自20世纪80年代以来, 马克俭院士先后提出了钢筋混凝土空腹网架楼盖^[1]、钢筋混凝土空腹夹层板楼盖^[1]、U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖^[2]等大跨度钢筋混凝土结构, 这些新型结构较传统结构具有更好的力学性能, 在各地的工业与公共建筑中得到了大量应用, 产生了良好的经济效益^[3]。21世纪初, 马克俭院士又提出了大跨度装配整体盒式结构体系^[4], 这种新型结构体系, 采用装配整体式结构, 楼面、屋面可根据实际情况划分成若干拼接单元, 独立单元在工厂预制, 运输至施工现场进行拼装, 可以有效地提高施工效率, 保证工程质量, 已在湖南九华创新园 (图1) 、中国南车大自然工业园厂房 (图2) 、贵阳市沙文工业园 (图3) 、贵阳凯宾斯基大酒店 (图4) 等多个项目的多、高层工业与民用建筑中得到应用。

　　 大跨度装配整体式H型钢空间钢网格结构是大跨度装配整体盒式结构体系中的一种楼盖 (屋盖) 结构形式, 这种结构的空间刚度大, 承载能力强, 构件稳定性能优越, 在支座及集中荷载等应力集中作用区域, 具有良好的适应性能, 可以满足重型荷载、动荷载等对结构刚度要求较高的多、高层工业与公共建筑。

　　 本工程为某项目加层设计, 原结构地下一层, 地上一层, 地面以上部分建筑高度13.48m。原结构为现浇钢筋混凝土框架结构, 为充分利用原有结构空间, 现需在原结构7.480m层高处增设一层楼面, 此楼面的使用功能为歌舞厅。结构长32m, 宽24m, 原结构平面布置见图5。由于使用方对楼层的净空、结构方案的经济性和施工周期都做出了严格要求, 同时楼盖的工作荷载较大, 采用传统梁板、桁架结构等无法满足使用及工期要求。限于篇幅, 本文仅介绍楼盖部分的结构设计。

　　 空间钢网格应结合建筑楼盖平面形状及柱网布置来进行划分。一般情况下, 每个柱网内每边网格数不应少于5格, 网格尺寸宜为1.5~2.5m, 可根据柱网情况适当调整。根据柱网布置、柱网尺寸、荷载大小和建筑设计要求, 当柱网为矩形平面时, 可采用正交正放、正交斜放网格;当柱网为三角形、六边形或圆形时, 可采用三向网格。

　　 为使结构受力合理, 应使结构长向、短向的传力尽量均匀。根据结构的平面布局, 针对长宽比小于1.5的建筑结构, 可以采用正交正放空间钢网格楼盖;长宽比大于1.5, 则应采用正交斜放空间钢网格楼盖^[5]。本项目的长宽比为32/24=1.33, 可以采用正交正放H型钢空间钢网格楼盖。

　　 本文楼盖的纵向与横向柱网间距均为8m, 为使网格双向受力, 同时便于施工, 楼盖网格宜大小一致, 钢网格尺寸取为2.0m×2.0m。楼盖结构布置如图6所示。网格结构高度取为短向跨度的1/20。钢筋混凝土板取为156mm (折算厚度100mm) , 上肋截面、下肋截面采用HM300×200×8×12 (热轧H型钢) ;上、下肋间采用□300×300×8×8方形钢管剪力键连接, 钢网格楼板剖面见图7。根据结构受力特点, 并考虑运输方便等因素, 对钢网格结构进行单元划分, 虚线表示相邻单元的分界线, 各单元编号见图6。拼装单元见图8。

　　 本项目设计荷载主要有:结构楼板自重为2.5k N/m² (有限元模型中已考虑) , 楼面做法荷载为2.0k N/m², 灯光照明荷载为1k N/m², 吊挂设备荷载为2k N/m²;根据使用功能, 活荷载取9k N/m²。本工程抗震设防烈度为6度, 可不考虑竖向地震作用。

　　 材料选取如下, 型钢、钢板:Q345B;钢筋:HPB300;混凝土:C30。

　　 本设计采用通用有限元设计软件STAAD/Pro进行计算。

　　 考虑到本设计是原有结构的加层改造, 模型采用四边简支支座, 上、下肋及剪力键采用梁单元, 钢筋混凝土板采用板单元。通过分析计算, 楼盖的最大弹性挠度为76.7mm, 位置在楼盖的中心处, 为跨度的1/313, 满足规范允许的变形要求。结构的前6阶振型自振周期见表1, 楼盖结构的基本自振周期为0.45s, 以竖向振动为主, 结构竖向刚度较大。

　　 竖向荷载作用下, 结构轴力、弯矩、剪力包络图见图9~12。通过静力分析可知, 楼盖在设计荷载的作用下, 除支座附近部分构件出现较大的应力集中外, 应力整体分布比较均匀。上层混凝土板主要处于压-弯状态;上肋构件主要处于压-弯状态, 局部弯矩和轴力由支座至跨中逐渐减小, 整体分布比较均匀;下肋构件主要处于拉-弯状态, 轴力由支座至跨中逐渐增大, 而局部弯矩逐渐减小;剪力键构件主要承受剪力作用, 局部弯矩较小, 轴力非常小, 从支座至跨中, 弯矩和剪力逐渐减小。

　　 上、下肋型钢截面由计算结果确定。装配整体式H型钢空间钢网格楼盖轴力和弯矩分布均匀, 结构无主次梁之分, 结构受力合理, 空间作用显著。楼盖的支座附近出现相对较大的负弯矩区, 针对支座附近的应力集中现象, 在结构设计中将周边支座附近区域一个网格范围内, 采用方钢管剪力键加劲板通长设置的构造措施, 可以满足结构的设计要求。拼装单元的拼接节点设置在网格中点处, 采用10.9级摩擦型高强螺栓等强连接, 接触面喷砂后涂无机富锌底漆, 相关要求应符合《钢结构设计规范》 (GB50017—2003) ^[6]中相关规定。

