浅谈钢筋混凝土结构在工程中的应用

某改扩建工程项目位于天津市滨海新区，拟在改造原有主体框架的同时扩建二层的办公用房。由于该工程已投入使用，在改、扩建施工的过程中应尽量减少对原有建筑已使用部分的影响，缩短工期，同时配合整个建筑物的立面造型及风格，经多方分析比较，决定在扩建工程中采用钢-混凝土组合结构，并采取一定的施工措施，充分利用组合结构的优越性，取得了良好的技术经济效益。

一、钢-混凝土组合楼盖梁的特点

钢-混凝土组合楼盖梁简称组合梁，是在钢梁上翼缘表面焊接抗剪连接件后，再浇铸混凝土板而形成的一种钢筋混凝土上翼缘板与钢腹板及下翼缘的整体组合梁。由于抗剪界面的可靠连接，其整体工作性能良好，能充分发挥两种材料的优势，显著提高结构的强度和刚度，梁挠度可减少1/3以上，节约钢材约20~40%，并可降低造价约10~30%。当采用压型钢板组合楼板等作法时，还可以显著方便与加快施工。近年来组合梁已较多用于高层钢结构及重型操作平台结构。

组合梁的截面由三部分组成：钢筋混凝土板及板托 、抗剪连接件及钢梁。

二、组合梁设计的一般规定

1.组合梁的设计均遵照极限状态设计准则进行，其承载力（强度及连接）极限状态设计一般采用塑性设计方法，但对承受直接动力荷载的组合梁极其钢梁截面受压板件不符合塑性设计要求的组合梁，仍采用弹性设计方法此时，其荷载作用可简化仅按短期效应组合计算，并对钢梁抗力乘以0.9的折减系数；当有必要时也可按长期效应（考虑徐变影响）进行计算。而对组合梁的正常使用极限状态（挠度、裂缝）计算均按弹性设计方法进行，并分别按荷载（标准值）短期效应及长期效应计算。

2.组合梁抗剪连接件的极限状态设计方法，应与梁截面受弯设计方法相对应，分别采用塑性或弹性方法进行。

3.无论采用弹性设计或塑性设计方法，组合梁的设计一般均按施工阶段及使用阶段两种工况进行，但当施工阶段钢梁下设临时支承（支承后梁跨度小于3.5M）时，可只按使用阶段设计。

三、工程应用

该改扩建工程底层架空，层高3M，二层层高3.3M，屋顶为种植屋面，考虑到建筑外形要求美观及钢材的利用，框架柱采用螺旋焊圆钢管柱，柱上端与楼面钢梁铰接，柱下端与基础刚接。框架梁采用钢-混凝土组合梁进行设计，在设计中主要考虑以下几点:

1.混凝土板的选型

混凝土板在组合梁中主要起受压翼缘作用。板托的设置可以提高组合梁的高度，以增强刚度和可靠性，有时为了支模施工的方便，也可不设托板。混凝土板一般有现浇混凝土楼板、压型钢板组合楼板和预制装配式钢筋混凝土楼板等三种类型。在本工程中,由于组合梁最大跨度仅为８米，为方便施工采用无板托的现浇混凝土楼板。板厚取100。

2.抗剪连接件的选型

抗剪连接件是组合梁设计的关键因素之一。抗剪连接件主要用于承受钢筋混凝土板与钢梁接触面之间的纵向剪力与掀起力，阻止其相对滑移，以保证二者的共同工作。其类型一般有专用焊钉、槽钢和弯起钢筋等三种。由于槽钢和弯起钢筋不便于施工，我国于上世纪年代开发成功栓钉焊接成套设备，随后圆柱头栓钉抗剪连接件逐步成为最主要的连接形式并得到广泛应用。本工程采用该种抗剪连接件。根据大量的推出实验认为栓钉主要有两种破坏模式，即栓钉周围混凝土的破坏或栓钉杆被剪断。因此，新规范规定栓钉的承载力需根据下式按两种情况分别计算，并取两者中的较小值。

[Ncv]=0.43AS/EcfC≤0.7 ASγf

式中，AS为栓钉杆的截面面积； Ec为混凝土的弹性模量；γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比。

3.钢梁的选型

钢梁在组合梁中常处于受拉状态，其常用的截面形式为开口截面（焊接Ｈ型钢、工字钢）及箱型截面。箱型截面的两个主轴方向的惯性矩和回转半径、截面抗弯模量相同，单一杆件的稳定性较好，具有良好的抗扭特性，多用于大跨度及承受较大荷载的情况；开口截面（焊接Ｈ型钢、工字钢）的两个主轴方向的惯性矩和回转半径、截面抗弯模量相差较大，对于在主轴方向平面内单向受弯比较有利，适用于跨度及扭矩不大的情况。因此，在本工程中选用焊接Ｈ型钢梁。次梁与主梁、主梁与钢柱连接采用高强螺栓铰接。

