋及焊接Ⅰ型钢都需要操作平台, 所以要搭设操作平台, 操作平台同梁底相平, 用门式架及ф48钢管连杆搭设, 面铺18mm厚夹板。
⑷梁侧板支模:钢筋钢骨安装好后才能支梁侧模板, 实际情况只能在Ⅰ型钢底面各放一道ф14@500对拉螺栓。
3 钢筋制作与绑扎
⑴钢筋制作
(1) 纵筋制作:除腰筋外底面均为ф25钢筋, 特别底部24ф25, 分四排排列, 每排间距30mm, 所以不能冷驳, 只能用闪光对焊接长, 底纵筋在柱内焊接, 面纵筋在梁跨1/3处并错开焊接。
(2) 箍筋制作:由于钢骨Ⅰ型钢安装原因, 把梁箍制成开口箍后再焊接, 焊口应错开, 焊缝长 (单面焊) 10d。
⑵由于钢筋接长后达48m多, 塔吊无法水平及垂直运输, 只能用人工多人合力扛抬到梁位地面后, 12人用麻绳分12个点同时拉到楼面梁位绑扎。由于钢筋过长, 在运输过程必须注意钢筋变形弯曲等问题, 并要有专人指挥协调。
⑶钢筋绑扎:
根据钢筋排列的排距进行绑扎, 每排用ф25钢筋作支承, 把底纵筋绑扎好后, 安装Ⅰ型钢再绑扎面筋。
钢筋制作及绑扎除此方法外, 均按有关规范施工。
4 钢骨Ⅰ型钢的制安及吊装
Ⅰ型钢的制安要有资质的单位有焊工上岗证的工人施工。焊缝及焊条必须符合规范要求。
Ⅰ型钢用10T汽车吊装及塔吊吊装。Ⅰ型钢分段吊装时, 钢丝绳绑扎处必须垫上木枋, 并有专人指挥。Ⅰ型钢吊装放在梁面时, 底部用马凳筋垫起。马凳筋底部模板应加设一排ф48@900钢管支顶, 减轻Ⅰ型钢对梁模的压力。
Ⅰ型钢拼缝必须按设计要求及施工规范进行焊接, 焊接时应双面同时施焊, 以避免Ⅰ型钢变形。
Ⅰ型钢拼缝完成后, 必须按设计要求及施工规范要求进行检验。
5 混凝土浇筑
本钢骨混凝土梁的混凝土浇筑难度非常大, 底部钢筋太多加上Ⅰ型钢的钢板阻碍了混凝土的流动会造成混凝土浇筑的质量问题, 针对钢骨混凝土梁的实际情况, 特采取以下几种措施来保证混凝土浇筑质量:
⑴混凝土的坍落度控制在16～20cm, 并在混凝土加入缓疑剂, 碎石用5～15碎石。
⑵用“赶浆法”从梁的一端开始逐渐将浆赶到另一端, 梁混凝土口处必须保持混凝土浆有流动性, 如有暂停也不能超过60分钟。
⑶在用“赶浆法”的同时梁底用小锤轻打梁底板, 以便使混凝土更密实贯满梁底。
⑷使用ф25插入式振动棒, 混凝土在梁底200mm高, 必须用振动棒振动, 严禁一次就把梁灌满混凝土。必须分层浇筑, 由于ф25振动棒振动力较小所以底层必须是200mm一层, 以后每300mm一层。
⑸钢骨混凝土梁混凝土浇筑不能有施工缝, 为防止停水停电必须在浇混凝土前调试好发电机备用。水池也应蓄满水。
⑹在班前必须同工人作技术交底工作。
⑺浇混凝土前必须检查支架、模板是否牢固, 并必须有铁工、木工工人跟班。
⑻其余按有关规范规定施工。
6 混凝土养护
⑴混凝土浇筑12小时内淋水养护, 并在混凝土面上覆盖麻袋, 保持麻袋湿润。
⑵养护14天。
钢骨混凝土人字撑转换桁架的应用 篇6
本工程位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗———东至纵十二路、西至纵十一路与纵十二路中间、南至横三路、北邻横二路;建筑红线以内, 总建筑占地面积约 (210×100) m2, 拟建建筑主要有36层办公楼和酒店1栋;25层公寓1栋及地下3层、地上4层商业裙房。总建筑面积约为17.7万m2, 其中地下室3.3万m2, 地上塔楼部分10.5万m2, 地上裙房部分3.8万m2。