钢骨混凝土悬挑梁设计研究

2022-10-30

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高, 人们对建筑物的美观和功能要求也越来越高, 各种平面和立面不规则的高层建筑也越来越多地丰富着城市建设的内容, 这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识, 运用新的材料与结构, 配合建筑师, 设计出令人满意的建筑。型钢混凝土是结构师常用的结构形式之一。

型钢混凝土 (SRC) 结构是把型钢 (S) 置入钢筋混凝土 (RC) 中, 使型钢、钢筋 (纵筋和箍筋) 、混凝土二种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构。它是钢-混凝土组合结构的一种形式, 其截面组成特征是型钢混凝土的钢材全部被包在混凝土的内部, 型钢和钢筋骨架的外面有一层混凝土外壳。型钢混凝土结构具有承载力高、变形能力强、延性性能优越、简化现场施工、适合我国国情和综合经济效益好等优点。与钢结构相比, 型钢混凝土结构节约钢材达50%以上, 降低了造价。

1 项目概况

某6层框架结构建筑, 顶上三层为商用写字间, 开间为4.25米, 进深为6.2米, 底下三层为商场, 由于商场门厅设计需要, 抽梁断柱, 形成一根悬挑12米的大梁, 承受上部三层的荷载。框架立面结构形式如图1所示。根据《建筑结构荷载规范》, 取楼面活荷载为2.0 k N/m2, 楼面恒荷载5.7 k N/m 2, 抗震设防烈度为7度近震, 抗震设防类别为丙类, 场地类别为II类, 50年基本风压为0.4kN/m。采用全现浇钢筋混凝土结构, 见图1。

2 设计方案

在结构设计过程中选用何种方法直接影响后期施工难度, 也要考虑造价等因素, 对于该工程普通钢筋混凝土现浇楼盖来说, 有两种方法可以实现大悬挑的要求, 两种方法在该工程中可以得到有机的结合及使用。

方法一:采用普通钢筋混凝土悬挑梁, 截面高度直接按强度和刚度需要计算所得。但此方法常受到建筑立面制约, 悬挑梁高度有一定限制, 对于悬挑跨度和荷载均不太大时可以采纳, 其优点是设计简单, 施工也方便。

方法二:采用型钢混凝土梁 (也称钢骨混凝土梁) , 即在普通钢筋混凝土梁截面内加入型钢, 其抗弯承载力比相同截面钢筋混凝土构件要高出1倍以上, 而且依靠所配置钢骨的腹板承受剪力, 其抗剪承载力也大幅提高, 因此可有效减小构件的截面尺寸。对于较大悬挑距离的悬挑梁可采用此法, 此法优点是梁承载力高、刚度大、变形小。

对此结构进行初步设计, 混凝土C40, 钢骨选用Q345B级钢材, SRC梁截面的确定基于跨度确定, 悬挑梁截面为1500×700mm2, 钢骨的截面采用H型钢, 用钢量暂取8%, SRC柱截面的确定基于框架柱的轴压比的要求, 截面为900×700mm2, 钢骨的截面形式采用H型钢, 配钢量取为4.5%, 连梁截面尺寸600×800mm2, 钢骨的截面采用H型钢, 用钢量取为4.8%。采用PKPM软件对此框架进行初步设计, 作出弯距、剪力和轴力包络图、节点位移图等, 取出悬挑梁极其支撑部分, 进行优化设计, 计算流程如图2所示。

悬臂梁的截面形式、配筋率对悬臂端弯矩的影响很大, 截面大, 悬臂梁自重就大, 相应的弯矩就大;配筋率大, 悬臂梁的刚度大, 分配到的相应弯矩就大;截面小, 自重小, 但变形就可能过大。

对悬臂梁进行优化设计, 定义悬臂梁的高度、宽度、配钢率为优化变量, 高度变化范围为1.2m～1.5m, 宽度变化范围为0.5m～0.7m, 根据SRC结构最大最小配钢率, 配钢率的变化范围为5%～15%, 根据悬臂结构的位移限制确定最大位移值为0.0624m, 定义悬臂梁支撑处的弯矩为目标函数, 采用零阶方法进行优化计算。通过多次试算, 悬臂梁最佳梁高、梁宽、配钢率分别为1.2m, 0.5m, 7%, 见图2。