4.组合梁挠度控制

混凝土硬化形成组合截面后组合梁的刚度很大，一般可以有效控制活荷载下的挠度。但需注意的是，由于组合梁中钢梁的截面通常要明显小于相同承载力的纯钢梁，而受施工方法的影响，部分恒载可能仅由钢梁承担，从而造成恒载作用下组合梁的挠度偏大。减少组合梁恒载作用下的挠度通常有三种方法：（1）使用较强的钢梁以限制施工阶段的挠度；（2）将钢梁起拱以补偿恒载作用下的挠度；（3）设置临时支撑以减少混凝土硬化前钢梁的挠度。比较经济可行的方法是同时采用第2、第3种方法，即在条件允许的情况下尽可能多地布置临时支撑，并且使钢梁产生预拱以抵消部分恒载挠度。本工程跨度大于7米的钢梁施工时设临时支撑（支撑后梁跨度小于3.5米），待混凝土板强度达到75%设计强度后方拆除。

四、组合梁的构造

钢-混凝土组合梁尚应满足以下构造要求：

1.混凝土板

1.1组合梁的混凝土板厚度，一般采用100、120、140、160mm。对于承受荷载特别大的平台结构，其厚度可采用180、200mm或更大值；对采用压型钢板的组合楼板，压型钢板的凸肋顶面至钢筋混凝土板顶面的距离应不小于50mm。

1.2连续组合梁在中间支座负弯矩区的上部纵向钢筋，应伸入梁的反弯点，并留有足够的锚固长度或弯钩；下部纵向钢筋在支座处连续配置，不得中断。

2.连接件

2.1一般规定

2.1.1抗剪件顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm。

2.1.2焊钉和槽钢的外侧边至钢梁上翼缘侧边的距离应不小于20mm。

2.1.3连接件的最大间距不得大于混凝土板厚度（含板托）的4倍，且不得大于600mm。

2.1.4焊钉外表面或槽钢的端面至混凝土翼板侧边的距离不应小于100mm。

2.2焊钉

2.2.1圆柱头焊钉的直径可在8、10、13、16、19及22mm等六种中选用。焊钉长度不应小于4d，钉头直径不小于1.5d，沿梁长度方向的最小间距为5d，垂直梁长度方向最小间距为4d，d为焊钉直径。

2.2.2焊于钢梁受拉翼缘的焊钉直径，不得大于梁翼缘板厚度的1.5倍；而焊于无拉应力部位的焊钉直径，不得大于翼缘板厚度的2.5倍。

2.2.3对采用压型钢板的组合板，焊钉顶面应高出压型板表面30mm以上，杆径不宜大于19mm。

2.3槽钢

槽钢连接件一般采用Q235钢轧制的[8、[10、[12、[12.6等小型槽钢，槽钢翼缘肥尖方向应与混凝土板中水平剪应力的方向一致。

2.4弯起钢筋

2.4.1弯起钢筋宜采用直径d不小于12mm的I级钢筋成对称布置，其弯折部分的弯起角度一般为450，弯折方向应与板内纵向水平剪应力的方向一致。

2.4.2在梁跨中可能产生剪应力变号处，必须在两个方向均有弯起钢筋（U形钢筋）。每个弯起钢筋从弯起点算起的总长度不家小于25d（I级钢筋另加弯钩），其水平段长度不应小于10d。

2.4.3弯起钢筋与钢梁连接的双侧焊颖长度为4d（当采用I级钢筋）或5d（当采用Ⅱ级钢筋）。两个弯起钢筋的距离不应小于混凝土翼板（包括板托）厚度的0.7倍，且不大于2倍翼板的厚度。

3.钢梁

3.1在选择截面时，钢梁截面的高度hs应大于组合梁截面高度的1/2.5。为保证钢梁的翼缘和腹板的局部稳定，当组合兴分别按弹性方法及塑性方法设计时，其截面尺寸应分别符合GB14-88《钢结构设计规范》表1-36和表1-37的要求。

3.2钢梁上翼缘的宽度不得小于120mm，一般不小于150mm。

钢梁顶面不得涂刷油漆，在浇灌（或安装）混凝土翼板以前，应清除铁锈、焊渣等污垢。

五、结语

本文结合天津市滨海新区某改扩建工程项目设计过程，介绍了钢-混凝土组合楼盖梁系结构的主要设计思路及计算方法，并介绍了构造措施。从本工程可以看出钢-混凝土组合楼盖梁系结构具有施工快捷，节省钢材用量，减轻自重等诸多优点是一种理想的大跨楼盖结构形式。