大跨度装配整体式钢-混凝土组合空腹楼盖结构设计.pdf

第 44 卷 第 13 期 2014 年 7 月上 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 13 Jul 2014 大跨度装配整体式钢 混凝土组合空腹楼盖结构设计 杨期柱 1 马克俭1 2 张华刚2 胡 岚 1 胡 萍 3 1 湖南大学土木工程学院 长沙 410082 2 贵州大学空间结构研究中心 贵阳 550003 3 长沙巨星轻质建材股份有限公司 长沙 410205 摘要 长沙市巨星创业基地多层大跨度轻型工业厂房楼盖采用装配整体式钢 混凝土组合空腹楼盖结构体系 该楼盖主要由上层钢筋混凝土肋板 下层 T 形钢肋以及方形钢管剪力键组成 上层带肋板与下层钢肋均在工厂预 制 通过分析结构的实际受力状态 拟定了结构在设计时需要采取的技术措施 设计要求以及施工工艺 并对关键 构件和节点的计算与构造进行了介绍 采用此种方法进行设计能够保证结构的安全可靠 对相关工程设计有一定 的借鉴作用 关键词 装配整体式 钢 混凝土组合空腹楼板 大跨度多层厂房 结构设计 中图分类号 TU398 9 TU318文献标识码 A文章编号 1002 848X 2014 13 0005 04 Structural design of large span prefabricated integral steel concrete composite hollow slabs Yang Qizhu1 Ma Kejian1 2 Zhang Huagang2 Hu Lan1 Hu Ping3 1 College of Civil Engineering Hunan University Changsha 410082 China 2 esearch Center of Space Structures Guizhou University Guiyang 550003 China 3 Changsha Great Star New Building Materials Co Ltd Changsha 410205 China Abstract Prefabricated integral steel concrete composite hollow slab structural system was adopted in the large span multistory light industrial factory for Great Star entrepreneurship base in Changsha City The system was made up of upper layer reinforced concrete rib floor lower layer T shaped steel ribs and square steel tube shear key The top prefabricated ribbed plates and bottom steel ribs were prefabricated in factories Through the analysis of the structure under actual stress state the technical measures design requirements and construction techniques were studied The calculation and structural details of key components and nodes were introduced The structure is safe and reliable using this design method which can provide some reference for engineering design Keywords prefabricated integral steel concrete composite hollow slab large span multistory factory structural design 十二五 国家科技支撑计划 2011BAJ09B01 01 国家自然科学 基金项目 50968004 作者简介 杨期柱 博士研究生 Email yangqizhu hnu edu cn 1工程概况 长沙市巨星创业基地为多层大跨度轻型工业厂 