鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要:針對現澆混凝土空腹樓蓋技術新型建筑結構體系的建立,結合鋼結構發展趨勢,研究開發出一種將鋼筋混凝土與鋼結構組合的空腔樓蓋,進一步改善鋼結構防火、防腐生銹、節約凈空、裝修方便、保溫、隔熱和隔聲性能,為建筑結構領域又提供了一個嶄新的鋼-混凝土組合空腔樓蓋結構體系。
關鍵詞: 鋼結構; 鋼筋混凝土; 現澆; 鋼-混組合; 空腔樓蓋; 空腹樓蓋; 密肋樓蓋
1. 研究背景
就結構材料而言，目前建筑結構主要有砌體結構、混凝土結構和鋼結構。近年來，隨著我國鋼產量的持續提高，鋼結構得到了迅速發展，而鋼結構所采用的樓板目前主要為現澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板。現澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板因為自重大，其跨度受到很大限制，因而要求在鋼結構中增加很多次梁；現澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板均做在鋼梁的上表面，為了保證樓板和鋼梁的共同工作，通常在鋼梁的上翼緣焊接成排的圓柱頭栓釘，增加了施工工序和建造成本，同時由于樓板做在鋼梁的上表面，樓板不能對鋼梁的防火和防腐進行保護，還占用了建筑物寶貴的凈空；如采用壓型鋼板組合樓板，壓型鋼板本身的防火和防腐問題更加突出，并且給后期裝修增加了難度，多數情況下，需增加吊頂；此外，現澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板因為采用實心結構，其保溫、隔熱和隔聲性能也較差。因此，迫切需要研究開發出一種適合鋼結構建筑體系的跨度大、與鋼梁整體工作性能好、施工方便、能對鋼梁的的防火和防腐進行有效保護、節約凈空，裝修方便，并且具有優良保溫、隔熱和隔聲性能的樓蓋。
2. 研究目的
研究開發出一種適合鋼結構建筑體系的跨度大、與鋼梁整體工作性能好、施工方便、能對鋼梁的的防火和防腐進行有效保護、節約凈空、裝修方便，并且具有優良保溫、隔熱和隔聲性能的鋼-混凝土組合空腔樓蓋。
3. 研究方案
鋼-混凝土組合空腔樓蓋由鋼梁、面板、底板、肋梁和BDF薄壁箱體組成。其構造方案如圖1所示。
圖1鋼-混凝土組合空腔樓蓋構造圖
1-鋼梁 2-面板 3-肋梁主筋 4-模板 5-BDF薄壁箱體 6-肋梁
7-鋼絲網 8-面板鋼筋 9-箱體凹面 10-箱體孔 11-箱體底板 12-混凝土
鋼梁由上翼緣、腹板和下翼緣組成，腹板上留有供肋梁底部鋼筋和預埋管線通過的孔，鋼梁的上翼緣、腹板和下翼緣內壁由混凝土包裹；面板為單層雙向配筋的鋼筋混凝土板；底板為鋼絲網混凝土板；肋梁為上、下部均配筋的鋼筋混凝土梁，上部鋼筋通過鋼梁上翼緣，下部鋼筋通過鋼梁腹板，縱、橫向肋梁鋼筋骨架交叉形成安放BDF薄壁箱體的網格； 薄壁箱體由底板、框體和頂蓋構成，底板外表面至少有兩個弧型凸起，底板與頂蓋上開有相對應的孔，底板上的孔設置在其表面弧形之間的凹處，底板與頂蓋的孔通過封閉貫穿通道連接，薄壁箱體和貫穿通道為整體密封，底板圓弧的高度小于樓蓋底板的厚度并小于18mm。薄壁箱體的底板與樓蓋模板間設置鋼絲網或玻璃纖維布，底板弧型凸起與樓蓋模板間隙滲入足量的混凝土砂漿，將底板與鋼絲網或玻璃纖維布澆注為一體，形成樓蓋底板。薄壁箱體采用特種水泥砂漿制成，在特種水泥砂漿中間加玻璃纖維絲或纖維布。薄壁箱體貫穿通道中間直徑相等，兩端與頂蓋、底板上的孔相接的地方至少有一端放大成喇叭口狀，如圖2所示。
鋼-混凝土組合空腔樓蓋是在鋼梁的腹板中預留密肋梁下部鋼筋和預埋管線通過孔。將鋼梁的上翼緣板、腹板、下翼緣板內壁澆注在樓蓋內，使得鋼梁腹腔混凝土與整個樓蓋混凝土成為一個整體，增強了鋼梁的鋼度，鋼梁的上翼緣板、腹板、下翼緣板內壁封閉在樓蓋內，可不用涂抹防火材料，達到結構安全可靠和節省成本和的目的; 薄壁箱體底板采用至少兩個弧形凸起可以使混凝土砂漿完全滲入薄壁箱體與樓蓋模板之間，保持薄壁箱體的
