沈　磊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究

沈磊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：根据现行《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138—2001)并结合新颁布的相关结构设计规范，利用C#语言编制了型钢混凝土梁设计软件。相关工程实例应用表明，该软件可以根据通用有限元计算软件Midas Gen的计算结果，按照相关规范要求，对型钢混凝土梁构件进行批量设计，其被广泛应用在大跨度铁路站房设计中，提高了站房工程的设计效率。

关键词：型钢混凝土梁;大跨度;铁路站房;通用有限元;MIDAS Gen;批量设计

1概述

随着高速铁路迅猛发展，铁路站房结构形式日趋复杂多变，其中不乏大跨度站房的出现，对结构设计要求越来越高[1，2]。型钢混凝土梁是将型钢埋入钢筋混凝土梁中的一种组合梁，由型钢、主筋、箍筋及混凝土组合而成。型钢混凝土梁具有承载力高、抗震性能好等优点，被广泛应用在大跨度结构中[3，4]。

目前国内传统结构设计软件(如PKPM)，对于型钢混凝土梁设计时，只能处理具有典型层的结构形式。而其他通用有限元计算软件如Midas Gen等，虽可以解决复杂造型结构的计算分析问题，但在构件设计方面功能不足，不支持型钢混凝土梁的设计。

鉴于目前的国内外研究现状，结合我国现行的钢骨混凝土设计规范[5，6]，根据Midas Gen有限元计算软件的内力计算结果，编制了型钢混凝土梁设计校核软件(Src Beam Design Tools)。软件可以对各类工程中的型钢混凝土梁构件设计校核，具有界面友好、交互输入、批量读取、批量计算、批量输出、操作简便等功能。

2软件编制流程

型钢混凝土梁设计校核软件包括两个模块：Midas模型及内力读取模块及型钢混凝土梁设计模块。型钢混凝土梁设计校核软件开发的总流程如图 1所示，具体解释如下。

图1　程序总流程

(1)调用Midas模型及内力读取模块，对相关构件的节点、单元、截面、节点约束、指定构件等信息进行存储，通过该模块读取相关型钢混凝土梁构件的设计内力，输出构件设计参数表格，该模块的详细流程如图2所示。

图2　Midas模型及内力读取模块

(2)通过型钢混凝土梁设计模块 ，在上一模块输出的构件设计参数表格中，对相关构件进行批量设计，并输出计算书，该模块的详细流程如图3所示。

图3　型钢混凝土梁设计模块

(3)型钢混凝土梁构件设计完毕，程序结束。

3软件编制关键技术

型钢混凝土梁设计校核软件编制过程中，对Midas计算内力调整、型钢混凝土梁构件批量设计是程序编制的关键及难点。

3.1型钢混凝土梁设计内力调整

在Midas Gen软件中，大跨度复杂站房结构模型计算完成后，通过菜单[结果]-[分析表格]-[梁单元]-[内力]可以提取模型中梁单元在各工况下的内力计算结果，典型的梁构件内力输出如表1所示[7]。

表1　梁单元部分工况下的内力

对于型钢混凝土梁，设计内力采用的目标组合为：弯矩最大|Mmax|及相应的剪力V、剪力最大|Vmax|及相应的弯矩M。

由于《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138—2001)[5]对应的《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89)与现行抗震规范要求不对应，按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[8]、《高层建筑混凝土结构设计规范》[9]要求，对型钢混凝土梁构件的抗震组合内力，进行考虑抗震要求的内力调整。

程序编制时，对于满足抗震需要的“强剪弱弯”要求，参考现行主流设计软件PKPM[10]、Midas Building[11，12]的处理方法，直接对水平荷载计算得到的剪力乘以放大系数，再与竖向荷载计算所得的剪力进行组合。对于不同抗震等级剪力放大系数的确定，按表2原则确定。

表2　钢骨混凝土框架梁剪力调整

注：C1=max(1.1×1.1×超配系数，1.3)，超配系数是指在设计参数中输入的实配钢筋超配系数。

3.2公式改进

《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138—2001)[5]规定，型钢混凝土框架梁应验算裂缝宽度及挠度，最大裂缝宽度及挠度值应按荷载的短期效应组合(相当于标准组合)并考虑长期效应组合的影响进行计算。

本文在程序编制过程中，结合《组合结构设计规范》(JGJ138—2012)(报批稿)[13]及《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[14]，在进行混凝土构件裂缝、挠度计算时，按荷载准永久组合(荷载长期作用)并考虑长期作用影响计算。

同时，对于裂缝及挠度的计算公式，参照在《组合结构设计规范》(JGJ138—2012)(报批稿)[13]及《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[14]按下式进行如下改进。

3.3型钢混凝土梁批量设计

在进行型钢混凝土梁批量设计之前，首先依据《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138—2001)[5]有关型钢混凝土梁计算原理及方法设计了单个型钢混凝土梁构件设计程序，并与相关计算例题进行了对比分析及测试，结果验证了本设计软件的正确性。