房 结构共 3 层 局部 5 层 底层层高为 8 1m 2 层 和 3 层层高均为 7 8m 其中 轴线之间隔层为 自由划分的办公区 层高分别为 4 05 3 75m 建筑 总高度为 23 85m 建筑平面尺寸为 90m 54m 横 向三跨 每跨 18m 柱网尺寸以 9m 9m 为主 为大 柱网 大跨度建筑 考虑到建筑功能的要求 主要采 用钢 混凝土装配整体式空腹网格楼板结构 1 2 辅 以一般梁板结构 图 1 为 2 层建筑平面图 除 轴线与 轴线和 瑏瑡轴线所围部分以及悬 挑部分采用一般现浇板外 其余均采用组合空腹楼 板结构 根据勘察资料 工程场地为对建筑物抗震有利 地段 场地类别为 类 工程抗震设防类别为丁类 抗震设防烈度为 6 度 设计地震分组为第一组 设计 基准期按 50 年采用 框架的抗震等级为三级 耐火 等级为二级 图 1 2 层建筑平面布置图 2结构设计与分析 2 1 结构设计方案的选取 工程为多层大跨度带吊车厂房 不仅柱网大 净 空大 使用荷载大 且要求施工周期短 经济效益好 建筑结构2014 年 常采用的普通钢框架或混凝土结构难以满足要求 装配整体式钢 混凝土组合空腹大板楼盖结构 是由空腹夹层板楼盖结构 3 1998 2003 年 进一 步改进而来 比较适合此类大跨度 大开间多层公共 与工业建筑 由 30m 30m 周边简支整体装配式 钢 混凝土组合空腹楼板 1 5 缩尺模型 6m 6m 试 验研究 2 可知 其优点突出表现在 1 预制带肋板及钢构件拼装单元均在工厂预 制 再运往工地进行拼装 不仅能消除焊接变形 焊 接应力 而且能避免需要在现场施焊大量焊缝所带 来的诸多不利 因此在保证结构质量的前提下提高 了工作效率和文明施工程度 2 在下肋 T 形钢反弯点附近采用摩擦型高强 度螺栓连接 连接后结构整体性好 安全可靠 3 结构主要由空腹交叉梁在交叉点通过剪力 键连接组成 结构造型美观大方 无零乱感 视觉效 果好 可起到楼盖 屋盖 的吊顶功能 并且可以方 便地从空腹中穿插水 电线管 4 构造简单 施工方便 制作 加工和组装不 需特定设备 5 与常规的正放四角锥组合网架比较可知 在相同跨度条件下 结构高度下降 1 2 与正交 H 型 钢网格 混凝土组合井字板楼盖比较可知 用钢量下 降 30 35 因此采用装配整体式钢 混凝土组合空腹大板 楼盖结构可以满足各方面的要求 2 2 构件布置 组合楼板上 下肋网格尺寸为 1 8m 1 8m 正 交正放 总厚度为 800mm 约为跨度的 1 23 上肋截 面尺寸 X 向为 250 200 Y 向为 500 200 下肋为 变截面 T 形钢 上 下肋由方形钢管剪力键连接 水 电等管线可穿越楼盖空腹部分 无需另外开设孔 道 组合楼板结构剖面如图 2 所示 组合楼板上肋网 格构造如图 3 所示 图 4 为 轴线与 轴 线间组合楼盖下肋钢单元布置图 根据结构受力特 点 并考虑运输方便等对下肋钢网格结构进行单元 划分 图中 网格跨中节点处 表示各单元的连 接节点 虚线表示相邻单元的分界线 各加圈数字为 单元编号 2 3 结构设计 主要荷载有 楼面静载为 5 6kN m2 活载为 5kN m2 屋面静载为 6 9kN m2 活载为 3 5kN m2 基本风压值 w0 0 35kN m2 基本雪压值 S0 0 45kN m2 主要使用材料 Q235B Q345B 钢材 H B400 H B300 级钢筋 C30 C35 混凝土 图 2组合楼板结构剖面图 图 3上肋网格构造 图 4下肋钢单元布置图 根据文献 2 的研究成果 楼盖结构可采用实 用计算方法 3 进行设计 即考虑上 下肋以及叠合 6 第 44 卷 第 13 期杨期柱 等 大跨度装配整体式钢 混凝土组合空腹楼盖结构设计 层的刚度贡献 按等刚度原则将空腹网格板等代为 密肋梁参与结构整体计算 等效原则按两者截面高 度相等 抗弯刚度相同进行换算 主要换算结果如 下 下肋 T 形钢翼缘尺寸 140mm 6mm 腹板尺寸 105mm 6mm 折算截面 b h 120mm 800mm 下 肋 T 形钢翼缘尺寸 220mm 9mm 腹板尺寸 150mm 6mm 折算截面 b h 230mm 800mm 下肋 T 形 钢翼缘尺寸 220mm 16mm 腹板尺寸 180mm 10mm 折算截面 b h 388mm 800mm 下肋 T 形 钢翼缘尺寸 220mm 12mm 腹板尺寸 180mm 8mm 折算截面 b h 306mm 800mm 下肋工字钢 上翼缘尺寸 110mm 9mm 下翼缘尺寸 220mm 