袁文健

摘 要：結(jié)合某工程實例，通過對大跨度建筑常用的幾種結(jié)構(gòu)形式的比較，突出勁性混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，簡述勁性混凝土結(jié)構(gòu)的設計要點。

關鍵詞：大跨建筑物;鋼梁;鋼筋混凝土樓蓋組合結(jié)構(gòu);預應力混凝土結(jié)構(gòu);勁性混凝土結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，大跨建筑物越來越多的出現(xiàn)在我們身邊，各種體育館、劇場、會議室、多功能廳等大跨建筑物如雨后春筍般的涌現(xiàn)出來，而大跨建筑物的結(jié)構(gòu)形式也是多種多樣，本文就勁性混凝土結(jié)構(gòu)在西安某中小學體育館項目中的應用做些探討。

一、工程概況

本工程為西安某中小學項目體育館，東西長124.4m，南北寬69.5m，結(jié)構(gòu)空間復雜，其中左側(cè)8-3～8-7軸與8-A～8-H軸所圍區(qū)域為層高11.2m的33.6x45.6m單層風雨操場，右側(cè)8-8～8-16軸與8-A～8-E軸所圍區(qū)域為層高7m的67.2x33.1m單層游泳館，風雨操場大屋面高出游泳館大屋面4.2m，風雨操場和游泳館大屋面均為學生活動場所，游泳館大屋面另起頂高11.5m的膜結(jié)構(gòu)，其下設置籃球場。

二、方案比選

本工程右側(cè)為游泳館，室內(nèi)環(huán)境潮濕，采用鋼結(jié)構(gòu)較為不利，鋼結(jié)構(gòu)后期維護成本較高，管理不便。同時平頂大屋面為學生活動場所，荷載較大，對屋面板舒適度要求較高，綜合考慮大屋面樓蓋結(jié)構(gòu)在勁性混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土預應力結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生。距本體育館東側(cè)十米左右為學校劇場，劇場大屋面跨度為32.6x38.5m，劇場大屋面主受力方向與右側(cè)較高的教學樓采用100mm抗震縫分開，由于體育館和劇場幾乎同時開建，三個大空間場館采用相同的結(jié)構(gòu)形式便于業(yè)主招標采購，方便現(xiàn)場管理施工，劇場大屋面主受力方向與東側(cè)教學樓之間沒有預應力結(jié)構(gòu)的張拉空間，且鋼筋混凝土預應力結(jié)構(gòu)施工工藝較復雜，初步確定本項目采用勁性混凝土結(jié)構(gòu)。

經(jīng)濟性方面，本工程選擇大跨鋼梁-鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)、勁性混凝土結(jié)構(gòu)和預應力混凝土結(jié)構(gòu)三個方案進行比較，為方便分析，本工程僅比較與大跨屋蓋結(jié)構(gòu)相關結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。大跨鋼梁-鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)方案為便于施工，采用單向密肋梁，梁間距2.8～3.2m，H型鋼梁截面H1400x500x28x34，混凝土板厚150mm，計算結(jié)果風雨操場鋼梁最大應力比0.85，最大撓度120mm，游泳館鋼梁最大應力比0.74，最大撓度104mm，均滿足要求;勁性混凝土結(jié)構(gòu)為便于施工，勁性混凝土梁僅沿大屋面短跨方向布置，勁性混凝土梁截面800x2200mm，鋼骨H1800x450x20x40，勁性混凝土梁配筋率0.9%左右，勁性混凝土柱1200x1200mm，鋼骨H800x650x30x40，風雨操場梁最大撓度108mm，游泳館最大撓度128mm，均滿足要求;預應力鋼筋混凝土方案僅沿大屋面短跨方向布置，梁截面尺寸800x2600mm，設6道預應力索3-12Φs15.2（140，280，140）+ 3-12Φs15.2（140，280，140）， 風雨操場梁最大撓度68mm，游泳館最大撓度76mm，均滿足要求。三種方案材料用量對比見表一。

由表一可以看出，方案三梁截面尺寸最大，梁高2600mm，對建筑層高影響最大，且施工工藝復雜，影響施工周期，優(yōu)點是造價相對較低;方案一梁高1400mm，加板厚1550mm，對建筑層高最有利，鋼結(jié)構(gòu)施工工藝簡單，但造價最高，且鋼結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境中易受腐蝕，后期存在維護管理難題，方案二梁高2200mm，介于方案一和方案三之間，造價較方案一下降很多，較方案三增加不多，雖然勁性混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝也比較復雜，但無后期養(yǎng)護問題。綜合比較，最終采用勁性混凝土結(jié)構(gòu)方案。

三、結(jié)構(gòu)設計

（一）基本條件

本工程為中小學體育館，采用局部帶大跨（風雨操場大屋面短跨33.6m，游泳館大屋面短跨33.1m，均大于18m）的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?？拐鹪O防烈度8度，設計基本地震加速度0.2g，設計地震分組第二組，建筑物場地類別第II類，本工程屬于重點設防類即乙類建筑，按8度對整體結(jié)構(gòu)進行地震作用計算，結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級按9度確定，抗震等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

