裝配式部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐體系設計及項目實踐*

李 慧， 覃祚威， 陳 忠， 范曉偉， 周榮富

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構件(partially-encased composite steel and concrete member，簡稱PEC構件)是在H型鋼腔體內填充混凝土，并按照構造及受力要求配置一定數量的連桿及縱筋形成的新型組合結構[1]，PEC構件的典型截面形式如圖1所示。相比傳統純鋼結構受力方式，PEC構件受力具有顯著優勢，如圖2所示。圖2a為純鋼結構的板件失穩模態，在主鋼構件內填充混凝土后，腹板失穩被抑制，翼緣失穩模態改變，構件穩定性能提升，如圖2b所示；當在截面中采用連桿拉結翼緣時，翼緣失穩進一步被抑制，構件穩定承載力更加提高，如圖2c所示。

圖1 PEC構件截面形式

圖2 PEC構件受力特點

相比鋼結構及混凝土結構，部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結構體系是融合框架-支撐結構及PEC結構優點的新型結構體系，具有良好的剛度、承載能力和抗震性能，因此構件截面尺寸有所減小，進而增加建筑空間利用率；同時PEC構件內填充混凝土可減少H型鋼外露面積，有利于提高防火、防腐性能[2]，降低成本。PEC柱、PEC梁的鋼筋綁扎、混凝土澆筑為工廠預制加工，現場裝配式施工，具有質量可靠、施工便捷、建設周期短、裝配性能良好等優勢，同時腹板內填充混凝土與內外墻一體化裝修，避免腹板未填充混凝土的純鋼結構隔聲、隔熱性能差問題，因此該體系具有較好的性能指標。

在國外，Elnashai等團隊對PEC結構進行大量試驗及理論研究[3-6]，并取得大量研究成果。目前已在加大拿蒙特利爾市1棟51層辦公樓1 000 De La Gauchetiere項目中應用[7]。在國內，PEC結構處于推廣階段，應用工程案例不多，尚未涉及PEC框架結構側向支撐設計方面[8]。本文以采用部分包覆鋼-組合框架-支撐結構的裝配式成套技術體系的東升和府10號樓住宅項目為例，介紹結構設計要點及實踐情況。

1 工程概況

東升和府10號樓項目為浙江省湖州市首個裝配式部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結構的住宅建筑，地下2層、地上17層。地上建筑面積1.1萬m2， 屋面結構標高為53.800m，每個標準層由2個對稱單元組成，首層層高5.9m，其余各層層高3m。根據GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》[9]，結構設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，基本風壓為0.45kN/m2。平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置

結構系統為部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結構體系，采用PC預制樓梯，外墻系統為PC墻板+保溫巖棉+ALC條板體系，內墻系統為ALC條板及局部砌筑，廚衛系統為集成衛浴、集成廚房，并采用智能家居，結合全生命周期智慧管理平臺，即正向設計平臺與BIM協同管理平臺，打造裝配率為94%、AAA級標準的綠色二星裝配式建筑。

2 計算分析假定及計算模型

T/CECS 719—2020《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》[10]于2021年1月1日實施，但相關設計軟件并未開發對應模塊，可采用現有軟件進行設計。

2.1 構件建模要點

PEC梁、PEC柱構件的截面剛度采用疊加法，計算如下：

EA=Ec·Ac+Ea·Aa

(1)

GA=Gc·Ac+Ga·Aa

(2)

EI=Ec·Ic+Ea·Ia

(3)

式中：EA為截面軸向剛度(N)；Ec為混凝土彈性模量(N/mm2)；Ac為混凝土截面面積(mm2)；Ea為鋼材彈性模量(N/mm2)；Aa為主鋼件截面面積(mm2)；GA為抗剪剛度(N)；Gc為混凝土剪切模量(N/mm2)；Ga為鋼材剪切模量(N/mm2)；EI為抗彎剛度(N/mm2)；Ic為混凝土慣性矩(mm4)；Ia為主鋼件慣性矩(mm4)。

型鋼混凝土的截面剛度采用疊加法，故矩形PEC柱采用設計軟件的型鋼混凝土柱模塊進行定義，混凝土外輪廓與型鋼輪廓尺寸一致。盈建科PEC柱截面定義截面總寬度B為200mm，截面總高度H為600mm，工形腹板厚度U為10mm，工形腹板總高度T為600mm，工形翼緣寬度D為200mm，工形翼緣厚度F為18mm。

