方建輝

（河南華瑞工程設(shè)計有限公司，河南 鄭州450000）

采用一般的梁板結(jié)構(gòu)，梁高較高（大部分超過1m），會影響室內(nèi)凈高。型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)以混凝土為主要原材料，向其中設(shè)置型鋼（可采取軋制或焊接的方式），再配置適量的縱筋和箍筋[1]。從型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)組成來看，型鋼至關(guān)重要，其有助于提高梁的承載力和剛度，縮小梁的截面尺寸，從而能更好地運(yùn)用于大跨、重荷的人防工程建筑。

1 工程概況

位于某地下車庫的人防工程，建筑面積為7560m2，凈高2.75m，層高3.7m，覆土1.4～1.8m，活荷載為10kN/m2。初始設(shè)計方案中，柱截面尺寸為550mm×550mm，框架梁截面尺寸為500mm×1100mm；梁板均選用的是C30防水混凝土。

2 型鋼混凝土梁的設(shè)計特點(diǎn)

2.1 計算特點(diǎn)

配制混凝土后，向其中置入合適規(guī)格的型鋼，再利用鋼筋實(shí)現(xiàn)縱橫銜接，形成集型鋼和混凝土于一體的完整結(jié)構(gòu)，共同承受壓力。不同于一般梁，型鋼混凝土梁會使用剛度較大的型鋼，因此要注重對型鋼的銜接，采取正確的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)等。相比于鋼結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于型鋼混凝土的受力特點(diǎn)較為特殊，采取型鋼和混凝土、鋼筋共同受力的方式，因此計算特點(diǎn)在于需要兼顧三者的共同受力情況。在計算工作中，應(yīng)引入允許應(yīng)力法，首先確定普通鋼筋、型鋼各自的剛度，然后以此為基準(zhǔn)換算為混凝土的剛度。

2.2 計算假定

型鋼混凝土梁選擇的是將概率理論作為主要基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方案[2]。組成型鋼混凝土的各類構(gòu)件中，若其中某個截面達(dá)到極限狀態(tài)，應(yīng)假定型鋼與鋼筋混凝土的中和軸相同，再根據(jù)力和力矩平衡特點(diǎn)創(chuàng)建方程。對于截面的計算，應(yīng)同時做出如下3項(xiàng)假設(shè)：對平截面的假定；對彈性體的假定；對受拉區(qū)混凝土不參與的假定。

2.3 計算方法

從現(xiàn)階段型鋼混凝土梁建設(shè)狀況來看，在正截面的承載力計算中可選擇的方法主要有兩種：（1）選擇實(shí)腹式或充滿型的型鋼混凝土量，參照《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JGJ 138—2016），有極限平衡法。（2）在相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（YB 9082—2006）中，有疊加法，分為簡單疊加法和一般疊加法。簡單疊加法與一般疊加法相比，計算過程和算法都比較簡單和便捷；一般疊加法的計算方法和極限平衡法相印證，一般情況下的計算結(jié)果較為安全。

3 型鋼混凝土梁設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

車庫的經(jīng)濟(jì)柱距主要在8.0～8.2m，而型鋼混凝土組合梁大多數(shù)只在大跨以及重荷下才會顯現(xiàn)出優(yōu)勢。

（1）樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值。樓面為0.2×25=5kN/m2；復(fù)土為16×1.5=24kN/m2；活載為10+2=12kN/m2。

（2）樓面荷載設(shè)計值。（24+5）×1.2+12×1.4=51.6kN/m2。

（3）框架主梁的荷載效應(yīng)。最大負(fù)彎矩M=1418kN·m；最大剪力V=948kN；跨中彎矩Ms=10661418kN·m。

3.2 人防荷載的確定

在人防工程設(shè)計中荷載的確定十分重要，其主要從頂板、側(cè)墻和底板三個方面進(jìn)行荷載的估算和確定。

（1）頂板上的人防荷載。頂板的人防荷載與防空地下室所處的位置有關(guān)。若現(xiàn)場滿足擴(kuò)散條件，且樓梯口（車道口）與突遇大空間斷面兩者的比值小于9，可參考擴(kuò)散室余壓計算方法，從而確定頂板結(jié)構(gòu)所能承受的核爆動荷載最大壓力。其計算公式如下：

式中：K為修正系數(shù)，一般取0.5；P為地面沖擊波最大超壓，kN/m2；S為樓梯口（車道口）面積，m2；to為口外沖擊波超壓有效作用時間，s（正常狀態(tài)下為1s）；ψ為與口外壓力有關(guān)的系數(shù)；V為計算擴(kuò)散空間，m2。

以上述式（1）為依據(jù)展開計算，防空地下室頂板上承受的核爆動荷載最大壓力發(fā)生了較明顯的衰減，幅度約30%～50%。

（2）側(cè)墻上的人防荷載。主要考慮埋深、介質(zhì)側(cè)壓力系數(shù)和側(cè)墻所處環(huán)境三方面因素。通常深度每增加1m，所對應(yīng)的土中壓縮波的峰值壓力發(fā)生約5%的下降。因此，考慮到人防荷載對側(cè)墻帶來的影響，有必要根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)創(chuàng)建破壞模式，從而探討圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用狀況，即承受人防荷載的能力。同時，綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、強(qiáng)度等主要影響因素，從而確定作用在側(cè)墻上的人防荷載（該值可取通常方法確定值的60%～80%）。

