大跨度钢_混凝土楼板组合结构设计探讨.docx

1、图 1大跨度钢-混凝土楼板组合结构设计探讨骆 萍陈 静（浙江杭萧钢构股份有限公司 浙江 杭州310003）摘要：本文根据某室内 31m 大跨度屋面的结构设计，详细介绍了型钢-混凝土楼板组合结构的受力分析、构造节点做法以及施工过程应注意的主要问题，并探讨了该屋面结构体系用于大跨度屋面的可行性。关键词：大跨度；型钢-混凝土楼板组合结构；受力分析；构造节点中图分类号：TU398.9文献标识码：B文章编号：1674-3954（2013）24-0065-02的应力有所提高。当考虑永久荷载的长期影响，设计中近似的方法是将考虑长期荷载效应的弹性模量比值改为 2E，再进行钢与混凝土截面的 换算。使用阶段的组合

2、梁须进行挠度验算。组合梁的挠度，应按荷载的短期效应组合，并考虑永久荷载的长期作用的影响，满足钢结构规范GB50017-2003的相关规定。本工程组合梁跨度较大，为改善外观和符合使用条件要求，根据钢结构规范第 3.5.3 规定，对钢梁进行预先起拱， 一般起拱度为恒载标准值加 1/2 活载标准值所产生的挠度值，但考虑到 本工程组合梁以恒载作用为主，为保证结构安全，计算起拱值取 1/500L即 62mm，则计算求得实际产生的跨中挠度为 111.12-62=49.12mm，可满 足规范规定的挠度容许值。简支组合梁在使用阶段（混凝土凝固之后），由于混凝土板能阻止组 合梁的钢梁受压翼缘的侧向位移，故不需计

3、算简支组合梁的整体稳定性，但需计算简支组合梁在使用阶段的钢梁腹板局部稳定性。为保证梁腹板的稳定，可沿腹板全高设置横向加劲肋进行加强。本工程钢梁在集1 工程概况该工程为一栋地下 2 层，地上 22 层的高档写字楼，其中一、二层为裙房，做为商业及会所用途。根据建筑使用功能的要求，裙楼屋面设置了一个标准室内游泳池，其要求具有 31m 跨度的大空间，因此，游泳池平屋 面采用何种结构型式，是此部分结构设计的重点。设计人员考虑并对比 分析了普钢结构、预应力混凝土梁结构、型钢混凝土梁结构及钢-混凝土 楼板组合结构等几种屋面结构体系，最终，根据建筑单位要求，游泳池屋 面采用了钢-混凝土楼板组合结构。2 屋面钢

4、-混凝土楼板组合结构的设计大跨度钢梁的受力分析，组合梁与支撑柱的连接形式及钢梁的制作、吊装和拼接节点的设计等内容是此部分结构设计的重点及难点，具体阐述如下：2.1 31m 跨度钢梁的受力分析因本工程的钢梁板件宽厚比较大且组合截面中和轴在钢梁腹板内通过，组合梁截面应力按弹性状态计算。组合梁的受力可分为以下三个阶段：阶段一：施工阶段一（设置临时支撑时）。考虑到钢梁的跨度较大，且施工过程中上面的钢筋混凝土板的作用尚未能发挥，因此施工时在钢梁下约 1/3 梁跨处分别设置两个可靠的刚 性临时支撑，待屋面现浇混凝土楼板达到 100%设计强度后再拆除。此阶 段内钢梁受力可按两端简支三跨连续梁考虑，此时荷载考

5、虑钢梁自重、 模板重和现浇混凝土板重量，称为第一受力阶段的恒载，连同本阶段的 施工活荷载，全部由纯钢梁截面承受，并计算其内力、挠度及稳定性。因 本工程刚性临时支撑的设计轴力达到 1050kN，为避免额外的增加下层 楼面梁的荷载，将临时支撑设置在下层柱顶上，从而降低了工程的造价。 此时，钢梁在屋面荷载作用下出现初始变形。阶段二：施工阶段二（临时支撑撤掉时）。当屋面现浇混凝土楼板达到 100%设计强度时，撤掉两个临时支撑， 此时应把原临时支撑的反力反向作为续加荷载作用在组合梁上，并计算其内力及变形。此阶段内钢梁受力按单跨简支梁考虑，该集中力产生的内力由钢梁与混凝土板共同作用的组合梁截面承受。此时，