办公和酒店塔楼结构主屋面高149.5 m, 建筑高宽比为3.8, 核心筒高宽比为12.1;标准层平面尺寸为42.9 m×34.2 m, 标准层层高4.0 m;共有两个设备层, 层高4.2 m。该工程设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级。工程抗震设防类别, 地下1层~地上4层为乙类, 其他为丙类。抗震设防烈度为7度, 地震分组为第三组, 设计基本地震加速度为0.1g, 场地类别为Ⅱ类。地面粗糙度类别为C类, 基本风压按100年重现期为0.6 k N/m2。
大底盘结构尺寸约100 m×120 m, 考虑到设置变形缝会带来建筑构造处理困难, 因此采用施工后浇带法解决变形问题。由于建筑北侧中部层1为入口通道, 受通道位置及宽度限制, ⑧轴的柱子在首层无法落地, 在2层, 3层采用转换处理做法 (见图1) , 这样使建筑师设计意图顺利实现。此转换桁架在入口顶部, 为工程设计的重点和难点, 本文就此进行讨论和研究。
2 结构方案设计
2.1 结构布置介绍
1座塔楼采用框架—核心筒结构 (双筒) , 呈细腰形平面。为增加建筑使用面积, 减小柱截面, 办公、酒店塔楼下部柱子加十字型钢。构件尺寸及材料强度等级见表1, 型钢为Q345。
2.2 结构超限情况及性能目标
根据“内蒙古自治区高层建筑工程结构抗震基本参数表”所列超限情况, 本工程超限情况有:高度超限 (超过A级高度, 满足B级高度) ;还有楼板不连续、竖向不规则 (多塔) 和大悬挑三项构成超限。此外细腰形平面 (凹进尺寸未超过限值) 于抗震十分不利。基于结构的超限情况, 设定本工程抗震性能目标见表2。
3 小震下的弹性反应谱分析
这里主要采用中国建筑科学研究院编制的SATWE (2010年7月) 进行了小震下的振型反应谱分析, 并用了美国SCI公司开发的ETABS v9.7.0与之对比。结构总层数39层, 地下室顶板嵌固, 考虑双向地震, 同时考虑扭转耦联影响。为了考虑高振型对结构的影响, 振型数取81个。考虑到结构的不规则性, 计算中对建筑物的各项结果参数严格控制, 主要数据结果如表3所示。通过对两个软件计算结果的对比可知, 两种程序的计算结果基本吻合, 这说明模型基本正确。
3.1 周期与位移
结构计算采用了平扭耦连的扭转效应的振型分解反应谱法。如表3所示, 1塔模型前两个振型分别为沿Y或沿X方向的平动, 第三振型为扭转振型, 结构第一扭转周期与第一、第二平动周期之比满足规范要求。在风荷载、地震作用下, 结构层间位移满足规范要求的1/800要求, 结构在风荷载作用下位移小于地震荷载作用下的位移, 地震作用对结构侧移起控制作用。结构的楼层最大层间位移 (或最大水平位移) 与平均层间位移 (或平均位移) 之比的最大值为1.26, 小于规范要求的上限值1.4, 满足设计要求。
3.2 刚度比分析
如图2, 图3所示, 计算结果表明, 各层的侧向刚度比大于相邻上一层的70%, 或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者, 刚度比均满足要求。
从刚度曲线及刚度比曲线可看出刚度比在楼层12、楼层23有突变, 这是由于这两层层高变化所引起的。楼层4刚度比在0.3~0.4之间, 满足地下一层嵌固部位的要求。结构刚度比均满足规范要求。
3.3 层剪力和层受剪承载力
