SRC转换梁结构设计探讨

摘要：现代高层建筑体形日趋复杂,转换结构形式亦呈多样化发展。SRC转换梁(钢骨混凝土转换梁)作为普通钢筋混凝土转换梁的一种优化形式,应用日益广泛。本文结合工程实例，探讨了SRC转换梁的结构设计。

关键词：SRC转换梁；方案比较；结构设计

现代高层建筑除了满足功能多样化的要求外，也越来越重视建筑个性化的体现。由于各种复杂体型大量出现，上下楼层的柱网开间及结构抗侧体系形式经常需要改变，为了保证结构受力的有效传递，转换层的应用就越来越普遍。

在常规的钢筋土深梁内加设型钢组合成钢骨混凝土包裹型钢（钢骨）共同受力，可利用钢材弹性模量、抗拉和抗压强度均较大的特点，很好地提高梁的抗弯和抗剪能力，是改善梁式转换结构受力性能的一种有效方式。与传统的钢筋混凝土梁以及纯钢梁相比，SRC（钢骨混凝土）结构作为转换梁最大的优势主要有以下几点：

（1）钢骨混凝土中的型钢不受含钢率的限制，在高层建筑中可以减少构件截面尺寸，增加使用面积，降低层高，具有较为可观的经济效益。

（2）SRC结构中的型钢（由其是实腹式型钢）与其外包混凝土结构相互约束，共同工作，可大大改善RC构件受剪破坏时的脆性性能，从而拥有良好的延性和耗能能力，抗震性能好，这在日本等国家和地区的多次大地震中已得到验证。

（3）为节约造价，现在许多高层建筑仅在受力较大的底层框支柱中采用钢管混凝土或钢骨混凝土柱，在这样的条件下如仍采用钢筋混凝土框架支梁，则梁柱节点部分处理比较复杂，传力不明确，很难保证刚接的构造要求。改用型钢型混凝土转换梁后，该节点连接基本类似钢结构梁柱节点的连接，受力明确，制作简单，施工方便，且具有较完善的理论设计计算方法作为设计依据，能做到安全可靠、经济合理。

（4）SRC结构中的型钢在浇灌混凝土以前即已形成钢结构，具有相当大的承载力，能够承受构件自重和施工载荷，可直接将模板悬挂于型钢上，姑能较好地解决钢筋混凝土转换大梁支模难的问题。另外，不必等待混凝土达到设计强度即可继续施工上一层结构，极大地便利了施工，可大大地缩短施工周期。

（5）与纯钢结构相比，型钢混凝土结构刚度大，可减少跨中较大的挠度，而且混凝土对其中的型钢来说是最好的保护层，不论是防火和防腐、防锈方面都比钢结构明显优越。下文结合工程实例，探讨了SRC转换梁的结构设计。

一、工程概况

某工程，总建筑面积:10533m2,上部为框架结构, 基础采用预应力管桩,抗震设防烈度6度,基本风压0.7Km/m2,主要柱网尺寸8.5m×8.5m,根据建筑需要, 将首层柱拔掉四根, 使四品框架最大跨度变为17m。

二、结构重点与难点

最大跨度的框架如图1所示,17米跨度转换梁承担上部较大集中荷载,这在工程中并不多见。大跨度转换梁承担上部较大竖向集中荷载,同时还承担水平地震作用和风荷载。这就需要满足比一般构件更严格的正常使用极限状态（裂缝、挠度）和承载力极限状态的要求而且还应具有良好的抗展性能，达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防目标。

由于设备专业要求梁高最大为1.6 m，跨高比为1/11，大大突破钢筋混凝土框支梁跨高比1/8～1/6规定，挠度和裂缝控制十分关键。

柱段AB为裙房柱段,轴力较小,做为转换梁的边支座实际受力状态为大偏心受压。普通钢筋砖柱配筋过大,钢筋太密无法施工转换梁的边支座B节点区,在低周往复荷载作用下,容易形成主斜裂缝,使节点先于杆件破坏。