9mm 腹板尺寸 150mm 6mm 折算截面 b h 264mm 800mm 空腹网格板的自重计入楼盖面荷载中 等代密 肋梁的自重 q1 2 4kN m q2 4 6kN m 按反 向线荷载考虑 计算软件采用 SATWE 按文献 3 规定 挠度验算时考虑了剪切变形 混凝土收缩和徐 变 等 因 素 的 影 响 计 算 所 得 最 大 弹 性 挠 度 25 3mm 除以 0 65 作为结构的最大计算挠度 38 9mm 为跨度的 1 462 满足允许挠度要求 1 300 整体模型计算结果见表 1 2 由表可知 结构 第 1 2 阶振型均为平动 第 3 阶振型为扭转 平扭周 期比为 0 787 最大层间位移角和位移比均小于规 范 4 的限值 结构整体稳定性和抗侧刚度较好 上 下肋的正截面承载力按轴心受力构件计算 叠合 层内力可按周边嵌固板计算 其正截面承载力按受 弯构件计算 对于预制构件 还应复核施工阶段的承 载力 周期及振动形态表 1 振型周期 s平动系数扭转系数 11 493 51 00 0 00 1 00 0 00 21 296 50 94 0 94 0 00 0 06 31 175 60 10 0 10 0 00 0 90 最大层间位移角和位移比表 2 方向 最大层间位移角 地震作用风荷载作用 位移比 X1 1 6821 4 9111 12 Y1 1 6271 3 0951 10 2 4 结构分析 采用 SAP2000 软件对结构进行校核设计 楼盖 的自振频率为 3 6Hz 满足规范 4 对舒适度的要求 在设计荷载作用下 组合空腹大板的下肋梁处于拉 弯受力状态 上层混凝土肋板处于压 弯受力状态 从支座到跨中 下肋轴力逐渐增大而弯矩逐渐减小 应力分布比较均匀 就剪力键而言 它主要承受剪力 和弯矩 从支座到跨中 剪力键的剪力和弯矩均逐渐 减小 剪力键所受轴力较小 除靠近支座的两个外 其余剪力键轴力分布很均匀 另外 在与板带垂直 的方向 即长跨方向 剪力键也存在剪力和弯矩 由于该组合空腹楼盖的短边与长边之比为 1 5 以 单向受力为主 因此剪力键沿长跨方向的弯矩和剪 力均较小 3关键构件 节点及连接设计 3 1 上 下肋设计 采用截面复核方式进行上 下肋的承载力设计 正截面承载力设计时 根据整体计算结果中的弯矩 包络图 将密肋梁每节间的较大弯矩除以上 下肋的 形心高度得到上 下肋各自承担的轴力 然后按轴心 受力构件进行计算 将计算所得的纵筋截面面积增 大 20 纵向受力钢筋优先对称配置在上肋的上 下两面 下肋支座负弯矩区段设计时 将 T 形钢改 为工字形钢以满足受压构件局部稳定性要求 并根 据计算结果合理增加加劲板以减小构件计算长度 密肋梁的剪力由上 下肋均分 上 下肋的斜截面受 剪承载力应符合文献 3 中 5 04 条规定 图 5 为 2 号钢单元构件施工图 3 2 剪力键设计校核 剪力键采用方形钢管 承担的作用力主要为每 节间上 下肋轴力差值中的较大值 N 根据文献 5 的规定 按下式计算 N fvAs 1 根据上 下肋轴力差值的大小 剪力键两侧 X 向 不设加劲板 只在Y 向 主要受力方向 柱上1 3 板带 内的剪力键两侧设置加劲板 宽度为 250mm 板厚为 6mm 加劲后的剪力键能承受的剪力值 V 575kN max Ni 459 3kN 高度根据下肋 T 形钢的不同有 所不同 跨中部分的剪力键不设置加劲板 3 3 构件连接设计 预制带肋板四个角部的预埋铁片与剪力键顶板 进行现场焊接连接 上肋现浇后与叠合板连为一体 并通过拉结钢筋和布置在剪力键顶板上的栓钉进行 传力 下肋钢单元构件与框架梁中预埋件采取现场 焊接 钢单元之间采用 10 9 级摩擦型高强螺栓进行 等强连接 连接接触面的处理方法为喷砂后涂无机 富锌漆 预埋件的设计 抗剪连接件和高强螺栓的 连接计算均符合要求 4 5 3 4 叠合楼板连接设计 叠合楼板由预制带肋板与现浇部分组成 均采 7 建筑结构2014 年 图 5 2 号钢单元构件施工图 用单层双向配筋 为了满足叠合面的抗剪要求 预 制板上表面和外侧面均做成凹凸不小于 4mm 的人 工粗糙面 且按计算在预制板中设置抗剪桁架筋 3 5 梁 柱节点设计 柱与楼盖节点计算模型类似于无梁楼盖 经计 算对比 采用米字或 K 字形节点作为柱帽 经整体 节点分析 此节点均能满足设计要求 并有利于跨中 弯矩减小 使与柱正交的板肋弯矩变为由正交肋与 斜撑共同承担 4施工设计 结合工程特点 钢单元构件以及混凝土预制带 肋板采用空中拼装的施工方法 混凝土上肋预留孔 道及叠合层采用现浇 4 1 施工工艺 