当整体计算时, 由于多塔结构在底盘上一层的平面布置有剧烈变化, 曲线突然收进, 说明塔楼与底盘的结合部结构竖向刚度和承载力发生突变, 形成薄弱部位。对于单塔计算, 楼层剪力曲线基本光滑, 无明显突变, 说明塔楼的竖向刚度变化比较均匀。同时结构的本层与上一层的抗剪承载力之比均能满足大于0.75的要求, 见图4。
4 中震, 大震计算
中震作用下的屈服控制要求:竖向构件SE<Ry, 次要及耗能构件不出现剪切屈服, 不宜出现弯曲屈服。通过加大底部加强区的剪力墙厚度和柱的截面, 验算构件强度, 满足要求。最大层间位移角1/395, 满足要求。弹性计算下, 其转换桁架无超筋出现, 即构件满足要求。高层建筑风荷载影响很大, 对于中震弹性计算, 风荷载不计入荷载组合。对于转换柱, 斜撑这些重要的构件在小震计算时各种调整措施对计算结果放大显著, 所以中震计算结果依然满足要求。大震计算所得到的X和Y向的需求层间位移角分别为1/166和1/241, 均未超过规范规定的限值1/100, 罕遇地震作用下结构的变形验算满足规范要求, 说明结构在罕遇地震作用下具有一定的倒塌能力, 结构的抗震性能满足抗震设防要求。
5 结构设计采取的技术措施
1) 人字撑转换桁架的柱、斜撑、梁均采用型钢混凝土, 使整个体系具有很好的延性, 防止结构产生脆性破坏。柱、斜撑采用中震弹性电算结果配筋。作为主要传力构件的斜撑尺寸为1 200 mm×1 200 mm, 翼缘钢板厚45 mm, 腹板厚35 mm。2) 人字撑上部节点, 中部节点处的翼缘之间连接均做了圆弧处理, 可有效避免应力集中, 实现强节点弱杆件的设计理念。3) 细腰形平面凹进部分占其相应投影方向总尺寸的49%, 小于限制50%。细腰部分的梁、板都要予以加强, 以增加抗扭能力;塔楼两侧悬挑部分长度5.8 m, 采取密肋挑予以加强, 挑梁根部受拉纵筋放大1.5倍, 箍筋全长加密。4) 为减轻结构自重、减小地震作用所采取的措施:框架柱采用型钢混凝土柱, 隔断墙采用轻质材料。5) 结构的刚度与地震力作用下的位移控制措施:现在计算结果表明结构在地震力作用下弹性阶段的层间位移为1/859, 小于规范1/800的限制要求。按照高规3.2.2条“对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑, 其基本风压应按100年重现期的风压值采用”, 因此本工程基本风压为0.60 k N/m2, 其位移限值由风荷载控制。验算结果风荷载下的弹性层间位移远小于规范1/800和1/1 000的限制要求。6) 提高混合结构延性的措施:框架柱采用延性与承载力均较好的型钢混凝土柱。加高塔楼边梁, 并加强构造措施。7) 转换层楼板加强措施。1层~3层局部楼板加厚至200 mm, 提高楼板的配筋率, 配双层双向配筋, 转换桁架与核心筒之间的板加配斜向钢筋。
6 结语
本工程结构布置通过调整力求简单、规则;刚度较为均匀, 采用了抗火性能较好、抗震能力得到加强的、延性性能得到改善的结构体系。通过多种电算软件计算, 结构在地震作用下的变形符合“高规”的限制要求。在进行构件的核算时有安全储备。通过采取相应的性能化设计和构造措施, 结构的延性也是有保证的。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.高层建筑混合结构关键技术研究[R].2009.
[2]JGJ 3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[3]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].