6、须分别验算钢梁的应力及混凝土板的应力，当计算组合截面中钢梁的应力时，可将 混凝土板的计算宽度除以钢与混凝土的弹性模量比值 E 换算成钢截 面，当计算混凝土板的应力时，应将钢梁截面乘以 E 换算成混凝土截面，计算组合梁的截面特征。组合梁在施工阶段（混凝土凝固之前），应验算其整体稳定性。为提高钢梁的稳定承载能力，其端部支承处应采取相应的措施，以防止其端部截面的扭转。当钢梁工字型截面受压翼缘的自由长度和宽度的比值不超过规范要求的数值时，可不计算组合梁的整体稳定性，因此，在施工过 程可采用加设侧向支承的方式，来保证钢梁的整体稳定，安装就位的次梁也可起到相同的作用。阶段三：使用阶段。楼板（包括主梁支座后

7、浇区）混凝土达到强度设计值以后为正常使 用状态阶段。此时，荷载考虑饰面层、找平层、防水层和吊顶等，称为第二 受力阶段的恒载。使用阶段的可变荷载称为第二受力阶段的可变荷载。 使用阶段的组合梁按第一受力阶段的恒载及第二受力阶段的恒载和可 变荷载进行截面计算。由于混凝土徐变的影响，组合梁在永久荷载的作用下，一部分的荷载转移给钢梁承受，即混凝土板的应力有所降低，钢梁中力处设置支承加劲肋，并按构造配置横向加劲肋，加劲肋间距为 1.2h 。0根据以上各阶段的分析计算，本工程屋面型钢-混凝土组合梁截面见图 1。计算所得应力及变形如下：钢梁下翼缘的拉应力 =186.1N/mm2 =295N/mme，满足要求；

8、w钢梁腹板的剪切应力 =31.6N/mm2w=170N/mm2，满足要求；混凝土板上翼缘的压应力 =9.12N/mm2 =19.1N/mm2，满足要求；c考虑起拱度后的跨中挠度 f=49.12mmT=1/400L=77.5mm，满足要 求。22 组合梁与钢筋混凝土支承柱的连接因梁跨较大，组合梁与支承柱若采用刚性连接，将会在柱顶产生一 较大的弯矩，单纯的混凝土柱的强度较难满足，因此，本工程中采用将钢 梁支承于混凝土柱顶的铰接连接方法，以避免原混凝土框架结构受力复杂化。梁柱节点的具体构造见图 2、3。此节点须进行柱顶混凝土支座局压65图 2图 3规划与设计中华民居 2013 年 8 月的验算，并采

9、取相应的构造措施。使用阶段节点受到的水平荷载则通过设置锚栓来解决。钼防锈处理，且处理后的抗滑移系数 不小于 0.50，高强螺栓紧固力为225kN。高强度螺栓连接副在运输、保管、安装中应采取措施防止弄胀、损伤螺纹。高强度螺栓连接处摩擦面应注意保护，防止污染并保持干燥，严禁作任何标记。高强度螺栓连接处施工完毕后，应按构件防锈要求涂刷防锈漆，螺栓及连接处周边用涂料封闭。其它几个需注意的问题（1）设计钢梁临时支撑时需考虑轴向压力作用下的压缩变形。（2）为承受钢与混凝土之间的纵向水平剪力及抵抗混凝土板与钢梁 之间掀起的情况，需在组合梁中设置抗剪连接件。抗剪连接件分为刚性连接件和柔性连接件两大类，本工程实