穩定性及樓蓋下表面的光滑，通過薄壁箱體中間的貫穿孔，可以方便有效的將混凝土砂漿從頂蓋上一
圖2 BDF薄壁箱體(鋼-混凝土組合空腔樓蓋技術)
直灌到底板與樓蓋下層之間，消除了現有技術中的薄壁箱體中間混凝土砂漿不能完全灌入的問題，利用薄壁箱體里的支撐物，可以提高薄壁箱體抗頂壓和側壓的能力，整個薄壁箱體除了貫穿通道孔外都是密封的，這樣可以防止混凝土砂漿從縫隙中進入，避免增加整個樓蓋的重量。薄壁箱體中間貫穿通道與頂蓋和底板孔洞相接的地方做成喇叭狀，這樣就增大了薄壁箱體貫穿通道與混凝土砂漿的接觸，對樓蓋上層的沖壓和下層的應力都產生很大效果，薄壁箱體的頂蓋采用弧形凸起可以適當的分解整個薄壁箱體的受力面積。
鋼-混凝土組合空腔樓蓋，減少混凝土用量達到重量輕、結構合理、提高整體防裂縫和抗地震的效果，其成孔用的薄壁箱體是利用模具能夠在最短的時間內制造出來，且在其半凝固時就將頂蓋或側板與框體或長方體模合在一起，節省了時間，取消了現有技術中涂粘接劑和另加疊合層的手續。用上述薄壁箱體現場澆注的樓蓋底面光滑，只需簡單裝修即可使用，有些特殊工程還免除了現有技術需要抹灰和裝飾填空的手續。
4. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的計算原則和構造要求
鋼-混凝土組合空腔樓蓋是在密肋樓蓋的基礎上，將樓蓋底板采取新工藝形成封閉空腔樓蓋，一般用于跨度較大的情況，采用“工字形”鋼梁和鋼筋混凝土空腔密肋樓板實現該樓蓋。可分為單向密肋樓蓋和雙向密肋樓蓋兩種。當建筑的柱網為方形或接近方形（長寬比小于1.5倍）時，可采用雙向空腔密肋樓蓋。空腔密肋樓蓋的柱距一般不宜大于15m；肋梁的間距一般為0.65～1.2m，常采用1.0m；肋梁的高度通過計算確定，可取跨度的1/35～1/45，肋梁的寬度為0.1～0.2m，當柱距較小時，肋梁的間距和高度可相應減小。空腔密肋樓蓋網格為定型規格合模尺寸，確定密肋網格布置及選用密肋的截面尺寸時必須考慮箱體的規格尺寸，宜于合模。
1）計算原則：空腔密肋樓蓋設計計算可參考普通密肋樓蓋的計算原則。
2）構造要求：面板中應配置雙向鋼筋網，每個方向按樓面板全截面計算的配筋率不宜小于0.15 ％，鋼筋直徑不宜小于6mm，鋼筋間距不宜大于250mm。在柱頂托板所在的肋網格內，其頂面宜附加加強鋼筋網片；在肋梁中，配有負彎矩鋼筋的區段（包括托板的范圍內）因配置封閉的箍筋，在正彎矩區段可配置開口箍筋；正彎矩作用時肋梁按T形截面計算，負彎矩作用時肋梁按寬度等于肋梁底部寬度的矩形截面計算； 僅當采用分離式配筋時，其正彎矩鋼筋宜全部伸入支座。樓蓋主肋梁的鋼筋延伸長度應按其彎矩包絡圖或梁的構造規定確定。
5. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的施工
參見圖1，當樓房的鋼柱、鋼梁框架建好后，在建造樓蓋時，在鋼梁1的左右側面鋪設樓蓋模板4，然后在樓蓋模板4上再鋪上一層鋼絲網，再將按設計圖紙布置的肋梁6下部鋼筋3，從型鋼1腹板的預留孔中穿過，過長的鋼筋可以采用現場焊接的方式安裝連接，肋梁6的上部鋼筋從型鋼1上翼緣上部通過，最后縱橫肋梁6形成安放薄壁箱體的網格，然后在網格中安放薄壁箱體，帶多弧面的薄壁箱體底板11安置在樓蓋模板4上面的鋼絲網上，再鋪設空腔樓蓋上翼緣板8的構造鋼筋，同時將型鋼1下翼緣邊緣至樓蓋底模板4處搭建一個斜支撐面，以增大型鋼與鋼筋混凝土的接觸面，將預留預埋管通過腹板的預制孔洞和接線盒放置在肋梁6鋼筋骨架中，用混凝土布料機在肋梁6中鋪一層稀釋混凝土砂漿，讓稀釋混凝土砂漿滲入到薄壁箱體底部，在建筑震動棒的強烈震動下，使混凝土砂漿從薄壁箱體的四周外沿灌入到底板11并向底板中心連通管道9流動，底板弧型凸起的高度小于樓蓋下翼緣板5的厚度且小于18毫米，為防止底板11與建筑模板4之間的混凝土砂漿不密實，可從薄壁箱體的連通管道9中注入混凝土砂漿，同時將建筑震動棒垂直插入連通管道9中強烈震動10秒鐘，讓混凝土砂漿再向四周擴散，混凝土砂漿在建筑震動棒的作用下，緊密結合形成樓蓋下翼緣板5，隨后將批量混凝土砂漿泵入樓蓋上翼緣板8鋼筋2和肋梁6框架中，再用建筑震動棒器震動薄壁箱體預留孔洞的混凝土,密實由多個薄壁箱體形成的空心層和上翼緣板8，最后將上翼緣板8表面水平找平。為防止薄壁箱體在澆注時浮起，必須進行抗浮處理，樓蓋在現澆時將肋梁6用鐵絲穿入模板與樓蓋模板4下面的腳手架固定在一起，混凝土凝固后拆掉樓蓋模板4后實現鋼-混凝土組合空腔樓蓋。詳細施工方法見《鋼-混凝土組合空腔樓蓋施工工法》。施工照片見圖3～圖6。
