浅谈型钢混凝土梁的设计

蔡望

摘要:本文首先简述了型钢混凝土结构在我国的发展应用情况以及其优缺点和型钢混凝土梁计算的方法，接着通过具体的工程实例，介绍了型钢混凝土梁在大跨度结构中运用要点，提出了一些型钢混凝土梁设计的建议。

关键词:大跨度结构;型钢混凝土梁;挠度

0引言

随着经济的发展，人们对建筑建筑的功能要求日益增加，复杂的建筑功能也促使大跨度结构也不断涌现。型钢混凝土梁，具有构件承载能力高、抗震性能好、在挠度和裂縫控制中相较普通混凝土梁具有明显的优势；与钢结构构件相比较，约比全钢结构节约钢材1/3左右，造价降低较多且后期维护费较低、耐火性能较好，因而得到广泛使用；但型钢梁柱节点复杂、构造要求较多，需现场吊装、混凝土浇筑复杂，对设计和施工都提出了较高的要求，笔者结合设计经验，对工程中常用的型钢混凝土梁，从设计的角度进行简要探讨。

1型钢混凝土梁的结构类型

型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete，简称 SRC)结构是以型钢为骨架并在型钢周围配置钢筋和浇筑混凝土的埋入式组合结构体系。早年美国及日本为了解决钢结构建筑的耐火、耐久性以及避免受压屈曲，在静载中取得一定的效果；在日本关东大地震采用钢结构外包钢筋混凝土的建筑 (中日本兴业银行大楼）没有震害，SRC结构良好的抗震性得以确认，以后再经过多次大地震害调查, 又进一步证实实腹式型钢的结构(SRC结构)的抗震性能是优越的[1]。

目前SRC结构构件在各种结构体系中的，一般是部分或全部采用型钢（钢管）混凝土柱、型钢混凝土梁组成的结构，在现行的《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）中统称组合结构。型钢混凝土结构根据内部配钢形式的不同分为实腹式和空腹式两大类。实腹式型钢通常采用由钢板焊接拼制成或直接轧制而成的工字型、H 型、口字型、十字型截面等；空腹式型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢构成空间桁架式骨架。由于空腹式型钢梁比较节约用钢，但制作费用较高，抗震性能较差，施工麻烦，实际工程中应用较少。

2型钢梁的承载力的计算

目前对于实腹式型钢混凝土梁抗弯承载力的计算方法，国内外主要采用折算刚度法、极限平衡理论法、叠加法；我国的现行规范中《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）采用的是考虑型钢应力分布的影响后，按钢筋混凝土梁的设计方法计算的极限平衡理论法；《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082—2006）型钢部分和混凝土部分的承载力分别计算后的叠加法。《钢骨混凝土结构设计规程》将 SRC分为钢结构部分和混凝土部分并分别计算, 计算结果为实际承载能力下限值, 偏于保守, 而且对不对称截面计算精度不高。但计算方便简单, 适合于截面估算和截面试设计。

《组合结构设计规范》：采用钢筋混凝土计算理论, 考虑到构件受力后期粘结失效的客观存在；钢骨与混凝土变形协调,通过构件内平衡方程求解构件承载力。在承载力计算中,公式较为复杂,适合于已知各配筋条件的承载力验算,而已知内力求配筋则计算复杂。刚度计算采用钢筋混凝土与型钢钢骨两部分刚度叠加的方法,与《钢骨规程》相近,计算公式稍有差异。两部规范都主要针对比较规则、常见的实腹式截面形式。由于空腹式截面抗震性能较差，在实际设计中较少采用，两部规范也没有给出空腹式截面的计算方法。

3型钢梁的挠度的计算

我国现行的《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）中5.4.2条，当型钢混凝土框架梁的纵向受拉钢筋配筋率为0.3%～1.5%范围时，其荷载短期效应和长期效应组合作用下的短期刚度和考虑长期作用影响的长期刚度，计算公式如下：

(5.4.2-1)  (5.4.2-2)

((5.4.2-3)    公式中各符号的含义详该条文对应的注释[2]。

现行的《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）与《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）中挠度计算时均时将混凝土和钢结构的刚度考虑共同工作的组合系数进行叠加，不同的是现行《组合结构设计规范》中对内部型钢的刚度不再考虑长期荷载作用的影响对型钢刚度进行折减，所以现行规范的中梁的变形能力有所提高。按根据相关的研究，在不同的支座约束方式、荷载作用下结构的实际挠度与按现行相关规范的计算值存在较大的差异。[3]

4型钢梁在实际工程中的应用

一般的民用建筑中采用SRC梁时应注意以下问题：(1)、型钢的截面尺寸应满足《组合结构设计规范》5.1.3条最小保护层的要求，板件的高厚比满足该规范5.1.2条要求；(2)、SRC转换梁,型钢的截面、板厚对梁承载力影响明显，设计中选用合理的截面及板厚；非转换SRC梁的抗弯和抗剪的计算配筋较小，主要为构造配筋。(3)、SRC梁的挠度的值，受不同的结构形式、板厚、预起拱值影响明显。(4)、SRC梁的节点复杂，应重视SRC梁柱的节点设计；