10、际采用圆柱头栓钉连接件2准22200，属柔性连接件。在正式焊接栓钉之前，为寻求合适的焊接条 件，应进行与现场条件相似的焊接试验，以确定焊接工艺参数。正式焊接 栓钉时，每 100 根中至少检查一根作冲击弯曲试验，弯曲的方向沿梁纵 轴指向梁端，弯曲角度为以栓钉竖轴为基准线的 15。（3）所有的钢结构构件须进行除锈、防腐与防火处理。本工程钢梁采用喷砂方式除锈，除锈等级为 Sa2.5。钢表面处理应达到无残留的氧化皮、锈痕及损伤钢材现象，表面洁净均匀，呈现金属光泽。本工程中钢梁的耐火极限要求不低于 2h，外露钢构件防锈与防火要求刷无机富锌底漆 两道（80m），环氧云铁中间漆一道，干漆膜总厚度100m。外

11、刷超薄 型防火涂料（涂料须经公安消防部门检验许可），其厚度应按构件耐火极 限的要求，根据标准耐火试验数据确定。（4）组合梁挠度变形的检测。本工程从施工阶段到正常使用阶段均委托相关的检测单位对钢梁的挠度变形进行全程的观测，根据实测资料，目前钢梁的跨中最大挠度约为 24.3mm，比计算结果 49.12mm 偏小， 且远小于规范规定的挠度容许值。4 结 语通过以上型钢-混凝土组合梁受力特点的分析，以及屋面型钢-混凝 土楼板组合结构的设计实践和相关的检测数据，对此结构体系有了一个初步的了解，应该来说，型钢-混凝土组合梁具有强度高、刚性大，以及良好的延性和耗能性能的特点，应用在大跨度的梁系结构中，是可行

12、的、经济的、合理的。3参考文献1 钢-混凝土组合结构设计规程DL/T-5085-1999.2 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001J130-2001.3刘维亚，主编. 型钢混凝土组合结构构造与计算手册.中国建筑工业出版社，2004，5.4宋曼华，主编. 钢结构设计与计算.机械工业出版社，2000，3.收稿日期：2013-6-9作者简介：陈 静（1979-），女，汉族，海南人，大学本科，毕业于武汉科技 大学，主要从事钢结构设计工作。骆 萍（1980-），女，汉族，浙江诸暨人，大学本科，毕业于浙江工业大 学，主要从事钢结构设计工作。为保证实际受力与计算假定相符合，确保梁端可自由转动，设

13、计要求混凝土楼板浇捣时须在梁端部预留出主梁支座后浇区，待混凝土楼板 达到设计强度，并撤去临时支撑，让钢梁自由变形完成后，再用高一级的 微膨胀混凝土浇捣后浇区。23 钢梁的制作、吊装及拼接节点的设计因本工程钢梁跨度达到 31m，为了方便施工，钢梁采用工厂分段制 作，现场拼接；根据受力情况、现场吊装及运输的条件，设计将钢梁分为10m、12m、8.5m 三段梁。各分段钢梁制作完成后，应在工厂内进行预拼 装；预拼装合格后，才能出厂进入现场施工；预拼装工程应符合验收规 范的规定。主梁每段设置 4 个吊点，梁段必须严格按照设计的吊装点进 行吊装，以避免在运输和吊装过程中产生过大变形。钢结构安装前，应对 安

14、装的测量矫正、高强度螺栓安装、焊接工艺等进行工艺试验或评定；并 在此基础上制定相应的施工工艺或方案。钢梁运输吊装时，对端部应采 用措施加以保护，以免损伤。运输、堆放和吊装等造成的钢构件变形及涂 层脱落，应进行矫正和修补。梁段的拼接节点按等强设计，节点所受的弯 距主要由上下翼缘的“K”型焊缝承受，腹板采用高强螺栓进行连接，承受 梁剪力。根据计算，本工程主梁翼缘焊缝采用坡口全熔透焊，焊缝质量等级为二级（实际主梁翼缘焊缝按 100%进行检测）；腹板采用的高强螺栓 连接为扭剪型高强度螺栓连接副，实际采用 120M24，性能等级为 10.9 级；高强度螺栓连接处构件摩擦面须采用喷砂处理，喷砂除锈后进行喷66