摘要： 簡介鋼骨砼梁結構設計，并通過工程實例，著重說明其設計思路，及節(jié)點構造和有關施工技術要求，特別是在大跨度梁構件中可與寬扁梁結合一起應用。
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一、前言
由砼包裹型鋼做成的結構被稱為鋼骨砼結構（也稱勁性砼結構），在日本應用最為廣泛，研究和試驗也最多。這種結構被簡稱為SRC結構，現(xiàn)在已和鋼結構、木結構、砌體結構以及鋼筋砼結構并列為五大結構之一。其中實腹式鋼骨砼構件具有較好的抗震性能、節(jié)約鋼材、提高砼利用系數(shù)、施工方便等優(yōu)點，在工程建設中得到廣泛應用。本文將主要介紹鋼骨砼梁的設計方法及構造要求，通過工程設計實例，具體說明其計算和使用，供類似工程設計時參考。
二、結構特點及計算方法
鋼骨砼梁是鋼梁和鋼筋砼梁二者的組合結構，實腹式鋼骨通常采用工字形、口字形，截面材料的選用主要是依據(jù)現(xiàn)行國家標準“鋼結構設計規(guī)范（GBJ17-88）”和“高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程（JGJ99-98）”，保證構件具有足夠的塑性變形能力，其屈服強度不宜過大，伸長率應大于20%；鋼筋砼按照“砼結構設計規(guī)范（GBJ10-89）”要求實施。
鋼骨砼梁的正截面強度各國的計算方法很不相同。前蘇聯(lián)“勁性鋼筋砼結構設計指南CN3－78”假定型鋼和砼成為一個整體，能夠一致變形，幾乎完全套用鋼筋砼結構的計算方法。日本“鋼筋砼結構計算標準”把鋼筋砼梁的抗彎能力和型鋼的抗彎能力疊加得到鋼骨砼梁的抗彎能力，兩種方法不同之處在于型鋼梁能否與鋼筋砼形成一個整體。現(xiàn)行“鋼骨砼結構設計規(guī)程YB9082－97”在實腹式鋼骨砼梁的計算方法上主要參考了日本計算標準，結合試驗研究成果，對稱配置鋼骨砼梁正截面受彎承載力，計算結果偏于保守。
M≤Mssby+ Mrcbu
M為彎矩設計值，Mssby為梁中鋼骨部分的受彎承載力，Mrcbu為梁中鋼筋砼部分的受彎承載力。
當受拉翼緣大于受壓翼緣的非對稱鋼骨截面，則可將受拉翼緣大于受壓翼緣的面積作為受拉鋼筋考慮，考慮粘結滑移對截面承載力的影響，砼抗壓設計強度以fc代替fcm。由力矩平衡公式ΣM=0，力平衡公式ΣX=0可得：
fcAc=fyAs+Nss , Mu≤fcAc(hos+hoc)-Nss(hos-hoss)+Mss
Ac：受壓區(qū)砼的面積，hoc、hoss、hos分別為受壓區(qū)砼的合力點、鋼骨中心以及受拉鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離。
對于鋼骨偏置在受拉區(qū)的非對稱截面，按鋼與砼組合梁的設計方法計算處理，為保證砼與鋼骨整體作用，在鋼骨上翼緣設置剪力連接件。在設計中值得注意的是，在鋼骨部分受彎承載力的計算中可不考慮局部壓屈，基于受力構件達到受彎承載力極限狀態(tài)時，比彈性極限受彎承載力有所提高采用截面塑性發(fā)展系數(shù)γs，實際應用中，根據(jù)構件重要性可偏于安全取γs =1.0。
鋼骨砼梁受剪承載力按照承載力極限狀態(tài)理論
V≤Vssy+Vrcbu。
V為梁的剪力設計值，Vssy為梁中鋼骨部分的受剪承載力，Vrcbu為梁中鋼筋砼部分受剪承載力，無地震作用組合時
V≤0.4fcbbhbo， Vrcbu≤0.25fcbbhbo。
鋼骨砼梁裂縫寬度和抗彎剛度，鋼骨砼結構設計規(guī)程給出了計算公式，不對稱鋼骨砼截面抗彎剛度可按下式計算。
B=EsAshbo2/[1.15Ψ+0.9+6αEρ/(1+3.5γ′f)]+EssIss
三、工程實例
華天貴賓樓工程，地下二層，地上二十八層，標準層層高3.3米，總高99.35米，總建筑面積48000平方米。南北向沿高度作內外7.08°～7.91°傾斜，頂部最大外公傾平面尺寸達14米，外傾面積7700平方米，其傾斜部分采用斜向鋼骨砼柱與水平鋼骨砼梁拉結，受層高和各專業(yè)安管道安裝空間的限制，為滿足建筑凈空使用要求，軸線跨度為11.955米，橫向次梁梁高只能做成600毫米，高跨比接近1/20，且位于外挑部位，梁身剛度很難保證，經(jīng)方案比較，確定采用鋼骨砼寬扁梁。
此建筑主樓結構整體采用“SATWE”進行分析計算。其頂層內力最大，最大正彎矩設計值M=829.0kN·m，最大剪力設計值V=331.6kN，軸向力設計值N＝17.2kN，短期效用組合下彎矩標準值Mk=637.7kN·m。結合框架柱梁分析結果，假定梁截面尺寸700×600（h），鋼骨采用Q235等級C的熱扎H型鋼HM450×300（440×300×11×18mm），截面特征見表1
表1
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Ess |
Iss |
Wss |
fss |
fssy |
fssv |
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2.06×105MPa |
56100×104mm4 |
2550×103mm3 |
215MPa |
235MPa |
125MPa |
混凝土強度等級C30，fc=15MPa，縱向鋼筋fy=310MPa，fsv=210MPa。
（1）正截面抗彎、斜截面抗剪承載力計算
表2
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名稱 |
公式 |
計算結果 |
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鋼骨受彎承載力 |
Mssby=rswssfss |
575.7kN·m |
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鋼筋砼受彎承載力 |
Mrcb=M-Mssby |
253.3kN·m |
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鋼筋砼受彎配筋 |
As=Mrcb/fsyγhco |
1504mm2 |
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鋼骨受剪承載力 |