现结合三个工程，对SRC梁的梁的计算分析进行简述。三个工程建筑抗震设防类别均为丙类,筑结构安全等级均为二级。工程一位于6度区Ⅱ类场地，跨度为18.6m,局部托柱转换，多层框架结构的办公楼，典型的结构布置如图1所示；工程二位于6度区Ⅱ类场地，屋面荷载较大，多层框架结构的某城市商业综合体, 典型的结构布置如图2所示；工程三位于8度区Ⅱ类场地，跨度为36m的某篮球游泳馆，典型的结构布置如图3所示；

该办公楼局部柱网为8.4mx16.8m，结构布置如图一所示，拟采用普通梁和SRC梁进行比较，计算结果详表1。

图1  某办公楼结构布置图              图2  某商业综合体顶层结构布置图

图3 某篮球游泳馆结构布置图

表1	办公楼大跨梁计算结果
梁编号	布置方式	不同板厚的计算挠度（mm）			经济性
		120	150	180	混凝土m3	纵筋面积T
L1	单跨	85.4			22.18	3.608
	两跨	56.6	61.3	65.5
	T形	43.3	46.1	47.8
XGL1	单跨	78.8			21.25	9.75(型钢8.41)
	两跨	52.0	55.4	58.7
	T形	34.9	36.4	38.1
备注	1、L1-300X1100  325;925 4/5 XGL1-400X1000 (600X200X20X20)  425;422  Q345 2、T形为考虑受压翼缘按连续跨计算 3、起拱18.6mm,恒载2KN/m2、活荷载4KN/m2

由表1的分析结果可知：(1)、同一柱网下采用单向梁系传力途径明确，相同形式的连续梁挠度明显小于单跨梁；在方案设计时应宜预先和建筑沟通，将大跨梁布置为连续梁。

(2)板厚对梁的挠度影响明显。由于梁的挠度按准永久组合并考虑荷载的长期作用影响进行计算，随着板厚增加梁的挠度增大明显。实际工程中，应灵活选用板厚，转换梁若为托柱转换梁可在托柱处增设拉接次梁，若直接执行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第10.2.23条，板厚按180 mm设计，结构并不经济。

(3)设置合理的梁高、间距，采用普通混凝土梁与SRC梁均可满足设计要求，但从混凝土和钢筋用量及施工经济效益考虑，普通混凝土梁更合理。

(4)、是否按T形受压翼缘计算挠度、预起拱值，对挠度计算结果影响明显，但是应注意复核T形梁增大的刚度是否过大。若设计中考虑了预起拱值控制挠度，应在设计中明确具体选用的值，因为现行的《混凝土结构工程施工规范》（GB-50666）第4.4.6条中起拱值仅考虑模板在荷载下本身的下挠。

在篮球游泳馆的设计时，下部为游泳池，上部为篮球场，SRC梁的跨度达到36m，直接采用SRC梁，梁的截面较高。实际工程中在距柱边7.5米处增设斜杆、楼板板厚选用80mm、综合预起拱值70mm,采用1800mm高的梁即可满足设计要求。

施工图设计时，SRC梁应在连续梁端延伸一段，实际工程由于建筑功能的要求可能梁宽不一致，可在梁端采用加腋处理如2所示；弧形型钢梁施工难度较大应避免采用，如在商业综合工程将弧形SRC梁调整为折线的SRC梁。梁柱均为SRC构件时，梁柱节点区域型钢和钢筋交错纵横，应深化节点的设计。梁钢筋常用布置方式是绕行、柱翼缘穿孔、柱翼缘上增设耳板或者套筒如图4、5所示，节点区的箍筋一般采用钢筋焊接也可选用钢筋箍，实际工程中可参照《型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》（12SG04-1）进行深化。

图4 型钢混凝节点示意一

图5 型钢混凝节点示意二

5设计建议

实际工程中，建议注意以下几点：（1）、根据建筑功能要求选用合理的结构布置形式；（2）充分考虑施工的复杂性，在节点深化时除考虑在满足现行规范的相关构造要求下，对复杂节点应完善好设计节点；（3）SRC梁的设计时，承载力、挠度、裂缝等各指标应满足现行规范的要求，根据分析和工程经验在不同的荷载作用下，构件的挠度计算与规范存在一定的差异，工程中若同时考虑受压翼缘和预起拱的作用，应留有一定的安全储备；

[1]王左远右 型钢混凝土组合结构设计要点汇总 土木智库 2020，4

[2]《组合结构设计规范》JGJ 138-2016[s].北京：中国建筑工业出版社，2016

[3] 陈德权，陈强、范俊 钢-混凝土组合梁的挠度计算方法研究.建筑结构[J] 2019 ,4月下