某高層型鋼混凝土結構設計分析

【摘 要】 型鋼混凝土組合結構，由于其承載能力高、剛度大及抗震性能好等優點，已越來越多地應用于大跨結構和地震區的高層建筑以及超高層建筑。本文以某工程為例，闡述了型鋼混凝土結構設計要點和優化關鍵技術。

【關鍵詞】 型鋼混凝土；節點構造；設計優化

由于建筑造型的多樣化程度日顯、建筑內部使用功能的要求越來越高，對建筑結構設計提出來更新、更高的要求。型鋼混凝土框架+剪力墻結構由于其承載能力高、剛度大、增加結構空間凈空高度及抗震性能好等優點，已越來越多地被應用于大跨結構、高層建筑以及超高層建筑。型鋼混凝土組合結構能充分發揮鋼和混凝土結構的各自優勢，是一種經濟、有效的結構體系具有廣闊的應用前景。本文以某工程結構設計為例，闡述了型鋼混凝土結構設計要點及設計優化關鍵，與同行交流。

一、工程概況

某工程擴大初步設計。該項目含兩幢高度147米的寫字樓和兩幢135高度米的公寓樓，以及占地面積105m×177m的地下車庫及下沉式地下廣場，總建筑面積約10萬m2。其中，辦公樓：地下3層，地上25層，建筑總高度147m，采用筒中筒結構體系，地下及地上3層外框筒柱采用鋼骨混凝土。公寓：地下3層，地上27層，建筑總高度135m，采用剪力墻結構體系。

二、結構選型及計算分析

1.結構選型。

由于建筑物地上三部分剛度差異較大，難以作為整體結構設計，因此把地上作為4棟不同的建筑物分別設計。大底盤地下室按多塔結構計算，以考慮上部建筑物對其影響。寫字樓系乙類建筑，設計耐久年限100年，故抗震措施按9度設防，設計地震作用放大系數取1.2。層高3.8m，標準層層高3.2m。該樓使用荷載較大，使用荷載若采用普通鋼筋混凝土結構將導致非常大的梁柱斷面，嚴重影響建筑使用空間，以致不能滿足后期使用要求。最早曾提出過采用純鋼筋混凝土結構，采用寬扁梁來解決外柱至核心筒的距離較大的問題，梁高控制在800，經過STAWE計算，梁寬需要800以上，梁配筋：支座不小于14Ф25，跨中要大于或等于10Ф25。同時，為滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》有關軸壓比的要求，框架柱截面首層以下軸Ζ柱需要1200×1600，軸C柱需要1000×1600；層4以上，外框柱需要800×1000。因此，如果采取純鋼筋混凝土結構，又給建筑帶來了新的問題：1、由于框架梁過寬，使得層5～9公寓樓內衛生間很難布置，直接影響了建筑的使用功能；2由于柱截面過大，使地下車庫的停車位減少，實際使用面積也相應減少。同時，在一般情況下，為使寬扁梁端部在柱外的縱向鋼筋有足夠的錨固，均要求其能雙向布置，顯然有些不妥。如果采用鋼結構，必定在耐火性能及剛度上都稍差，經多次方案比較，最終采用了型鋼混凝土框架+剪力墻結構體系，即在梁、柱、剪力墻邊緣構件及連梁內均設型鋼的混凝土結構體系。經過計算，所有的梁截面高均控制在800內，其撓度和裂縫均滿足規范要求。柱截面在滿足《高規》軸壓比的要求下，在±010以下，軸Ζ和軸C柱為800×1200，層4轉換桁架以上，軸Ζ和軸C柱均變為700×850，層26柱截面均改為700×700。采用型鋼混凝土結構后，由于柱截面的減少，層4以下每層增加的使用面積約為9m2，層4以上每層增加的使用面積約為7m2。假設該建筑使用面積售價為20000元/m2，每層帶來的直接經濟收入就為14～18萬元/層。

2.計算分析。

分別采用ETABS和SATWE軟件對該工程進行了整體計算，計算參數設置如下所示：抗地震烈度確定為7度，Ⅱ類場地土，水平地震影響系數最大值多遇地震為0.08，罕遇地震為0.50。周期折減系數為019；結構阻尼比為4.0%；框架及筒體抗震等級均為二級。依據《建筑抗震設計規范》GB50011—2001，對該工程設計還進行了彈性時程分析計算。所采用的地震波為該場地土的人工合成波、蘭州波Lan2-2和Taft-2波。時程分析所用地震加速度時程曲線最大值為350cm/s，結構阻尼比取5%。