Vssy=twhwfssv |
555.5kN |
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鋼筋砼剪彎承載力 |
Vrcb=V-Vssy |
<0 |
（表中a=35mm，hbo=hb-a=600-35=565mm）
① 選8Φ16，As=1608mm2 , As>ρminbh
② 選13Ф18，As=3315mm，
箍筋按構造，ρvmin=0.02fc/fyv=0.14%，選φ8＠150（四肢箍）
0.4fcbbhbo=2373kN>V=331.6kN
0.25fcbbhbo=1483kN>Vrcb=0 滿足要求
（3）裂縫寬度驗算
表3
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名稱 |
公式 |
計算結果 | |
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① |
② | ||
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受拉鋼筋配筋率 |
ρ=AS/bhbo |
0.004066 |
0.008382 |
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受壓翼緣增強系數(shù) |
γ′f=(b′f-b)h′f/bhbo |
0.8 |
0.8 |
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砼截面開裂彎矩 |
MC=0.235bh2ftk |
118.4kN·m |
118.4kN·m |
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短期荷載效應組合下鋼筋砼部分所承擔的彎矩 |
Mrck =EsAShbo/{EsAShbo+ESSISS/hos[0.2+6αEρ/(1+3.5γ′f)]}×MK |
421kN·m |
492 kN·m |
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鋼筋應變不均勻系數(shù) |
Ψ=1.1(1-MC/Mrck) |
0.79 |
0.8352 |
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折算直徑 |
dc=4(As+Asf)/s |
29.9mm |
25.43 |
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受拉鋼筋和鋼骨受拉翼緣配筋率 |
ρte=（As+Asf）/0.5bh |
0.03337 |
0.0415 |
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短期荷載效應組合下受拉鋼筋的應力 |
δsk=Mrck/0.87Ashbo |
532.6Mpa >310MPa |
301.9Mpa <310MP |
（表中Es=2.0×105MPa Ec=3.0×104Mpa Xe=ES/EC=6.67 h′f=0.2hbo=113mm）
梁最大裂縫寬度
Wmax=2.1Ψ(δsk)/(Es)×(2.70+0.1de/ρte)γ
=2.1×0.8352×301.87/(2.0×105)×(2.7×25+0.1×25.43/0.0415)×0.7
=0.24mm<0.3mm
平均裂縫寬度Wm=Wmax（1.66×1.5）=0.096mm
（4）撓度變形計算
近似取鋼骨砼梁荷載為均勻分布。
表4
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名稱 |
公式 |
計算結果 |
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短期荷載效應組合下截面抗彎剛度 |
B=EsAshbo2/[1.15Ψ+0.2+6αEρ/(1+3.5γ′f)]+EssIss |
2.851×1014N·mm2 |
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長期荷載效應組合下鋼筋砼部分所承擔的彎矩 |
Mrclk=(Mlk/Mk)Mrck |
446.0kN·m |
長期荷載效應組合下梁的抗彎剛度 |
Bl=Mrck/(Mrck+0.6Mrclk)×EsAshbo2/[1.15Ψ+0.2+6γEρ/(1+3.5γ′f)]+EssIss |
2.254×1014N·mm2 |
（表中砼保護層厚度c=25mm,鋼筋表面形狀系數(shù)γ=0.7）
Δs=5/48×Mlkl2/Bl=5/48×(578.2×106)/(2.254×1014)×119552=38.2mm
Δs/l=38.2/11955=0.0032=3.2‰，理論上滿足要求。
設計中，分析外挑結構在荷載及地震作用下推力或拉力對梁不利影響，計算過程中梁端假定為簡支，為平衡鋼骨產(chǎn)生的拉力，需加配鋼骨梁受力負筋；另受梁高限制，鋼骨砼保護層厚度小于臨界厚度ccr=0.25bft1/2=0.25x300x2.01/2=106.1mm，設置錨固連接件（通常采用圓柱頭焊釘，按鋼－砼組合梁要求驗算，以增強型鋼與砼連接面上的粘接強度，限篇幅，從略）。
梁端節(jié)點因按“鋼骨規(guī)程”對鋼骨梁與鋼骨梁暫無明確規(guī)定，遵循鋼骨腹板部分設置鋼筋貫穿孔時，截面缺損率不應超過腹板面積的20%，主筋不得與鋼骨直接焊接的要求。
此工程于二OOO年十月開工，二OO一年八月封頂、并主體驗收，二OO二年五月投入使用，建筑從建設至今，經(jīng)觀測，鋼骨梁柱無裂縫，撓度也不大，效果良好。
四、結束語
通過此次工程結構設計，有如下體會：
1、在鋼筋砼結構體系中，局部采用鋼骨砼結構構件是可行的，特別是大跨度桿件設計時，結合寬扁梁的采用，可提高梁的抗彎、抗拉、抗壓剛度，減小豎向變形值，降低梁高，其效果比純鋼筋砼結構好。
2、鋼骨砼結構的設計和施工的重點是鋼骨構件及其節(jié)點的設計，并且結合設計圖紙，做好施工配合，注意鋼筋與鋼骨的連接，鋼骨與砼柱的連接。