单个型钢混凝土梁构件设计程序界面如图4所示。

图4　型钢混凝土梁计算程序

单个型钢混凝土梁程序测试完毕后，将型钢混凝土梁构件设计模块集成在总程序中，读取型钢混凝土梁柱设计参数，利用循环设计命令进行批量设计。

4工程应用

4.1模型介绍

某火车站结构承轨层，柱距22 m，大跨度梁采用型钢混凝土梁。梁、板混凝土等级C40，柱混凝土等级C50，型钢采用Q345，钢筋等级纵筋HRB400，箍筋等级HRB400，保护层厚度20 mm。结构抗震等级为一级[15]。

型钢混凝土梁截面采用1 800 mm×2 600 mm(内置型钢采用H1800×800×30×60)，与型钢混凝土梁相连的柱采用钢骨混凝土柱，截面采用25000 mm×2500 mm(内置双向型钢H1800×900×40×60)。楼面荷载：恒载按25 kN/m2，活载按 30 kN/m2，板厚400 mm。

Midas Gen中的计算模型如图5所示。

图5　测试模型

设计计算时，考虑荷载组合如表3所示。

4.2型钢混凝土梁测试

利用本文所编型钢混凝土梁设计软件，依次选取相关选项进行构件设计。限于篇幅，本文仅以众多型钢混凝土梁构件中的某一根构件为例，用以说明所编型钢混凝土梁设计软件的实例应用。表4为Midas Gen模型输出的准永久内力表格。

表3　荷载组合

表4　准永久荷载内力

对于型钢混凝土梁设计时，需要考虑强剪弱弯内力调整。本软件在模型计算时自动增加考虑剪力放大的内力工况，将不普通抗震工况所得的弯矩内力及考虑剪力放大的抗震工况所得的剪力汇总于表5。

表5　抗震组合剪力、弯矩

完成型钢混凝土梁设计参数输出及批量构件设计的计算参数及计算结果如表6～表7所示。从设计结果来看，对于该大跨度梁，实际配筋由裂缝控制，对于控制配筋，程序以彩色填充表示。

表6　型钢混凝土梁设计参数及结果(一)

表7　型钢混凝土梁设计参数及结果(二)

5结论

软件编制过程中，通过软件测试，发现和解决了软件的不足之处，也使得软件更加高效，本次软件编制得出如下结论。

(1)本文介绍的软件编制关键技术：Midas模型及内力读取模块中对于Midas Gen文本命令流的识别与读取、Midas计算内力读取与调整、型钢混凝土梁构件批量设计可以为后续的相关软件编制提供借鉴。

(2)通过软件测试以及工程应用，验证了所编型钢混凝土梁设计软件，可以正确读取Midas Gen有限元计算软件的内力计算结果，对钢混凝土梁构件进行批量设计，明显提高设计效率。

(3)由于程序编制所依据的《型钢混凝土组合结构技术规范》(JGJ138—2001)为2001年颁布，与新版《混凝土结构设计规范》(GB20010—2010)及新版《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)部分内容冲突，软件编制过程中参照新《混规》、新《抗规》及主流设计软件PKPM、Midas Building等处理方法，对涉及型钢混凝土梁内力调整系数、部分公式(如钢骨梁的裂缝、挠度计算等)进行改进，软件测试表明，改进公式与结构主流设计软件一致，满足工程实际需要。

参考文献：

[1]郑健.中国当代铁路客站设计理论探索[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2]郑健. 2011中国铁路客站技术交流会论文集[C].北京:中国铁道出版社，2011.

[3]聂建国.型钢混凝土组合结构设计实例与分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[4]刘大海.型钢钢管混凝土高楼计算和构造[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[5]中华人民共和国建设部.JGJ138—2001，型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[6]中华人民共和国冶金部.YB9082—2006，钢股混凝土结构技术规程[S].北京：北京冶金工业出版社，2007.

[7]北京迈达斯软件有限公司.Midas/Gen分析与设计原理[M].北京: 北京迈达斯软件有限公司，2004.

[8]中华人民共和国建设部.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[10]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.SATWE用户手册及技术条件[M].北京:中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，2012.

[11]北京迈达斯软件有限公司.Midas Building用户手册及技术条件[M].北京:北京迈达斯软件有限公司，2011.

[12]北京迈达斯软件有限公司.Midas Gen用户手册及技术条件[M].北京:北京迈达斯软件有限公司，2010.

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ138—2012组合结构设计规范(报批稿)[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[14]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[15]黄刚.昆明南火车站结构设计研究[J].铁道标准设计，2013(6)：136-139.

Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings

SHEN Lei

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure (JGJ138-2001) and some new national standards， steel reinforced concrete beam design software is coded in C# language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling (FEM) calculation results from Midas Gen， and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings.

Key words：Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design

文章编号：1004-2954(2016)05-0121-04

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-26

基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司课题(2012D28)

作者简介：沈磊(1985—)，男，一级注册结构工程师，注册岩土工程师，2010年毕业于东南大学土木工程学院结构工程专业，工学硕士，E-mail:316789796@qq.com。

中图分类号：TU248.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.026