（3）底板上人防荷載。此類荷載主要與沖擊波作用有關(guān)，會導(dǎo)致防空地下室的頂板承受荷載，結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動，源自地基的反力作用將直接作用在底板上。對于設(shè)置了樁基的防空地下工程，其底板處的核爆動荷載主要受到樁箱（筏）的荷載分配比的影響，底板上的人防荷載按如下公式計算：

式中：β為樁箱（筏）荷載比；η為底壓系數(shù)（以底板的位置為依據(jù)，若在地下水位上方，則取0.7～0.8；若在地下水位下方，則取0.8～1.0）；Pt為頂板上核爆動荷載最大壓力。

3.3 裂縫驗(yàn)算

（1）混凝土截面的抗裂彎矩：Mc=0.235×2.39×400×8002=143.8kN·m。

（2）型鋼翼緣作用的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)：ψ=1.1×(1-143.8÷1066)=0.95。

（3）型鋼受拉翼緣與縱向受拉鋼筋加上腹板的周長和：u=4×28π+（2×300+2×29+2×442×0.25）×0.7=966mm。

（4）型鋼受拉翼緣和縱向受拉鋼筋以及腹板面積的直徑：de=4×(2463+8700+0.25×442×15)÷966=53mm。

（5）有效配筋率：pte=(2463+8700+0.25×422×15)÷(0.5×500×800)=0.064。

3.4 結(jié)果分析

型鋼混凝土梁中的型鋼極為關(guān)鍵，正常狀況下其并不會受到含鋼率的影響，且在大跨重荷的結(jié)構(gòu)中可有效縮小構(gòu)件截面，從而達(dá)到增加使用面積的效果。同時，從初始方案剖面以及新型方案剖面的對比能夠得出，新型方案比初始方案層高縮減了0.3m（7.9%），具體見圖1～圖2。

圖1 原方案剖面圖（單位：m）

圖2 采用型鋼混凝土梁剖面（單位：m）

4 型鋼混凝土梁在人防工程設(shè)計中可能存在的問題及解決方法

4.1 鋼骨構(gòu)造

型鋼混凝土梁柱均存在特殊構(gòu)造要求，包括鋼骨保護(hù)層面的厚度、截面的含鋼量、鋼筋與鋼骨間距的要求、柱腳構(gòu)造的要求等。需要注意的是，鋼骨不能過大，要為配筋留出空隙，以達(dá)到最規(guī)范、最適合的構(gòu)造要求。

4.2 鋼筋構(gòu)造

型鋼混凝土梁中，鋼骨梁柱鋼筋的錨固構(gòu)造相對較為復(fù)雜，在設(shè)計中應(yīng)處理好構(gòu)造措施和鋼骨與鋼筋的連接問題，以便于施工及保證設(shè)計滿足最初要求。

4.3 裂縫控制

由于使用環(huán)境要求，需要嚴(yán)格控制裂縫寬度，以及鋼筋與鋼骨的腐蝕度，以保證耐久性。同時，型鋼混凝土梁由于鋼骨與混凝土協(xié)同抗彎抗剪，而兩者的彈性模量相差較大，變形性能相差較多，因此容易造成混凝土開裂，并且造成裂縫寬度的增大。綜上，在工程實(shí)際施工中，要嚴(yán)格演算鋼骨梁的裂縫寬度，按裂縫寬度進(jìn)行配筋，以確保裂縫問題得到緩解和控制。

4.4 造價控制

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)由于其承載能力高、剛度大及抗震性能好等特點(diǎn)[3]，在人防工程中的應(yīng)用越來越廣泛。與普通的鋼筋混凝土相比，型鋼混凝土中的配鋼率要大很多，故施工中應(yīng)在有限的截面面積中配置較多的鋼材，使其構(gòu)件的承載力能夠高于普通鋼筋混凝土構(gòu)件力的1倍以上，從而減小構(gòu)件的截面積，避免型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“肥梁胖柱”現(xiàn)象，增加建筑結(jié)構(gòu)的使用面積和空間，以減少建筑的造價，從而達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5 結(jié)束語

近年來，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的占比逐步加大，從該結(jié)構(gòu)的特性出發(fā)探討相適應(yīng)的施工技術(shù)具有顯著現(xiàn)實(shí)意義，也是提高型鋼混凝土應(yīng)用水平的必行之舉。同時，型鋼混凝土梁在人防工程建造的實(shí)用價值也相對較高，施工工藝流程簡單，能夠有效縮減成本，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛。研究發(fā)現(xiàn)，首先，在人防工程施工中，施工流程的控制至關(guān)重要，即型鋼梁與梁鋼筋的施工先后順序。在此方面雖無特定的規(guī)定，但要以實(shí)際情況為準(zhǔn)靈活調(diào)整。其次，梁鋼與型鋼柱接觸時，應(yīng)優(yōu)先在型鋼柱上打孔，并在該處采取加強(qiáng)措施。最后，型鋼梁的吊裝作業(yè)應(yīng)配套專用吊具。當(dāng)選擇的是兩點(diǎn)綁扎方式時，要求型鋼維持水平狀態(tài)。