钢骨混凝土在地震区的应用概述 篇7
关键词：钢骨混凝土,抗震性能,延性,地震区
0 引言
近年来,我国的土木工程结构朝着大跨、重载、高耸和承受恶劣条件的方向发展,这无疑推动了一批新型结构的出现。在这些新型结构中,一种与传统的普通混凝土不同的钢骨混凝土广泛使用,因此对钢骨混凝土的研究也必将受到越来越多的重视。
1 钢骨混凝土的定义[1]
钢骨混凝土结构(Steel Reinforced Concrete)是指在钢筋混凝土内部配置钢骨的组合结构,简称SRC结构。埋置的钢骨可分为实腹式和空腹式,实腹式可由型钢或钢板焊成,空腹式则由缀板、缀条连接角钢、槽钢组成。空腹式在日本和前苏联都曾大量使用,但制作费用高。实腹式制作简便、承载力大,近年日本和西方国家普遍使用。
2 钢骨混凝土的特点及应用[2]
由于混凝土中配置了钢骨,使得钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能都得以充分的发挥,所以SRC结构在具备钢与混凝土组合结构节约钢材、提高混凝土利用率、降低造价、抗震性能好、施工方便等优点的同时还具有良好的防火、耐腐蚀性能。在SRC结构中,钢骨与高强混凝土之间相互约束,使各自的强度得到了提高,增加了结构和构件的延性,从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性,增加了结构及构件的抗震性能。与钢筋混凝土结构相比,由于配置了钢骨,使构件的承载力大大提高,从而有效地减小了梁柱截面尺寸,尤其是抗剪承载力提高和延性加大,可显著改善抗震性能;与钢结构相比,钢骨混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,提高构件的整体刚度,显著改善钢构件平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥
基于钢骨混凝土的优点,其应用范围很广,目前主要在以下工程领域应用:桥梁工程、高层建筑、混凝土制品、水利水电工程、港口和海洋工程、隧道及地铁结构工程,以及诸如矿井、军事防护等其他工程。
3 钢骨混凝土在地震区使用时的研究
3.1 钢骨混凝土在国内外的研究[3]
日本建筑学会SRC结构分会于1958年制定了以累加强度为基本体系的SRC结构规范,1963年做了第一次修订。1975年以确保SRC构件的延性为目的对SRC规范进行了第二次修订。日本建筑学会于1987年对SRC结构规范进行了第三次修订,修订后的SRC规范由允许应力设计法和极限状态设计法两部分组成。日本建筑中短柱应用较为广泛,因而很少研究长柱。近年日本学者针对实腹式SRC构件进行了大量低周往复加载的试验研究。日本建筑学会经过四次修订,于2001年形成了新的钢骨混凝土结构设计规范。
1951年前苏联电力建设部出版了SRC结构设计规范,该规范是以空腹式钢骨的梁和柱及框架结构为主要对象的设计规范,没有设置箍筋和钢筋。1978年前苏联又出版了“劲性混凝土结构设计指南CN3-78”,这是由前苏联混凝土结构研究所编制,该规范与1951年规范有较大的不同,这次实腹式钢骨混凝土结构为主要内容,它强调必须设置纵向钢筋和箍筋,它反映前苏联在SRC结构方面的研究成果和应用实践。
20世纪50年代初,我国从苏联引进SRC结构。20世纪60年代后由于钢材紧缺而停止了SRC结构的使用。20世纪80年代后,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC结构又一次在我国兴起。在我国,西安建筑科技大学在1985年和1986年分两批进行了32个钢骨混凝土短柱抗震性能的试验研究,1989年又进行了12根内含工字钢的钢骨混凝土柱的试验,进行了非线性全过程分析[4]。此外,其他科研单位,如中国建筑科学研究院、清华大学和东南大学等也对钢骨混凝土结构进行了开拓性的研究工作,并取得了较多的研究成果。近些年,赵世春进行了23根钢骨混凝土柱和3根混凝土柱在单调及往复循环荷载作用下的试验,结果发现,钢骨混凝土柱的破坏形式不同于混凝土柱,其具有较强的抗震能力。贾金青利用14根剪跨比为2.0的试件对钢骨高强混凝土短柱的抗震性能进行了试验研究,表明试件的延性随轴压比的增大而降低,配箍率高的试件其延性变形能力和承载能力也较大,并提出满足一定延性的钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值。李俊华进行了23个钢骨高强混凝土柱的低周反复加载试验,结果表明,在最大水平荷载后,不管承载力衰减的快慢,其滞回曲线都基本上收敛于工字钢纯钢柱的滞回曲线,体现了钢骨混凝土优越的抗震性能。
