某高層建筑型鋼混凝土組合連梁的應(yīng)用研究

鄭 遠(yuǎn)

(福建省沿海建筑設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001)

某高層建筑型鋼混凝土組合連梁的應(yīng)用研究

鄭 遠(yuǎn)

(福建省沿海建筑設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001)

用YJK-A計(jì)算分析軟件對(duì)某高層框架—雙核心筒建筑進(jìn)行了計(jì)算分析，重點(diǎn)對(duì)連接雙核心筒的型鋼混凝土連梁進(jìn)行中震情況下的彈性作了分析，并介紹了型鋼混凝土連梁的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，指出型鋼混凝土組合梁抗震性能優(yōu)越、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、施工方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

框架—雙核心筒結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土連梁，中震彈性分析

0 引言

型鋼混凝土組合梁是由型鋼和鋼筋混凝土組成整體共同工作的一種結(jié)構(gòu)形式。型鋼混凝土組合梁能充分利用鋼材的抗拉能力和混凝土的抗壓能力，具有承載力高、剛度大、延性好的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用日益廣泛。在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)或框架—核心筒結(jié)構(gòu)中，剪力墻和核心筒承擔(dān)了大部分水平荷載，鋼筋混凝土連梁所承受的剪力很大。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)連梁斜截面抗剪承載力無(wú)法滿足抗剪承載能力要求的情況，使用型鋼混凝土組合連梁可以大幅度提高連梁的抗剪承載力，且具有優(yōu)良的抗震性能，構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)不高、施工方便。本文通過(guò)實(shí)際工程，對(duì)型鋼混凝土組合連梁的計(jì)算方法、構(gòu)造做法和有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

1 工程概況

德誠(chéng)黃金集團(tuán)有限公司黃金珠寶首飾加工項(xiàng)目地處福建省長(zhǎng)樂(lè)市，西側(cè)為機(jī)場(chǎng)高速，東側(cè)為省道。

本項(xiàng)目由研發(fā)樓、辦公樓、廠房、宿舍樓等構(gòu)成，其中研發(fā)樓總建筑面積約為38 900 m2，地上21層，1層～3層為裙房，建筑功能為門廳及食堂，4層～21層為開敞辦公區(qū)和研發(fā)中心。該建筑總高度約87.35 m,地下2層為人防地下室，建筑功能為停車場(chǎng)、金庫(kù)及相關(guān)設(shè)備配套用房，地下室埋深約為10.7 m。主樓結(jié)構(gòu)采用框架—雙核心筒建筑結(jié)構(gòu)體系，雙核心筒部分的建筑抗震等級(jí)為二級(jí)，框架部分的建筑抗震等級(jí)為二級(jí)；抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g,地震分組為第三組；建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期0.8 kN/m2采用，地面粗糙度：B類，風(fēng)載體型系數(shù)：1.3。建筑樓面活荷載根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范選用。

建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及建筑剖面圖詳見(jiàn)圖1。

本工程建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面呈規(guī)整長(zhǎng)方形，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件上下連續(xù)貫通，在建筑2層～3層有局部開洞，但開洞面積小于相應(yīng)樓層面積的30%，且有效樓板寬度大于相應(yīng)樓層樓板典型寬度的50%，因此判定主樓為規(guī)則結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)采用框架—雙核心筒結(jié)構(gòu)體系。鋼筋混凝土雙核心筒作為建筑的主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，外圍鋼筋混凝土框架作為抗震第二道防線，共同組成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。兩個(gè)核心筒形狀均為規(guī)整正方形，平米尺寸均為8.4 m×8.4 m,核心筒其高寬比為96.4/8.4=11.47，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9.2.1條中規(guī)定的內(nèi)筒高寬比不宜大于12的設(shè)計(jì)要求。

本工程設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案抗扭剛度的優(yōu)化；雙核心筒之間連梁的抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 整體結(jié)構(gòu)分析

本工程設(shè)計(jì)計(jì)算采用盈建科YJK-A分析軟件。采用空間扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)的振型反應(yīng)譜法計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)的地震作用。雙核心筒間樓板按彈性板進(jìn)行細(xì)化分析。程序計(jì)算抗震計(jì)算采用單向地震作用并考慮偶然偏心的影響，并考慮了雙向地震作用下的計(jì)算。計(jì)算結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)構(gòu)表