（二）截面設計

本工程風雨操場勁性混凝土柱截面尺寸取1200x1200mm，鋼骨H800x650x30x40，游泳館勁性混凝土柱截面尺寸取1000x1200mm，鋼骨H800x600x30x40，大跨屋面短向勁性混凝土梁截面均為800x2200mm，鋼骨H1800x450x20x40，長向采用普通鋼筋混凝土梁，為平衡大跨梁柱頂彎矩，于有條件位置設置一跨小勁性混凝土梁，勁性混凝土柱混凝土強度等級C50，勁性混凝土梁及其余部位梁板柱混凝土強度等級均為C40，勁性混凝土柱自基礎通至大屋面，大屋面結(jié)構(gòu)布置示意見圖一、圖二。

（三）節(jié)點設計

勁性混凝土結(jié)構(gòu)設計難點在于節(jié)點設計，節(jié)點設計包括勁性混凝土柱的柱腳處理，勁性混凝土柱與勁性混凝土梁的連接，勁性混凝土柱與普通混凝土梁的連接，勁性混凝土梁與普通混凝土柱的連接，普通混凝土梁與勁性混凝土梁的連接等。

1、勁性混凝土柱柱腳采用埋入式柱腳，柱腳錨栓采用2Φ30，按鉸接設計，型鋼埋入混凝土深度按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010取2.5倍的型鋼長邊尺寸，該規(guī)定比《組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》JGJ138-2016規(guī)定的2.0倍型鋼長邊尺寸要嚴格，經(jīng)復核，型鋼柱腳埋入深度計算值遠小于規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造值。

2、勁性混凝土柱縱筋盡量設置在柱的四角，國標圖集《12SG904-1》規(guī)定角部縱筋根數(shù)不宜超過5根，本工程個別柱角部設置6根縱筋，勁性混凝土柱縱筋布置在柱的四角減少了柱筋穿過勁性混凝土梁型鋼上下翼緣的根數(shù)，降低了對梁型鋼的削弱。

3、由于勁性混凝土梁柱內(nèi)存在型鋼，型鋼外側(cè)混凝土相對較薄，對于鋼筋的握裹作用較弱，過薄的混凝土也會導致梁柱縱筋、箍筋的擺放困難，混凝土澆筑等難題，本工程控制勁性混凝土柱鋼骨外側(cè)混凝土厚度不小于200mm，勁性混凝土梁鋼骨上下側(cè)混凝土厚度200mm，兩側(cè)混凝土厚度175mm，較好的解決了以上問題。梁柱等構(gòu)件縱筋、箍筋需要穿過勁性混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)型鋼或錨固在型鋼翼緣上，為保證混凝土澆筑質(zhì)量，勁性混凝土結(jié)構(gòu)要求的鋼筋間距以及鋼筋與型鋼的間距較普通混凝土結(jié)構(gòu)為大，且縱筋最好單排布置，不應超過兩排，因此本工程勁性混凝土梁寬度取800mm，與勁性混凝土柱相連普通混凝土梁寬度控制在500～600mm，盡量保證鋼筋間距，方便混凝土澆筑。

4、勁性混凝土梁與勁性混凝土柱采用剛接，型鋼翼緣腹板均采用等強度焊接連接。

5、普通混凝土柱表面埋設鋼板與勁性混凝土梁連接，避免了梁型鋼進入節(jié)點內(nèi)造成的鋼筋布置問題。

6、普通混凝土梁與勁性混凝土梁連接方向為次要受力方向，其底部縱筋伸至型鋼腹板向上彎折5d，按非抗震構(gòu)造錨固，避免了在梁型鋼腹板上穿孔造成的削弱。

7、梁縱筋原則上盡可能繞型鋼穿過節(jié)點，無法繞過的穿柱型鋼腹板或用焊接套筒連接于柱型鋼翼緣上，焊接套筒對應位置均在柱型鋼上設置加勁板。梁縱筋穿過柱型鋼腹板時控制縱筋穿過根數(shù)和穿孔間距，盡量減少對柱型鋼的削弱。

四、結(jié)語

勁性混凝土結(jié)構(gòu)解決了鋼結(jié)構(gòu)需要定期維護、管理不便的難題，做到了普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達不到的跨度，相較于預應力混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸相對較小，施工工藝難度不大，成本增加也不多，有著較廣泛的應用前景。勁性混凝土結(jié)構(gòu)難點在于節(jié)點設計、施工，由于混凝土內(nèi)包裹有型鋼和鋼筋兩種材料，為保證鋼筋之間、鋼筋與型鋼之間的間距，確?；炷翝仓|(zhì)量，勁性混凝土梁、柱以及與勁性混凝土梁、柱相連的普通混凝土梁的截面尺寸應留有充足的余地，型鋼外側(cè)的混凝土厚度也應充分考慮，本工程個別勁性混凝土構(gòu)件梁柱縱筋排布略顯緊張，后續(xù)類似工程需多加注意。