3.2 影响钢骨混凝土抗震性能的因素[5,6]
1)剪跨比的影响,一方面剪跨比对柱的破坏形态具有显著影响,随着剪跨比由小变大,钢骨混凝土柱会发生剪切斜压破坏、剪切粘结破坏和弯曲型破坏,破坏时,延性随着剪跨比的增大而提高。另一方面,剪跨比也影响柱的抗剪承载力,一般抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小,但是当剪跨比大于一定的值时,剪跨比对承载力的影响将不明显。
2)轴压比的影响,已有的试验结果表明,在水平荷载下,柱的变形能力随轴压比的增大而减小,在高轴压比的情况下,延性和耗能能力降低明显。因此,为保证钢骨高强混凝土柱具有较好的延性和耗能性能,需对其轴压比大小进行限制。但是究竟应该将轴压比限制在何种水平,这需要进行理论和试验研究后才能确定。
3)配箍率和箍筋形式的影响,钢筋混凝土柱在相同轴压比的情况下,位移延性系数随配箍率的提高而增大。根据已有的试验,钢骨混凝土柱的位移延性系数也随配箍率的提高而增大,因此配箍率对钢骨混凝土柱的抗震性能具有一定的影响。螺旋箍筋和复合箍筋能对核心混凝土提供更强的约束,因此采用螺旋箍筋和复合箍筋的构件的延性系数更高,抗震性能更好。
4)含钢量的影响,钢骨的含钢量是指内埋钢骨面积与构件全截面面积之比。已有的试验结果表明,用钢量越大的钢骨混凝土柱,其抗震性能越好。但是,钢骨混凝土柱的含钢量也要有一定的限制。各国对钢骨混凝土构件中的用钢量均有所规定,美国钢结构学会规定钢骨混凝土构件中的用钢量不得小于4.0%,否则按钢筋混凝土构件计算;日本规范则将8.0%作为钢骨混凝土构件中用钢量的上限。从我国的工程应用来看,用钢量的浮动范围较大,从2.5%～7.0%不等。
5)混凝土强度的影响,混凝土强度对柱的抗震性能有显著影响随着混凝土强度等级的增加其立方体抗压的峰值应变大而极限应变小,应力—应变曲线的下降段陡,脆性性质明显。因此,随着混凝土强度的提高,钢骨混凝土柱的延性越来越小,抗震性能越来越差。
3.3 钢骨混凝土抗震性能研究存在的问题
1)由于成本以及试验条件等原因,目前针对钢骨混凝土整体结构的试验研究还很少,并且针对该类构件和结构的恢复力模型也多是借鉴了钢筋混凝土结构的恢复力模型。因此有必要研究该类构件和结构的恢复力模型,尤其是双向地震作用下结构和构件的恢复力模型。
2)在结构体系方面,实际工程中往往要求部分采用钢骨混凝土构件,部分采用钢筋混凝土构件或钢构件的混合体系,这就必须了解这种混合体系的工作行为,解决好不同性质构件的连接过渡。
3)研究表明,钢骨混凝土构件在承受80%极限荷载之后,钢骨和混凝土之间将产生较大的相对滑移,变形不能协调一致,因此有必要研究该类构件在地震荷载作用下的粘结滑移问题,并建立相应的粘结—滑移分析模型。
4)在地震荷载作用下,节点的受力状态非常复杂,处于压弯剪扭复合受力状态,但目前对钢骨混凝土梁柱构件节点所进行的试验不够,应加强这一方面的研究。
5)混凝土强度对柱的抗震性能有显著影响,但是到目前为止,对钢骨高强混凝土柱的研究却并不多见,已有的成果也只是集中在混凝土强度等级为C60和C70的钢骨混凝土柱,对混凝土强度更高(如C80)的钢骨混凝土柱的研究则还很少。
4 结语
钢骨混凝土具有较好的抗震性能,但钢骨混凝土的抗震性能中的很多问题还没有研究清楚,如何在地震区合理使用钢骨混凝土是今后工程领域的一个研究方向
参考文献
[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2004.