圖3支模板圖 圖4肋梁鋼筋和薄壁箱體安裝
圖5面板鋼筋安裝 圖6 拆模后效果
6. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的受力性能試驗。
詳見《鋼-混凝土組合空腔樓蓋受力性能試驗研究報告》
鋼-混凝土組合空腔樓蓋受力性能試驗結果表明：
1）鋼－混凝土組合空腔樓蓋在使用荷載下具有良好的工作性能，在第9級荷載之前（916.2kg/㎡）,沒有出現裂縫；即使在很大的試驗荷載下，箱體下滿布的鋼絲網可使樓蓋僅產生細而密的裂縫，樓蓋中央的變形只有21mm。
2）鋼－混凝土組合空腔樓蓋具有很高的承載能力，在第28級荷載（板中荷載3830.0kg/㎡，板邊荷載951.0kg/㎡）下,僅跨中部分肋梁底部鋼筋才屈服；
3）鋼－混凝土組合空腔樓蓋中鋼梁與混凝土樓板具有良好的共同工作性能，在第28級荷載（板中荷載3830.0kg/㎡，板邊荷載951.0kg/㎡）下，鋼梁與混凝土樓板未發現脫離現象；肋梁每隔一定距離（本試驗為1m）給鋼梁提供側向支撐點，能有效地提高鋼梁的穩定承載力。
4）鋼－混凝土組合空腔樓蓋的設計計算可按現行《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）和《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）進行，按試驗采用的構造措施可滿足鋼－混凝土組合空腔樓蓋正常使用和承載能力要求。
5）鋼－混凝土組合空腔樓蓋按《鋼－混凝土組合空腔樓蓋施工工法》（另提供）組織施工可達到一次澆注成型的目的。
6）四種鋼梁的構造方式均能滿足滿足鋼－混凝土組合空腔樓蓋正常使用和承載能力要求，建議采用第二、三種方式，既可有效解決鋼梁的防腐、防火問題，有能獲得較好的結構外觀。
7. 性能特點及經濟效益
1）防火性能好；“工字形”鋼梁用混凝土包裹，可無需要凃防火凃料。減小了消防隱患：傳統的型鋼結構因設明次梁和壓型鋼板，需要進行裝飾，裝飾材料本應要求做防火處理，據了解民用建筑裝飾幾乎均未采用防火裝飾材料，帶來了消防隱患，因該結構去掉次梁和壓型鋼板無需進行裝飾。
2）防銹；去掉了壓型鋼板生銹的因素。
3） 增加了空間；將樓蓋厚度由130mm降低為40mm，毎層節約高度90mm，若40層高樓可多建一層。
4） 減輕主樓基礎荷戴；由于樓蓋厚度由130mm降低為40mm后含密筋梁總的折算厚度為105mm，恒載減輕10%；
5） 樓蓋光滑平整：去掉壓型鋼板和工字型次梁，在一個網柱內樓蓋底層光滑平整,不需要被動裝飾。
6） 保溫隔音效果好：樓蓋中埋入了箱體，當樓面因沖擊發出的聲音，受到密封箱體空氣介質的作用，削減聲波能量影響，底樓層不受上樓層因震動和撞擊發出聲音的影響。
7） 抗震性能好：采用在腹板成孔貫通肋梁底部鋼筋技術，增強了結構的整體性，提高了抗震能力。
8） 刻服板的位移：“工字形”鋼梁用混凝土包裹，刻服了現澆的鋼筋混凝土在型鋼上翼緣接觸面小，防止位移需焊接圓柱頭栓定位，
9） 綜合建價降低：毎平米綜合造價降低約130元：
10） 符合我國建設采用“新技術、新材料、新工藝、新設備”和“節能省地型”建筑的要求
總之：經過上述分析研究總結，“ 現澆型鋼混凝土組合空腔樓蓋”項目，符合國家建設宏觀政策，該項目發展潛力很大，已經形成較好的創新技術效應，項目已促進建筑科學技術進步，將成為一種嶄新的建筑結構體系，該項目同時能產生巨大的經濟效益和社會效益。
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