從表1數(shù)據(jù)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9.2.5條中規(guī)定框架—核心筒體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.85，且T1的扭轉(zhuǎn)成分不大于30%。本工程T3/T1=0.7,T1為平動(dòng)周期，且在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下的最大層間位移與平均位移的比值小于1.2倍，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)剛度符合規(guī)范要求。

2)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.7.3條中規(guī)定按彈性方法計(jì)算下，框架—核心筒結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移Du與層高h(yuǎn)的比值小于1/800。本工程建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載與地震荷載作用下的最大層間位移角均滿足小于1/800的要求，說(shuō)明本工程采用框架—雙核心筒體結(jié)構(gòu)體系剛度合理。

3)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9.1.11條中規(guī)定在框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系中，框架部分按側(cè)向剛度分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%。本工程底層框架柱承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值X向?yàn)?6.45%，Y向?yàn)?0.30%，均滿足大于10%的要求。從該計(jì)算結(jié)果中也可以看出鋼筋混凝土雙核心筒結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于周邊框架結(jié)構(gòu)剛度，混凝土雙核心筒結(jié)構(gòu)是該建筑的主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

2.2 雙核心筒體間型鋼混凝土組合連梁的中震彈性分析

由盈建科YJK-A計(jì)算結(jié)果可知，雙核心筒間連梁承受很大的剪應(yīng)力，普通鋼筋混凝土梁無(wú)法滿足抗剪承載力的要求。本工程采用型鋼混凝土組合梁作為雙核心筒間連梁，該連梁作為框架—雙核心筒結(jié)構(gòu)中的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要特別加強(qiáng)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11條中對(duì)復(fù)雜高層建筑中的結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件提出了應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的要求。本工程抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為：多遇地震下結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)，其承載力和變形應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求；設(shè)防烈度地震下結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件(即雙核心筒體間型鋼混凝土組合連梁)的抗震承載力滿足彈性設(shè)計(jì)要求。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.7條規(guī)定，在多遇地震作用下和設(shè)防地震作用下，7度區(qū)水平地震影響系數(shù)最大值amax分別為0.08和0.23,在盈建科計(jì)算參數(shù)中將多遇地震影響系數(shù)最大值0.08替換成0.23，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算后得出雙核心筒體間連梁的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知在該樓6層處的雙核心筒體間連梁內(nèi)力為最大值，連梁的位置詳見(jiàn)圖2，內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值詳見(jiàn)表2。根據(jù)中震彈性要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震驗(yàn)算應(yīng)符合下列關(guān)系：

在采用YJK-A計(jì)算分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件承載力計(jì)算時(shí)，采用以下計(jì)算條件：

1)在“地震影響系數(shù)最大值”中輸入中震的地震影響系數(shù)最大值;2)與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)取為1.0。

表2 內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值

型鋼—混凝土組合連梁截面圖見(jiàn)圖3。

型鋼混凝土組合連梁斜截面抗剪承載力參照J(rèn)GJ 138—2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》斜截面承載力計(jì)算采用疊加法，即采用型鋼部分受剪承載力和不考慮型鋼的普通鋼筋混凝土梁受剪承載力之和作為型鋼混凝土組合梁的受剪承載力。

型鋼混凝土組合梁的受剪截面應(yīng)符合下列條件：

非抗震設(shè)計(jì)時(shí)：

Vb≤0.45fcbh0,

抗震設(shè)計(jì)時(shí)：

型鋼混凝土組合梁斜截面受剪承載力按下列公式計(jì)算：

非抗震設(shè)計(jì)時(shí)：

抗震設(shè)計(jì)時(shí)：

其中，Vb為考慮地震組合的梁端剪力設(shè)計(jì)值；gRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b，h0分別為型鋼混凝土梁截面寬度和有效高度；ASV為型鋼混凝土梁同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為型鋼混凝土梁箍筋間距；fyv為型鋼混凝土梁箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fa為型鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；tw,hw分別為型鋼腹板的厚度和高度。

通過(guò)計(jì)算可知，型鋼混凝土組合連梁滿足中震彈性下的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)防地震下局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)。