[2]薛建阳.钢与混凝土组合结构[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.
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[6]贾金青.钢骨高强混凝土短柱及高强混凝土短柱力学性能的研究[D].大连:大连理工大学,2000.
钢骨再生混凝土 篇8
1 工程概况
某工程总建筑面积36 193 m2,地下3层(局部夹层)、地上8层。地下部分梁板结构标高有-13.550、-12.550、-8.600、-7.550、-5.600、-3.950、-3.600、-0.100 mm。其平面中心部分自-8.600～11.450 m为1 300多人的半地下式剧场,剧场上空转换桁架承托3～8层结构,该建筑可谓“空中楼阁”。主体结构采用四角钢筋混凝土筒体(平面尺寸7 100 mm×9 400 mm)+劲性钢骨结构柱(H型钢十字钢骨)+现浇钢筋混凝土梁,结构抗震等级为特一级。劲性钢骨结构柱[3]如图1所示。
2 典型节点形式
本工程钢结构构件截面种类及连接节点类型多,节点构造复杂。组合节点[4,5,6]类型主要有:埋入式型钢混凝土柱柱墩柱脚节点、十字劲性柱与钢筋混凝土梁连接节点、十字劲性柱与转换桁架箱梁连接节点、一层看台十字劲性柱及钢筋混凝土柱与双向斜箱梁连接节点、钢箱梁、H型钢梁与钢筋混凝土墙、悬挑梁连接节点、十字劲性柱、箱形柱与H型钢梁连接节点、十字劲性柱钢骨变截面节点及与箱形柱连接节点、屈曲支撑与框架梁柱连接节点等。本工程十字钢骨断面分为A、B、C、D四种类型,如图2所示。
2.1 柱墩节点
设计文件要求十字钢骨生根于基础底板上,采用型钢混凝土柱埋入式柱脚。钢骨植入底板的深度不一,钢骨柱柱坑几何尺寸多种,为保证埋入式柱脚空间定位准确,在考虑型钢混凝土柱纵筋、基础底板3～4层配筋网片与柱墩和柱脚相交的基础上,合理确定第一节柱柱脚高度,从而确定下部柱墩构造做法,满足承载要求,以A型钢骨为例,柱墩做法如图3所
第一步将柱墩放在柱坑防水保护层上,用全站仪准确控制其平面定位及标高,并在柱墩四周采用固定措施,防止浇筑混凝土时柱墩位移,以致造成地脚螺栓空间定位不准确,安装允许偏差±2 mm。柱墩安装完成后,进行第一次混凝土浇筑。浇筑完成情况如图4所示。
2.2 十字劲性柱柱脚节点
柱脚截面形式为十字形,1 000 mm×1 000 mm钢骨和40 mm(厚)×600 mm(宽)柱翼缘板自下而上按照竖向@200布置栓钉3列,通过柱底板与柱墩上预埋地脚螺栓相连,见图5所示。用全站仪、经纬仪、钢尺等测量仪器将柱身校正后,将钢垫板与柱底板焊牢,完成地脚螺栓拧紧,用C40高强灌浆料灌注密实。
原设计钢骨四周密布HRB400级Φ32钢筋,并将钢筋底部做成300长90°弯钩,锚入第一次浇筑混凝土的柱墩四周,因柱底板平面尺寸为1 300 mm×1 300 mm,而柱断面为1 400 mm×1 400 mm,考虑劲性钢骨柱钢筋保护层、箍筋、纵筋尺寸,柱纵筋与柱底板平面定位相冲突,又因基础底板1 500 mm厚大于钢筋在基础底板的锚固长度,故将柱纵筋改为不穿柱底板,只穿柱脚上用于与基础底板上、下层铁相连的连接板,而直接做成直条下插至柱底板上,如图6所示。