PEC梁在計算整體結構內力和變形時，剛度按式(1)考慮，但現有軟件未支持PEC梁構件驗算，可采用保守方法，即僅考慮外包混凝土放大鋼梁剛度和混凝土對梁防火包覆的有利作用，不參與構件承載力計算。

計算模型按照純鋼梁，PEC梁剛度根據式(1)計算，得到PEC梁剛度EIPEC，通過剛度放大系數，將PEC梁剛度等效到鋼梁上，即等效放大系數α=EIPEC/(Ea·Ia)，再根據《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》，分析結構整體內力時，等效放大系數α=EIPEC/(Ea·Ia)，對邊框架PEC梁的EIPEC放大1.5倍，即對等效放大系數α放大1.5倍、中梁取2倍。PEC梁內部填充混凝土自重作為附加恒荷載施加在鋼梁上。

2.2 計算軟件選擇及分析方法

為獲得可靠的計算分析結果，宜用≥2個適合的不同力學模型，分析比較技術結構。采用盈建科YJK(V1.9.1)和ETABS(V16.2.0)軟件分析結構小震，模型如圖4所示。

2.3 阻尼比的確定

根據《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》，部分包覆鋼-混凝土組合抗震計算的阻尼比在多遇地震作用下，房屋高度>50m且<200m時可取0.03；風荷載作用下樓層位移驗算和構件設計時，阻尼比可取0.02～0.04，此處取0.03；舒適度驗算時的阻尼比可取0.01～0.02，此處取0.015。

3 整體指標計算結果

3.1 周期和陣型

小震作用下，兩款計算軟件周期結果如圖5,6所示。YJK模型計算結構周期比為0.75，ETABS模型周期比為0.73，均小于限值0.9，滿足規范要求。

圖6 ETABS模型計算結果

3.2 質量分析

YJK軟件及ETABS軟件計算樓層總質量如表1所示，總質量相差幅度絕對值為0.24%，差異較小。

表1 樓層總質量分析

3.3 位移比與層間位移比

考慮偶然偏心規定，水平力作用下層間水平位移比分析結果如圖7所示，層間位移比分析結果如圖8所示。

圖7 層間水平位移比分析

圖8 層間位移比分析

3.4 層間位移角

根據《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》，框架-支撐結構的多層及高層結構層間位移角限值為1/400，計算結果如圖9所示，均滿足限值要求。

圖9 層間位移角分析

3.5 樓層側向剛度比及剪重比分析

根據JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》，框架-支撐結構、樓層與相鄰上層側向剛度比γ2，考慮修正的樓層側向剛度比，本層與相鄰上層比γ2宜≥0.9；當本層層高大于相鄰上層層高1.5倍時，宜≥1.1；結構底部嵌固層比宜≥1.5。首層及2層剛度與層高如表2所示。

表2 首層及2層剛度與層高

根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》，1層為底部嵌固層，剛度比如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(8.33×105×3)=1.62≥1.5，滿足規范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.03×106×3)=1.66≥1.5，滿足規范要求。

YJK軟件輸出結果算法如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(1.5×8.33×105×3)=1.08≥1.0，滿足規范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.5×1.03×106×3)=1.105≥1.0，滿足規范要求。各樓層側向剛度比如圖10所示。

圖10 樓層側向剛度比分析

YJK和ETABS模型的樓層剪力及剪重比分析結果如圖11所示。剪重比均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》最小剪重比0.8%的要求。

圖11 剪重比分析

4 構件驗算

4.1 PEC梁驗算

部分包覆鋼-混凝土組合梁截面中，主鋼件截面應滿足寬厚比限值要求，如表3所示。

表3 梁主鋼件的截面分類和寬厚比限值

梁截面受彎承載力應符合下式：

M≤Mu

(1)

(2)

式中：M為彎矩設計值(N·mm)；Mu為截面受彎承載力設計值(N·mm)。fcw為梁主鋼件腹部混凝土軸心抗壓強度設計值(N/mm2)；x為組合截面中和軸至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；bf，ha，tf，tw分別為構件翼緣寬度、截面高度、翼緣厚度、腹板厚度(mm)；α1為受壓區混凝土壓應力影響系數，當混凝土強度等級≤C50時，取值1.0；當混凝土強度等級為C80時，取0.94，中間按線性內插法確定；fy,f′y分別為鋼筋抗拉、抗壓強度設計值(N/mm2)；fa，f′a分別為鋼材抗拉、抗壓強度設計值(N/mm2)；As，A′s分別為縱向受拉、受壓鋼筋截面面積(mm2)；Aa，Aac分別為梁主鋼件截面、梁主鋼件受壓區截面面積(mm2)；as，as分別為受拉區鋼筋合力作用點至混凝土受拉邊緣的距離，受壓區鋼筋合力點至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；Sat，Sac分別為受拉區梁主鋼件截面、受壓區梁主鋼件截面對組合截面塑性中和軸的面積矩(mm3)；h0是混凝土截面有效高度(mm)，即混凝土截面受壓區的外邊緣至梁主鋼件受拉翼緣與受拉鋼筋合力點的距離；ES為鋼筋彈性模量(N/mm2)。