通過上述計算發現：1、結構以扭轉為主的第一自振周期T與以平動為主的x向和y向第一自振周期Tx，Ty，之比分別為0.69和0.73，均小于0.90，滿足《高規》有關要求；2、振型曲線光滑連續，符合規律；3、底部總剪力合理，地震剪力系數滿足抗震規范要求；4、最大的層間位移和頂點位移與層高之比均小于1/800，也滿足規范要求，說明結構布置合理，沒有總剛度突變；5、時程分析結果表明，每條波計算所得結構底部剪力均大于振型分解反應譜計算結果的65%，三波計算所得結構底部剪力的平均值均大于振型分解反應譜計算結果的80%，滿足規范有關要求。

三、特殊構件及局部節點構造要點

為滿足建筑功能和造型的要求，確保結構的安全，設計過程中，對一些特殊構件及局部節點進行了特殊的處理，現介紹其中幾個有代表性的構件或節點。

1.軸柱的錯位處理。

根據地下室車道入口寬度的要求，在層2以下錯至軸A交軸B，上下柱中心的偏差為950mm。柱的錯位使該柱在層2樓板標高處產生較大的附加彎矩和剪力。為此，一方面采取了類似牛腿的做法，將上部柱的軸力通過牛腿傳至下層柱，而不使其變為剪力，另一方面加強軸B方向的框架梁的剛度和配筋，使框架梁分擔一部分柱的附加彎矩。

2.轉換桁架的設計。

層3、4高度范圍內布置了轉換桁架，其目的是在8m柱距間支承上部所需增加的外柱，使其結構布置均勻對稱。同時，也滿足了建筑在上述兩部位設置通道的要求。為使新增柱上的豎向荷載能夠通過桁架有效地傳至兩邊柱上，該轉換桁架也采用了型鋼混凝土結構轉換桁架設計的難點在于桁架節點的設計。在桁架節點上，不僅有來自桁架上、下弦及腹桿的型鋼及鋼筋，還有垂直于桁架方向的梁及上層新增加柱的型鋼及鋼筋，為使這些相互交錯的型鋼及鋼筋能夠有條理地布置，設計時一方面在節點處加寬了桁架上弦的翼緣板寬度，以便上層新增柱的連接和安裝，另一方面，平面上將節點設計成菱形，同時加大節點高度，以方便鋼筋的穿越。

3.寫字外柱內收處理。

由于建筑立面要求，軸C柱在層9、層22、層24處均內收1.5m，軸C也在上述樓層向筒體內收1.35m，使得外框架柱也隨之變位，為減少因柱內收而產生的附加彎矩及整體剛度變化對建筑的影響，采取了特殊的構造措施。通過斜柱將上部荷載傳至下柱，這樣傳力途徑清晰簡潔；同時，相關層的框架梁分擔了一部分外向水平力，平衡了部分附加彎矩，使受力更合理。另外，對斜柱的周邊環梁進行加強，增強了對外框柱的約束。施工及驗收情況表明，上述各節點的處理不僅使結構受力合理，施工方便，同時，還確保了梁、柱內各型鋼及鋼筋相互交錯處混凝土的澆筑質量。

四、型鋼制作與安裝要點

1、型鋼混凝土梁寬不宜小。型鋼上翼緣側邊至梁側邊距離不宜小于100，否則角筋與型鋼距離太小，振搗棒難以下去。

2、型鋼上翼緣頂面距梁頂面距離不宜小于120cm。否則，當梁采用雙排筋時，鋼筋交叉導致頂部保護層厚度不足。

3、剪力墻暗柱、暗梁內若采用型鋼，要充分考慮到施工的可行性，應盡量采用窄翼緣型鋼。設計時，應仔細排布鋼筋與型鋼的關系，保證振搗棒能下去。否則，墻體振搗不實影響墻體混凝土質量，帶來結構質量隱患。

4、型鋼混凝土結構牽涉到設計、加工、施工、監理等多個方面的單位，涉及環節較多，需要各方密切配合，及時發現隱藏問題，并及時回饋信息，對設計進行優化處理才能保證工程順利進行。

五、結語

型鋼混凝土結構是一種教新的技術先進、安全可靠的結構模式，廣泛適用于非地震區和抗震設防烈度為6度至9度的多、高層建筑和一般構筑物。在滿足建筑使用功能和外觀美觀的前提下，合理選擇型鋼混凝土結構形式，可以達到經濟合理的效果，并能滿足結構抗震、穩固的目的，是一種有廣泛應用前景的結構形式。

參考文獻

[1] 型鋼混凝土組合結構技術規程JGJ138-2001.北京：中國建筑工業出版社

[2] 劉大海，楊翠如.型鋼鋼管混凝土高樓計算和構造.北京：中國建筑工業出版社

[3] 劉維亞.型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊.北京：中國建筑工業出版社