2.3 十字劲性柱与钢筋混凝土梁连接节点
根据结构设计施工图、参照钢结构设计规范[3]、高层民用建筑钢结构技术规程[2]、型钢混凝土组合结构构造[5]、钢结构焊接规范[7]、型钢混凝土钢筋排布及构造详图[8]等相关技术资料,提出了柱钢骨与钢筋混凝土梁钢筋连接节点做法有:部分梁钢筋穿钢骨腹板、梁钢筋同穿翼缘板与腹板、钢筋在翼缘板外侧绕过、在钢骨翼缘板上焊接钢筋连接器或钢筋连接板、梁钢筋直接锚入钢骨柱等,通过建设单位、总包单位与原设计单位、钢结构分包单位等相关单位协商,确定十字劲性柱与钢筋混凝土梁连接节点钢结构深化设计的原则如下:
1)如图7所示,当钢筋混凝土梁宽度大于劲性柱钢骨宽度时,以钢筋直接从柱钢骨两侧通过为主,其次选择梁钢筋与钢筋连接板焊接,再次,布置梁钢筋穿十字柱腹板。
2)当钢筋混凝土梁宽度不大于劲性柱钢骨宽度时,梁钢筋通过柱钢骨困难,采取下列做法:
①如图8所示,因钢骨A、B、C、D均为十字形,正腹板位置可以布柱纵筋,但不能布梁纵筋,所以,钢骨柱腹板两侧布筋对称,不能出现奇数。当梁钢筋上铁根数≤4时,中间两根采取在钢骨上加焊钢筋连接板,采用钢筋与连接板双面焊≥5d(d为被焊接梁纵筋直径),另外两根采取穿过腹板或腹板与翼缘板同穿,梁下铁钢筋全部焊接在钢筋连接板上;梁两侧抗扭钢筋和d≥14 mm的构造钢筋与焊接在柱钢骨上的连接板单面焊10d,d<14 mm的构造钢筋直锚入柱。
②当梁钢筋上铁根数>4,且上铁布置为一排时。中间两根钢筋焊接在连接板上,外侧两根穿过钢骨翼缘板,根据钢筋抗震锚固长度计算结果决定是否穿腹板,依次向外的钢筋采取与连接板焊接、做90°弯钩或在翼缘板两侧直锚入柱等。
③当梁钢筋上铁根数>4,且上铁布置为二排时,第一排铁2根穿过翼缘板、腹板,其余与连接板焊接或从翼缘板两侧过,直锚入柱;第二排铁两侧钢筋外皮尺寸+70 mm≤翼缘板宽度时,在翼缘板上开两侧钢筋穿筋孔,其余二排铁需与连接板下皮仰焊;第二排铁两侧钢筋外皮尺寸+70 mm>翼缘板宽度时,在翼缘板两侧钢筋绕过,其余二排铁需与连接板下皮焊接。
2.4 十字劲性柱与转换桁架箱梁连接节点
为实现跨度39.6 m、高20 m的大空间,设计采用了劲性钢骨柱(十字钢骨外包钢筋混凝土)支撑5m高连续梁式转换桁架结构,每榀桁架设有两个主支座,在每个主支座外侧均设有副支座,如图9和图10所示。
相邻主支座两两一组,每组主支座间用600 mm厚设有3层钢筋网片的剪力墙连接,以确保结构安全。为此,十字劲性柱与转换桁架结点处,既要考虑钢骨柱纵向钢筋、柱箍筋布置、剪力墙水平筋入柱锚固长度,又要考虑主桁架箱梁与钢骨柱可靠连接,还要考虑混凝土浇筑密实问题。在钢构件设计方面,我们根据原设计节点要求、构件加工工艺及现场500 t·m塔吊工作性能,使用Tekla软件将节点建模深化,为实现1 000mm×1 000 mm(A型)钢骨柱与主桁架下弦800 mm×800 mm×36 mm及斜支撑杆的可靠连接,准确确定十字劲性柱钢骨翼缘板与桁架下弦、斜支撑杆件相交线,在十字柱内对正水平相交线的位置增设36 mm厚加强肋板,十字柱外侧增加水平、竖向连接板,在水平及竖向连接板上焊接40 mm厚钢板,形成十字柱外钢板抱箍,在抱箍上焊接桁架下弦及斜撑杆的牛腿。