寒地某图书馆采光屋顶中大跨型钢混凝土结构的设计

寒地某图书馆采光屋顶中大跨型钢混凝土结构的设计

赵冬雪

哈尔滨工业大学建筑设计研究院哈尔滨150090

【摘要】本文通过设计实例介绍并总结大型钢混凝土技术在寒冷地带学校图书馆建筑中采光屋顶的应用。

【关键词】型钢混凝土；采光屋顶；型钢节点处理

0引言

近年来随着国家经济形式的发展，在全国各地国家重点扶持和建设了一批大型的学校公共类建筑，作为学校建筑中最为重要的配套建筑，图书馆不仅仅是学生日常学习的场所，更是一个与知识交流，与人交流，提升自我修养的场所。而图书馆的中庭作为建筑中最重要的公共空间，通常都是普通混凝土结构难以实现的大跨度空间。在以往的中庭大跨度空间的设计中，通常是采用钢结构平板网架，桁架或实腹钢梁等形式来营造采光天窗所需要的效果。但是本工程所处地区为寒冷地区，根据以往的工程经验，由于冬夏温差较大等因素钢结构从保温和耐久性上都不是非常理想，后期维护费用也较高，而且建筑的创作者想要混凝土构件的厚重感营造出图书馆作为文化建筑的庄重效果。经过与建筑师的反复讨论，笔者结合日渐成熟的型钢混凝土技术在本工程进行应用，总结如下心得。

1工程概况

本工程为吉林铁道职业技术学院新校区建设项目，工程地点位于新校区位于永吉经济开发区，与吉林市毗邻，距吉林市一中12千米，位于202国道一侧。校区总用地面积87.23公顷，总建筑面积193413.63平方米，图书馆位于校区中轴线的中心位置，建筑层数地上四层局部地下一层，建筑高度23.6米；大跨度框架结构。中庭跨度24.3mX32.1m，四层顶最大跨度处水平投影长度为32.1米，斜屋面，屋面倾斜角度23°，为满足建筑对空间要求，结构采用型钢混凝土梁与型钢混凝土柱结合的方式，型钢梁1000mx2000m，型钢柱1000x1000.见-图一剖面大样，图二四层结构平面布局图。

2方案选择

由于本工程屋面跨度较大，短跨方向的跨度也为24.3米，屋面造型由于采光天窗的关系呈锯齿状，屋面排水就变成了大问题，因为本身图书馆内馆藏图书丰富，如果一旦漏水，损失巨大。如果以24.3米为中心向双向排水的话，屋面找坡的自重会非常大，进过反复试算，梁截面很大且无法保证建筑美观要求，而且采光方向建筑对梁截面高度要求严格，只能在垂直于天窗的方向解决此问题。如何既减低采光方向的梁截面，又能最大限度的减小屋面排水层的厚度，经过反复研究，决定采取双梁的方法，将原本三跨的排水坡长分为三段，每段双梁之间形成的空隙作为排水沟，水汇聚到9轴和10轴之间的排水沟后，沿屋顶23度的倾斜角度汇集到底部天沟内排走。这样既解决了建筑的排水问题，结构本身每根梁的负荷面积也减少了一半，降低了梁截面，同时在沿着采光天窗方向，次梁截面可以降低，最终经过试算，次梁宽500mmx高600mm。

3设计难点

3.1截面选取：

型钢混凝土梁由于在钢筋混凝土结构中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性。所以此种结构的承载能力大，刚度大，抗震性能号，非常适合吉林抗震设防烈度为8度的地区。型钢混凝土结构与钢结构比，防火性能好，结构局部和整体性好，后期维护费用低，特别适合校园建筑后期维护成本受限的情况。

本工程根据其跨度大，荷载大的特点，型钢梁截面选取为：混凝土部分1000mmx2000mm，为跨度的十六分之一；内部型钢截面700mmx1700mm。见下图三：

本工程采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列SATWE及TAT软件进行结构分析。并采用《型钢混凝土组合结构构造与计算手册》一书编著者所有的LBW软件进行校核。混凝土部分截面上下纵筋按构造配筋，各14根15钢筋（三级钢），第一排十根，第二排四根，每侧各两根。型钢部分腹板厚度22毫米，翼缘厚度50毫米，支撑加劲肋板厚12毫米，加劲肋用于梁上集中力作用处，即次梁位置设置一排，梁上柱处设置二排。

3.2型钢部分与钢筋砼部分的连接：

型钢部分与钢筋砼部分的连接，采用型钢预留穿钢筋孔方法。型钢的所有预留孔应根据相关钢筋砼构件施工图，在工厂精确放样机械加工，不得气割开洞。当钢筋砼构件的钢筋遇到型钢时，优先考虑钢筋冷加工弯折绕过型钢并满足锚固长度要求。型钢钢板预留穿钢筋孔的孔径D=d+8mm（d为钢筋直径）；两排预留孔之间的竖向中心距离≥2D，同一排预留孔的各孔水平中心距离≥2.5D，预留孔中心距离钢板边缘距离≥2D。型钢所有预留孔洞处应设置补强钢板栓钉采用‚19圆柱头焊钉，长度为80mm，其间距为@200X200，距钢板边缘距离宜大于50，栓钉与钢板的连接采用全熔透焊缝。

3.3型钢部分：

型钢材料采用牌号Q345-B级结构钢，临时连接构件和预埋件的钢板材质可以采用Q235-B级。所有钢构件不得涂刷油漆、不得有油渍，在浇捣混凝土前应除锈清渣。型钢的各钢板之间连接均采用坡口全熔透焊缝，并执行《建筑钢结构焊接技术规程JGJ81》。焊缝质量均为一级焊缝质量等级。安装单元长度应根据现场吊装能力、运输能力和规范要求确定，所有拼接接头要求等强。钢板厚度大于等于40mm时，检测钢板Z向性能。

3.4大跨度型钢混凝土结构连接节点的处理：

由于本工程屋面跨度较大，不同于以往的型钢混凝土结构仅柱端需要做连接节点，且本工程为混凝土屋面，结构的屋面楼板自重较普通楼板更大，钢结构型钢梁的连接节点不能采用铰接或半刚接，钢梁的拼接做法所选的拼接方式除了按<<型钢混凝土组合结构构造04SG523>>中第37页构造节点（三）连接外，还应将腹板和翼缘溶透对焊。因为螺栓群一旦破坏即为脆性破坏，本身此梁应该是塑性破坏的构件，特别是在学校人员密集的地方，应该有一个逃跑缓冲的时间。两种方式结合的方式可以比较好的解决这个问题。

4结语

只要节点构造的处理方法得当，在大跨度的采光屋顶中使用型钢混凝土结构是可行的。而且有着非常明显的建筑效果，使用美观保温耐久性也都颇佳，在东北严寒寒冷地区有着非常良好的应用前景。

参考文献：

[1]04SG523国家建筑标准设计图集，型钢混凝土组合结构构造

[2]《型钢混凝土组合结构构造与计算手册》中国建筑工业出版社

[3]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程

作者简介：赵冬雪（1981-），女，哈尔滨工业大学建筑设计研究院，工程师，现从事建筑结构设计工作。