某高層型鋼與普通混凝土框支構件對比分析

孫宇棟

在現代都市中，往往為了實現最大的經濟效益，常常把房屋的底部一層或幾層用作商場、餐廳等公共用房，而上部則用作住宅、辦公等功能。在此條件下，為滿足使用功能的要求需采用底部大空間框支剪力墻結構這種結構形式。由于使用功能限制剪力墻結構中部分剪力墻不能落地，需采用框支梁轉換，而由此產生了框支梁截面較大，配筋大等不利因素。另外，對于框支柱來說，軸壓比是影響框支柱在地震作用下延性的主要因素，所以規范給出了比普通框架柱更為嚴格的限值。為此，框支柱的截面往往需要設計很大。除此之外，規范對于帶轉換層的豎向不規則結構，轉換層上下側向剛度的要求也給出了相應的規定，基于此要求，框支柱截面往往也需要設計很大。而型鋼混凝土結構構件相對于普通混凝土結構構件具有承載力高的優點，若應用于框支梁與框支柱，則可有效減小構件的截面尺寸，從而減小轉換層層高，對于滿足規范關于上下層側向剛度比的要求也有一定的有利作用，從抗震性能角度講型鋼混凝土構件的延性和抗震性能也明顯優于普通混凝土。

1 工程概況

太原市瑞生麗園6號高層商住樓位于太原市東太堡街以南，石太電氣化鐵路東側，由太原市瑞生房地產有限公司投資建設。建筑的主要功能為沿街商鋪及高層住宅，本工程屬于高層建筑。本工程地下2層，地上24層。結構形式為部分落地框支剪力墻結構。首層層高3.9 m，2層層高5.1 m。框支梁位于2層頂板處。其上標準層層高3 m，建筑物總高度79.5 m，總建筑面積20 430 m2。本工程建筑設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級。抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為乙級。框架抗震等級特一級;剪力墻加強區特一級，非加強區一級。太原市的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g。設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。基本風壓按100年一遇為0.45 kN/m2。

2 計算分析

為了有效反映兩種混凝土結構構件在本工程中的性能對比，本工程分別建立模型對采用型鋼混凝土框支梁柱的高層建筑及采用傳統混凝土的高層建筑進行彈性階段的地震反應對比分析。

1)構件截面及材料。普通混凝土構件:框支柱截面0.8 m×0.8 m，除電梯井筒外，落地剪力墻厚度均為350 mm。框支梁截面0.7 m ×1.4 m。型鋼混凝土構件:框支柱截面 0.8 m ×0.8 m，所采用的型鋼規格為400×400×13×21;框支梁截面0.5 m×0.8 m，所采用的型鋼規格為600×300×17×28。混凝土強度等級:筏板及基礎梁:C40;2層以下框架柱及剪力墻:C40;2層以下框架柱及剪力墻:C45;3層～6層剪力墻:C35;7層及以上剪力墻:C30。地下2層～1層梁、樓板:C30;2層梁、樓板:C45;3層及以上梁、樓板:C30。鋼筋種類HRB335(主要用于梁，柱及墻體縱筋和部分箍筋)，HPB235(主要用于樓板、次梁、墻體縱筋及箍筋)。

2)基礎形式。建筑物場地類別為Ⅲ類場地。其中第②層土為自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級。為處理濕陷及提高地基承載力，地基處理采用灰土擠密樁+水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)。灰土擠密樁長5 m，CFG樁長12 m，兩種樁樁徑均為400 mm，均采用三角形布置，樁距1.2 m。處理后的復合地基承載力特征值達到600 kPa。基礎采用梁板式筏型基礎。本建筑物的地基變形計算軟件采用JCCAD，計算得到的基礎最大沉降量為12.5 mm，滿足規范要求。

3)結構整體性能對比。周期對比與位移對比見表1，表2。

表1 主要周期對比 s

4)框支梁承載能力比對。普通混凝土框支梁截面抗剪承載力為1 688 kN;而型鋼混凝土框支梁抗剪承載力為3 204.6 kN，約為普通混凝土框支梁的2倍。普通混凝土框支梁截面抗彎承載力為1 723.1 kN/m;而型鋼混凝土框支梁抗剪承載力為2 993 kN/m，約為普通混凝土框支梁的1.73倍。

5)框支梁、柱延性比對。構件的受壓區高度ξ和受拉區鋼筋的屈服強度fy與延性比成反比，對于本文所示例子，受拉區鋼筋的屈服強度fy一定，即減小受壓區高度的措施均可增大延性比。

表2 位移對比

截面均為600×1 200，型鋼參數為600×300×28×17。

當為普通混凝土框支梁時，計算跨中所需配筋面積As=4 400，當為型鋼混凝土框支梁時，計算跨中所需配筋面積僅為構造配筋，即為型鋼充分發揮作用時即可滿足受壓區承載力的要求，所以受壓區高度非常小，可以忽略。

由以上比較可知型鋼混凝土梁的延性比遠高于普通混凝土梁的延性比。

同樣，對框支柱進行比對，當為普通混凝土框支柱時軸壓比為0.58，當為型鋼混凝土框支柱時軸壓比為0.45。由此可知型鋼混凝土柱的延性比遠高于普通混凝土柱的延性比。

3 結語

本文對本工程中型鋼混凝土構件承載力、延性的對比分析可以得出如下結論:框支柱及底部轉換梁采用型鋼混凝土構件在地震作用下受力性能和耗能能力、延性等方面明顯優于普通鋼筋混凝土的構件。采用型鋼混凝土的底部轉換梁的抗剪性能較普通鋼筋混凝土轉換梁明顯改善。由于轉換梁的截面尺寸往往受抗剪控制，因此，在相同承載力要求的情況下，采用型鋼混凝土轉換梁可以較普通鋼筋混凝土轉換梁減小截面尺寸，增加建筑凈空。另外，底部轉換梁與框支柱采用型鋼混凝土后，底部轉換梁與框支柱節點的抗震性能較普通鋼筋混凝土結構有顯著的改善。真正實現了強節點，并保持了優越的整體工作性能。采用型鋼混凝土的底層大空間轉換結構，由于型鋼骨架的貢獻，其薄弱層已上移，使整個結構的屈服破壞機制趨于合理。另外，由于鋼骨的作用，底層框支柱與底部轉換梁的塑性轉動延性也得到顯著的改善。

[1]JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S］.

[2]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S］.

[3]GB 50011-2001，建筑結構荷載規范[S］.

[4]JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結構技術規程[S］.