建筑技术丨高强钢组合梁屋盖内力变形控制措施

1 工程概况

中关村论坛永久会址主会场跨度47.6 m，由于建筑规划高度限制和使用功能要求，结构楼板和精装吊顶之间的高度控制在2.4 m以内，且屋面为种植土重型屋面，常规的空间桁架或网架结构难以实现。为增大主会场使用净高，工程应用了国内罕见的高强度大跨度H形钢梁组合楼盖体系。

组合梁采用变截面H型钢，材质Q460 GJC，中间截面H1 200 mm×450 mm×20 mm×35 mm，两端截面H1 900 mm×450 mm×20 mm×35 mm，高跨比达1/36。

大跨度钢梁共计20根，楼板采用预制混凝土叠合板。大跨度组合梁楼盖结构体系如图1所示。

图1 大跨度组合梁楼盖结构体系示意

2 组合梁屋盖内力变形施工控制措施

2.1 大跨组合梁负弯矩区构造设计

本工程大跨度组合梁在设计荷载下变形较大，负弯矩区钢梁与楼板如采用常规连接作法，将会导致负弯矩楼板内力过大而开裂。为了更好地协同组合梁负弯矩区楼板与钢梁的变形差，在大跨度梁支座负弯矩两侧的5.8 m范围内采用了抗拔不抗剪栓钉，以避免楼板承受不必要的内力。同时在支座两侧的1.5 m范围内设置后浇带，待楼板变形完成后进行浇筑。大跨度组合梁构造与支撑方案如图2所示。

图2 大跨度组合梁构造与支撑方案

2.2 大跨组合梁楼盖施工方案设计

考虑到组合梁楼盖的受力特点，为了降低大跨度钢梁施工阶段的内力，组合梁楼盖施工采用了临时支撑措施，楼板与钢梁形成组合后拆除临时支撑。大跨度组合梁卸载顺序如图3所示。

图3 大跨度组合梁卸载顺序

3 组合梁屋盖施工过程分析

针对拟采用的技术措施和施工方案，建立了大跨组合梁施工阶段分析模型，模拟组合梁挠度和应力变化情况，以验证实施效果。施工过程模拟分析如图4所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

图4 施工过程模拟分析

（a）组合梁卸载完成钢梁应力；（b）屋面荷载完成钢梁应力；（c）楼板最终应力结果；（d）楼板（钢梁）最终变形结果

分析采用MIDAS计算分析软件，模拟大跨度组合梁混凝土浇筑完成，形成组合作用后，拆除支撑及面层加载的过程。模型所有结构构件的截面、材质与施工图完全一致。钢梁和钢柱采用梁单元，楼板采用板单元，其中大跨度钢梁设置为偏心梁，偏心位置位于梁顶中心，正弯矩区板单元与梁单元通过弹性连接形成组合作用，负弯矩区板单元与梁单元仅设置竖向弹性刚度，以模拟抗拔不抗剪栓钉作用。

根据施工模拟分析，卸载过程中楼板最大应力位于临时支撑附近，最大应力达到9.8 N/mm²；支撑卸载完成后，楼板最大内力转移至周边，最大应力5.0N/mm²；屋面建筑面层施工完成后，楼板最大内力位于大跨楼板中部，最大应力14 N/mm²。

施工过程中楼板应力均小于混凝土强度设计值19.1 N/mm²，大跨组合梁负弯矩区楼板内力较小，设置抗拔不抗剪栓钉发挥了重要作用。卸载完成时钢梁最大应力113 N/mm²，屋面荷载施工完成最大应力260.9 N/mm²，均小于Q460钢材设计值，且冗余量较大，拟定的卸载方案满足安全性要求。

卸载过程中楼板最大挠度起初位于边跨，最大挠度9 mm，后续最大挠度转移至中间跨，卸载完成最大挠度24.5 mm；屋面建筑面层施工完成后，最大挠度135 mm，最终挠度变形作为施工中大跨度钢梁预起拱值，以实现最终结构形态与建筑设计一致。

4 组合梁屋盖施工过程监测

本工程钢结构屋盖跨度和覆盖面积大，受力复杂，在施工过程中，变截面组合梁搁置在临时支撑架上，组合楼板达到设计强度后即可拆除临时支撑。

在整个卸载过程中，利用监测系统，对大跨度钢梁的应力和变形进行跟踪监测，为卸载工作的顺利进行提供技术保障。

通过监测结果发现：卸载过程中应变突变值基本在400个微应变范围内，最大卸载过程带来的自重附加应力为82.4 MPa，卸载过程中的最大位移变形量约18 mm。

对比理论计算结果发现，变形和应力理论值比实际监测值均稍大，究其原因主要是由于模型刚度和荷载与实际存在偏差所致，同时还可验证计算和监测结果的可靠性，该数据符合钢结构设计规范内容。

随着整体施工进度的不断发展，结构应力也逐渐增大，在此过程中未出现较大的应力，结构整体挠度变形均在计算范围内，由此可知该结构整体受力较为安全可靠。

5 结束语

组合梁结构充分利用了钢与混凝土材料的特性，在大跨度桥梁结构中应用较多，民用建筑中较为少见。

本研究以中关村论坛永久会址主会场工程为例，介绍了Q460高强钢47.6 m跨度组合梁楼盖在民用建筑中的内力控制措施与施工方法。

大跨度组合梁施工采取临时支撑措施，科学的支撑卸载顺序，降低了大跨度钢梁和混凝土楼板施工阶段内力。负弯矩区设置抗拔不抗剪连接件和后浇带，优化面层施工顺序，有效地控制了混凝土楼板裂缝的开展，以工程的实际提供了保障。