在地震作用下,努力实现“强下部弱上部,强节点弱杆件,强柱弱梁,强剪弱弯”,依照塑性绞出现顺序和部位,实现结构延性的充分发挥。

三、方案比较

根据上述结构的重点与难点,对转换梁可能采用的普通钢筋砼,预应力钢筋砼, 钢骨砼方案进行比较，采用普通钢筋砼,截面高度高达2.5～3.0米。梁柱线刚度比较大,在水平地震作用下,柱端先于梁端产生塑性铰,很难实现强柱弱梁采用预应力钢筋砼虽然截面高度可以小一些,柱段AB配筋问题很难解决,和普通钢筋砼都存在节点区较弱的缺点,虽可提高配箍率但配箍率达到一定数值后, 节点区抗剪承载力随配箍率增大而降低，钢骨砼转换梁具有截面高度小,承载力高, 与其相连的钢骨砼柱充分发挥钢材受拉,砼受压的优点较宽松承担边支座较大的弯矩, 而且增强节点抗剪承载力。由于钢骨的存在,还增强下部结构承载力和延性, 与钢骨硅转换梁共同形成理想的抗震框架。

四、结构设计

1 挠度验算

根据抗弯刚度相等的原则, 将钢骨砼构件换算成等效的钢筋砼构件进行结构计算。上部被转换柱DE最大轴力设计值Nmax=3249kN,荷载标准值产生的挠度f1=22.3mm,考虑长期荷载效应影响时, 梁的抗弯刚度近似为弹性计算抗弯刚度的0.85倍。因此, 正常使用极限状态的转换梁的跨中挠度为

满足规范要求

2 裂缝验算

考虑长期荷载效应组合和裂缝的不均匀性,根据钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97）计算, 转换梁跨中的最大裂缝宽度

（计算过程略）

3 强度计算

由于上部柱作用在转换梁的中部, 转换梁的挠度虽然远小于规范的限值, 但是,上部与该柱相连的框架梁显示出明显的悬挑的效应。这是由于被转换柱下沉所引起的这样, 在中震、大震作用下, 框架梁悬挑支座首先开裂, 形成塑性铰, 引起内力重分布, 转换梁的集中力明显增大, 此时, 上部被转换柱DE最大轴力设计值Nmax=3865kN,增大18左右。因此, 在计算软件中, 指定框架梁有悬挑效应的梁端为铰接进行第二次计算其计算结果作为转换、梁强度设计的依据这种做法偏于安全的忽略上部框架梁端塑性铰弯矩对转换梁的有利影响。对达震作用下转换梁的安全储备是必要的。

正常使用状态下, 为了尽量减少上部框架梁悬挑效应, 构造方面采取以下措施：（1）增加转换梁受压区钢筋和钢骨的配置, 因此, 转换梁上下大致对称配筋（2）对转换梁上一层的框架梁上下通长并且加强配筋，其目的是通过平面整体作用进一步的减小转换梁的跨中挠度。

4 抗震构造措施

由于转换结构的应用和竖向构件的上下不连续性引起的刚度突变，在水平地震作用下,容易引起刚度突变处的应力和变形的集中,为了减小应力和变形的集中,分两步设计（1）努力减小刚度突变；(2)建立良好的耗能机制，为了减小刚度突变,将柱子钢骨变截面伸至上一层的三分之二处。转换梁钢骨变我面伸至相邻跨的二分之一处, 如图1所示，良好的耗能机制是抗震设计的关键，首先从整体上控制, 作到强下部弱上部, 使上部结构先出现塑性铰,降低上部结构刚度,减小转换结构的上下刚度突变,起到减小地震力和保护重要的下部结构作用,这一点非常重要。依据计算机计算的配筋结果, 对转换梁上部结构用于抗弯的纵筋

没有放大，用于抗剪和改善构件延性的箍筋适当放大，以适应上部结构的较大塑性变形。由于下部采用钢骨混凝土结构, 转换梁柱节点区腹板厚度t=25mm,并设置加劲肋,经验算抗剪承载力远大于抗弯承载力,保证节点区抗震安全,而且柱钢骨深人基础,由于钢骨存在,减小柱的轴压比,增强底部结构承载力,刚度,延性,对水平荷载作用下十分有利。

五、结束语

实践证明，对于重载荷作用下的大跨度梁，采用钢骨混凝土结构式合理的。钢骨混凝土转换梁具有强度高,延性好的优点，外包砼有利于钢板件的局部稳定,而且较好解决了钢材的防腐和防火问题。在市场经济条件下,同一工程,采用钢筋混凝土结构比采用钢结构或钢一砼组合结构工作量小很多, 这是当前设计单位推脱与钢结构有关设计原因之一。相信随着钢结构的普及和施工队伍素质提高,钢一混凝土组合结构会得到广泛应用和更大的发展。

参考文献：

[1]国家行业标准. 钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97） 北京：冶金工业出版社，1999

[2]国家行业标准. 型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001） 北京：中国建筑工业出版社，2001

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。