3 型鋼混凝土組合連梁的構(gòu)造措施

在鋼筋混凝土連梁中設(shè)置適當(dāng)含鋼率的工字形軋制型鋼或工字形焊接型鋼，型鋼上下翼緣應(yīng)分別設(shè)置在鋼筋混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)，形成型鋼混凝土組合連梁。國(guó)內(nèi)外有關(guān)組合構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)例結(jié)果表明型鋼與鋼筋混凝土梁具有良好的協(xié)調(diào)工作性能。

型鋼混凝土組合連梁構(gòu)造做法如圖4，圖5所示。

從理論和已有的工程實(shí)踐中可總結(jié)出型鋼—混凝土組合連梁的構(gòu)造做法有以下幾點(diǎn)要求：

1)型鋼與核心筒墻體邊緣構(gòu)件的連接：本工程核心筒墻體邊緣構(gòu)件中未設(shè)置型鋼，連梁型鋼應(yīng)采取有效構(gòu)造措施與核心筒體墻體邊緣構(gòu)件可靠連接：型鋼錨入剪力墻中的長(zhǎng)度不應(yīng)小于型鋼截面高度，本工程錨固長(zhǎng)度取1.2m，型鋼深入墻中部分型鋼開鋼筋孔，以便剪力墻邊緣構(gòu)件中的箍筋從中穿過(guò)。

2)型鋼在連梁底部、頂部的混凝土保護(hù)層最小厚度不小于100mm。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9.2.7條洞口附近樓板應(yīng)加厚，本工程雙核心筒中間部分樓板局部開洞，洞口附近樓板應(yīng)加厚，厚度取150mm，所以型鋼在型鋼混凝土組合連梁頂部混凝土保護(hù)層厚度取150mm，使得樓板鋼筋可以在梁位處貫通設(shè)置，避免了樓板鋼筋在型鋼處斷開。

3)參照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)構(gòu)造規(guī)定，本工程型鋼混凝土組合連梁在型鋼腹板兩側(cè)設(shè)置栓釘，栓釘直徑取22mm,其長(zhǎng)度h=100mm，大于4倍栓釘直徑；其間距s=110，小于6倍栓釘直徑。在型鋼腹板兩側(cè)設(shè)置栓釘可增強(qiáng)型鋼和混凝土的協(xié)調(diào)工作性能，有效避免型鋼與混凝土間的粘結(jié)滑移。

4)梁中的型鋼腹板高度h=850mm，大于450mm，故在梁的兩側(cè)沿高度方向需設(shè)置縱向構(gòu)造鋼筋，在縱向構(gòu)造鋼筋之間設(shè)置拉結(jié)筋。拉結(jié)鋼筋遇型鋼腹板時(shí)可采用拉結(jié)焊接在型鋼腹板上或者型鋼腹板中留孔穿過(guò)的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在外框架與核心筒之間的平面尺寸已經(jīng)確定的情況下，且在不降低結(jié)構(gòu)性能的前提下，本工程采用了框架—雙核心筒結(jié)構(gòu)體系方案，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和抗扭轉(zhuǎn)性能。通過(guò)盈建科YJK-A設(shè)計(jì)計(jì)算軟件對(duì)框架—雙核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

2)雙核心筒間連梁采用型鋼混凝土組合梁，增強(qiáng)連梁的抗剪承載力。雙核心筒間連梁作為結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，以提高其抗震能力，在計(jì)算上用中震彈性進(jìn)行內(nèi)力復(fù)核。

3)型鋼混凝土組合連梁能夠大幅度提高連梁斜截面抗剪承載力，抗震性能優(yōu)越，且構(gòu)造較為簡(jiǎn)單、施工難度不大。

[1]JGJ138—2001,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 劉維亞.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造與計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

Research on application of steel concrete composite coupling beam of some high-rise building

Zheng Yuan

(FujianCoastalArchitecturalDesignInstitute,Fuzhou350001,China)

The paper undertakes the calculation and analysis of double core canister building of some high-rise framework with YJK-A Calculation Analysis Software, analyzes the elasticity of the steel concrete coupling beam of the connection double-core canister, introduces the design and component measures of the steel concrete coupling beam under the middle seisms, and points out the steel concrete composite beam has better anti-seismic performance with simple structure, low cost and convenience for construction, so it has broad application future.

frame-work double-core canister structure, steel concrete beam, middle seisms elastic analysis

2015-02-27

鄭 遠(yuǎn)(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0047-03

TU398

A