其次,在钢筋深化设计方面,根据钢构件深化思路,充分考虑钢筋加工、安装空间及先后顺序,我们准确绘制竖向钢筋平面定位图、水平钢筋竖向定位图,根据空间关系,在钢钢构件上开相应位置、孔径的穿筋孔,在钢板抱箍高度范围内,取消柱箍筋,十字柱腹板上不设八边箍筋穿筋孔,抱箍内断面与劲性钢骨柱断面同。在混凝土浇筑方面,除采用自密实混凝土外,在十字柱内肋板上分4个区分别开1个Φ150 mm通气兼浇筑孔,见图11所示。抱箍靠剪力墙一侧采取开矩形方孔为主,以方便混凝土浇筑,确保墙柱混凝土形成整体。
2.5 一层看台十字劲性柱及钢筋混凝土柱与双向斜箱梁连接节点
一层钢筋混凝土看台板由斜向及水平钢箱梁承托。斜向钢箱梁生根于十字劲性柱、钢筋混凝土柱和剪力墙上。为减小柱的偏心受力,设计采用柱墙两侧设双向斜箱梁做法,如图12所示。斜箱梁与十字劲性柱节点采用柱钢骨翼缘板上直接做钢牛腿,并在十字柱钢骨内补强,在影响柱纵筋及箍筋位置预留穿筋孔。斜箱梁与钢筋混凝土柱连接节点则通过在钢筋混凝土柱上预留异型埋件实现。
2.6 钢箱梁、H型钢梁与钢筋混凝土墙、悬挑梁连接节点
主要是通过在钢筋混凝土构件上设置预埋件实现,如图13所示。
2.7 十字劲性柱、箱形柱与H型钢梁连接节点
对十字劲性柱主要是通过在柱内与H型钢梁上下翼缘板对正位置设加劲肋板,柱外侧焊接牛腿,并在柱牛腿上预留柱穿筋孔实现。对箱形柱与H型钢梁节点主要采用柱内设加劲肋,外侧设钢牛腿,当柱两侧H型钢梁高度不一致时,在柱外侧靠近翼缘板部位设置斜向牛腿翼缘板。如图14所示为箱形柱与H型钢梁连接节点图。
2.8 十字劲性钢骨变截面节点及与箱形柱连接节点
本工程在3层顶部位竖向钢骨发生变化,由A型钢骨变为C形钢骨,劲性柱断面由1 400 mm×1 400 mm变为1 000 mm×1 000 mm,相应柱纵筋位置发生变化,须将4层柱钢筋下插至设计要求深度,在柱牛腿上下翼缘板上需重新预留穿筋孔,并进行焊接钢板补强;柱牛腿腹板上箍筋穿筋孔须相应变为2列,以满足两种断面类型需要,如图15所示。
本工程在3、5层顶部位竖向构件发生变化,由钢骨混凝土柱变为箱形钢柱,在变截面处采用楼层标高以下将十字柱翼缘板厚度不变,宽度加大至箱形柱宽,箱形柱内对正梁翼缘板位置设加劲肋做法,如图16所示。
3 结语
由于组合结构涉及钢结构、钢筋混凝土结构、水电分包等多单位施工,为突破钢骨穿筋问题,在钢结构深化设计阶段,土建专业须对钢结构深化设计时进行钢筋加工、安装工序详细交底,以便深化设计时预留穿筋孔、钢筋连接板,并充分考虑混凝土浇筑,提前在钢结构构件上预留混凝土浇筑孔,避免漏孔和错孔现象发生。本工程在深化设计阶段,通过对设计施工图认真分析,并结合标准学习,建设单位组织原设计单位、施工单位、钢构分包单位设计师深入现场,集体办公,有效地保证了深化设计图纸准确、高效,使施工按照约定的顺序得以进行,满足现场需要,减少施工难度,提高作业效率,增长自身知识,丰富施工管理经验。
参考文献
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