部分填充組合梁僅考慮外包混凝土放大梁剛度(用于整體結構內力及變形計算)，及混凝土對梁防火包覆的有利作用，不參與構件承載力計算。根據YJK計算得到的梁應力比不超過限值1，按照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[11]，得到結構梁的最大應力比為0.85，撓度不超過規范限值，PEC梁的最大撓度限值如表4所示。

表4 部分包覆鋼-組合梁最大撓度限值

4.2 PEC柱驗算

YJK軟件計算整體模型后，得到對應構件信息的內力組合，然而目前軟件對PEC柱構件并未有相應模塊驗算截面。根據《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》，PEC柱驗算如下。

1)主鋼件鋼貢獻率如下：

(3)

式中：0.3≤δ≤0.9。截面主鋼件鋼貢獻率為0.6，滿足規范限值。同時，PEC柱截面中，主鋼件截面與縱筋面積率為0.12，滿足<0.2規范要求。

2)軸心受壓構件整體穩定驗算如下：

N≤φNu

(4)

式中：Nu為軸向壓力設計值；Mu為截面受壓承載力設計值(N)；φ為軸心受壓構件穩定系數。

3)采用《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》驗算單向壓彎構件承載力，符合要求。

4)單向壓彎構件整體穩定承載力采用《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》進行驗算，符合要求。

5)雙向壓彎構件整體穩定承載力按照《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》進行驗算，符合要求。

4.3 鋼支撐驗算

該結構體系采用箱形鋼截面中心支撐，箱形鋼支撐呈平面對稱布置，即支撐1(支撐4)、支撐2(支撐3)、支撐5(支撐6)，首層支撐尺寸為B250×350×16×16，支撐1～6的應力比分別為0.39,0.47,0.53,0.3,0.55,0.55。

根據《建筑抗震設計規范》，建筑結構以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震設防目標。鋼支撐對結構剛度貢獻非常大，故對鋼支撐補充中震彈性分析，鋼支撐構件1～9的應力比分別為0.98,0.98,0.66,0.62,0.57,0.545,0.36,0.29,0.23，均≤1.0，滿足中震彈性要求。

5 PEC構件加工及安裝

5.1 構件加工

PEC構件的鋼構件及填充混凝土均為工廠預制。工廠通過深化部門提供的構件深化圖紙，在鋼結構加工廠房依據構件尺寸加工鋼骨部分，再流轉到PC加工廠房，綁扎鋼筋后澆筑混凝土，構件加工后粘貼二維碼標識，轉運至堆場區待運往施工現場。PEC梁加工過程如圖12所示。PEC柱加工過程如圖13所示。

圖12 PEC梁加工過程

圖13 PEC柱加工過程

5.2 現場安裝

施工現場PEC柱利用連接耳板為吊裝孔，進行兩點起吊，根據柱身標注的安裝方向及平面定位，吊到就位上方200mm時緩慢下落，就位后進行測量校正，使柱中心線與下面一段柱的中心線吻合，兼顧各端面。活動雙夾板平穩插入下節柱對應的安裝耳板上，穿好連接螺栓，連接臨時連接夾板。臨時固定柱后進行初校，復測與梁連接的牛腿標高，以便梁的安裝，以牛腿作為標高基準進行定位。完成柱對接后，上下兩節PEC柱腹板及翼緣焊接后割除臨時連接板，完成柱的安裝，再澆筑拼接段混凝土。梁柱連接節點如圖14所示。

圖14 梁柱連接節點

6 結語

以采用部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結構的住宅項目為研究對象，對計算模型分析假定、PEC構件在計算軟件中的建模方法、整體指標計算、構件驗算要點進行說明，闡明構件工廠全預制化生產過程、現場全裝配化施工流程，再使用BIM建筑信息化技術、全專業協同設計，對推廣部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結構體系建筑設計提供參考。