　　 为方便结构施工, 剪力键采用方形钢管。剪力键所承受的力主要为两侧上 (下) 肋轴力差的较大值ΔN, 对剪力键进行抗剪验算。根据《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[6]的规定, 剪力键方形钢管截面按下式计算:

　　 式中:f_v为钢材的抗剪强度设计值;A_s为剪力键的剪切截面面积。

　　 为提高剪力键的抗剪刚度, 保证结构的整体空间受力效果, 可以在方形钢管两个方向设置加劲板, 加劲板厚度同方钢管厚度, 如图13所示。为使加劲板与方钢管整体作用, 应保证剪力键的宽高比 (B/H) 不小于1, 使剪力键整体形成“块体”效应, 增大抗剪刚度, 提高楼盖的整体受力性能。在方钢管内侧与上、下肋型钢焊接处设置水平加劲板, 厚度应不小于方钢管壁厚, 以保证上、下肋型钢可靠传力, 保证剪力键的整体稳定。

　　 楼面混凝土板根据计算分析结果进行配筋。本设计配筋为双层双向钢筋网, 保护层厚度为15mm。楼板采用镀锌压型钢板作为混凝土板的模板, 在加快施工进度的同时, 可以起到减少混凝土板裂缝的作用。在压型钢板的每个波谷处增加一根钢筋, 波谷处细铁丝绑在板下层钢筋上, 用以固定压型钢板波谷处钢筋。垫块为梅花形间隔布置。上肋型钢顶面设置栓钉 (栓钉个数、规格根据计算确定) 来保证上层混凝土板与钢网格结构的整体协同工作。相关构造详见图14。混凝土板的设计应符合《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[7]中相关规定。

　　 楼盖钢网格可以根据施工需要灵活划分拼装单元, 拼装单元在工厂制造, 上、下肋H型钢腹板处设置高强螺栓安装孔, H型钢上翼缘设置栓钉。

　　 空间钢网格结构楼面应按跨度1/500预起拱。在施工现场预先搭设竖向支撑, 竖向支撑应设置在拼装单元的剪力键下方, 支撑数量应由计算确定。支撑强度应经过计算, 荷载包括混凝土板重、钢网格重及施工荷载 (包括模板等) , 同时应采取可靠措施, 以防止在施工过程中产生沉降, 造成钢网格结构的安装误差。在施工过程中应校核相关荷载 (包括施工荷载) 是否超过设计荷载, 否则屋架下弦应增设支撑, 以保证屋架的整体安装精度。楼板需浇筑28d后, 待混凝土强度达到100%设计强度时方可拆除支撑。下肋支撑布置见图15。

　　 拼装单元放置在施工现场的支撑上, 连接点采用“栓焊结合”的连接方法, 现场等强连接的工序为:1) 根据结构单元拼装图, 在需要连接的H型钢腹板处采用高强螺栓等强连接, 翼缘处采用对焊等强连接;2) H型钢上翼缘按设计要求设置栓钉, 同时铺设压型钢板底模, 防止浇筑振捣时出现漏浆的情况。H型钢现场拼装顺序见图16。根据设计要求, 将各单元拼装完成后形成钢网格整体屋架。楼面现场施工见图17。

　　 某已建石化建筑抗爆屋盖采用正交正放H型钢空间桁架结构, 桁架结构高度为2 800mm, 混凝土板厚200mm, 结构总高度为3 000mm, 屋盖下部设置1 000mm高的吊顶层, 以满足空调通风、自动喷淋、照明等智能化综合布线要求。钢桁架布置见图18, 钢桁架几何尺寸见图19。

　　 图1 8 正交正放钢桁架平面布置

　　 对原屋盖结构方案进行优化, 现采用大跨度装配整体式H型钢空间钢网格结构进行屋盖设计。结构长宽比为40/24=1.67, 大于1.5, 应采用正交斜放的布置方式。由于此建筑物的柱网间距为4m, 柱网较密, 钢网格取为4m×4m。屋盖除正常使用荷载外, 还要考虑爆炸荷载作用, 结构高度取为1 800mm, 为结构跨度的1/15。上、下肋间净空为1 000mm, 可满足综合布线要求。空间钢网格屋盖布置见图20, 钢网格楼板剖面见图21。

　　 根据计算结果, 对两种屋盖方案的用钢量、结构高度、吊顶高度及制作安装方式等指标进行对比。经济性指标对比见表2。

　　 通过经济性指标对比可知:正交斜放H型钢空间钢网格屋盖较正交正放钢桁架屋盖用钢量下降54.9t (27.5%) ;屋盖结构高度降低1.2m, 同时减小吊顶高度1m, 屋盖结构总高度降低2.2m。由于层高降低, 采暖通风费用大幅减少, 在建筑物几十年的使用周期内, 可以产生可观的经济效益, 同时节能减排效果明显, 符合国家绿色环保建筑的发展方向。

　　 (1) 采用本文介绍的设计方法和相关构造措施, 能够满足国家相关标准规范的要求, 结构安全可靠。

　　 (2) 结构受力合理, 结构刚度大, 内力分布均匀, 空间效应明显, 用钢量明显降低。

　　 (3) 较传统结构高度大幅降低, 内部空腔可穿越各种管线, 结构简洁大方, 造型优美, 可大幅节约建筑空间, 降低采暖通风成本。

　　 (4) 采用装配整体式结构, 拼装单元工厂制作, 质量得到可靠保障。装配单元现场高强螺栓连接, 施工便捷, 提高施工效率。