先将车间加工好的钢结构单元构件运至现场支 撑架上 用高强螺栓将每个单元构件相连 使其形成 下肋整体正交网格 再将工厂制作好的钢筋混凝土 预制带肋板安装于剪力键顶端钢托板上 并将预制 带肋板肋底四角部位的预埋钢件与钢托板焊接连 接 就位后 在预制带肋板之间 由设计留出的空隙 即为上部现浇钢筋混凝土肋梁的宽度 其高度为带 肋板的高度 在此空隙中绑扎好钢筋 其底部布置好 模板 然后浇筑肋梁混凝土 使其形成井字形混凝土 上肋网格 即下部 T 形钢网格和上部混凝土肋板网 格通过剪力键连接形成钢 混凝土装配整体式空腹 网格大板 各个预制带肋板之间通过上部预留胡子 筋彼此拉连 下肋钢结构与上肋混凝土结构通过钢 托板上的栓钉进行传力 共同工作 4 2 注意事项 架子搭设时 应保证每个剪力键均有一个支撑 特别是在施工 1 层楼盖时 需采取可靠措施防止架 子在施工作用下沉降 上肋混凝土达到 100 设计 强度后 方可拆除模板 模板拆除时 应校核上层楼 盖自重及其施工荷载是否超过本层使用荷载 否则 在本层下应加设支架 加设的支撑点应保证框架梁 每跨不少于 3 点 分别支撑在框架梁跨度的 1 3 点 和 1 2 点处 同时应保证空腹网格板跨中不少于 一个支撑点 支撑于柱网中间附近剪力键下 本 工程的空腹大板要求按跨度的 1 500 起拱 5技术经济指标 该项目占地面积 400 多亩 总建筑面积约 61 万 m2 采用多层大跨度空腹楼盖结构后 每栋楼可节 约土地 12 960m2 约 19 4 亩 节约土地费用2 638万 元 136 万元 亩 楼盖混凝土折算厚度减少到 11 5cm 总用钢量减少到 52kg m2 大大节约了混凝 土和钢材的用量 土建直接费用为 1 250元 m2 不 算绿化 水电 交通等 每栋楼造价 2 228万元 比 常规结构 1 500 元 m2 节约 17 820 0 025 445 5 万元 6结论 1 采用本文的方法进行设计 能够保证结构 下转第 57 页 8 第 44 卷 第 13 期张再华 等 两种多高层装配式钢结构体系及技术特点比较分析 于对柱单元进行了整合 同时该体系梁柱连接具有 自锁功能 整个体系的装配效率比较高 图 19ConXL 体系结构装配流程示意 与 Conxtech 钢框架体系各层框架柱是一个装 配单元不同 空腹梁支撑钢框架体系每层框架柱均 是一个断开的单元 各层框架柱与 C 形钢斜撑在 工厂整合为一个装配单元 而楼面桁架梁与压型钢 板组合楼面板则整合为另一个装配单元 两个装配 单元通过设于楼盖单元中的梁端柱套连接 两个吊 装单元逐层顺次安装 在底层楼盖系统安装完成后 自然形成上一楼层装配的施工平台 这种搭积木式 的分层装配式安装工艺 图 20 可以有效减少高空 作业 极大提高了安全性及施工效率 图 20桁架梁支撑钢框架体系结构装配流程示意 4结论 1 在装配式钢结构体系中 构件连接节点的 构造与受力性能是结构体系性能好坏的一个关键因 素 本文介绍的两种装配式结构体系 梁柱连接构造 方式简单 安装方便 传力性能满足体系对梁柱间传 力性能的要求 对同类型结构体系的研究具有很好 的参考价值 2 Conxtech 钢框架体系根据不同的使用条件 开发了 4 种子体系以适应不同的使用要求 同时采 用了现浇楼盖 建筑空间布置相对较为灵活 适用范 围较广 而空腹梁支撑钢框架结构体系目前没有针 对不同使用要求开发相应的子体系 只是针对不同 的使用高度对框架柱壁厚进行了调整 同时楼盖系 统采用了功能集成的模数化设计 工业化程度高 现 场装配施工效率高 但目前开发的模数较为单一 对 建筑空间布置有一定影响 3 Conxtech 钢框架体系得到了 2010 版美国 钢结构抗震设计规范的推荐 该规范对 Conxtech 钢 框架体系的结构分析与节点设计都给出了明确规 定 是一种具有成熟设计方法的结构体系 空腹梁 支撑钢框架结构体系是全新的装配式结构形式 目 前尚无针对该结构体系的具体设计规定 研究制定 针对该结构体系的具体分析设计规程 对这种新型 装配式结构体系的应用推广具有十分重要的意义 参考文献 1 GONG MIN ZHUWEI Greenbuildingperformance analysis of high rise residence in steel structure residence system J Advanced Materials esearch 2012 461 83 87 2 王伟 陈以一 余亚超 等 分层装配式支撑钢结构工 业化建筑体系 J 建筑结构 20