高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體性能研究

0 引言

大跨度型鋼混凝土連接體作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與功能連接的關(guān)鍵部分，其施工工藝的研究顯得尤為關(guān)鍵。此類連接體不僅承載著巨大的荷載，還需滿足復(fù)雜多變的建筑造型需求，因此對施工工藝的精確性、高效性及安全性提出了極高要求。特別是在高層建筑中，大跨度型鋼混凝土連接體的施工不僅要確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還需考慮施工過程中的風(fēng)險控制。

近年來，眾多學(xué)者及工程師針對型鋼混凝土連接體的施工工藝進行了深入研究。余小東[]強調(diào)了施工過程的精細(xì)管理與質(zhì)量控制。尚愷郴[2則分析了施工技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與挑戰(zhàn)，提出了針對性的解決方案。李紅現(xiàn)[3]等以機場鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，并探討了其拼裝分塊施工技術(shù)，為高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體的施工提供了有益的參考。為進一步探索和優(yōu)化該施工工藝，本文通過綜合分析現(xiàn)有研究成果，并結(jié)合實際施工案例，提出了更加高效、可靠的施工策略，以期為高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體的施工質(zhì)量和效率提供有益指導(dǎo)。

1工程概況

本研究的工程項目約為6.63萬 m² ，地上部分建筑面積約為3.73萬 m² ，其中地下空間設(shè)有一層寬的地下室，面積約為2.90萬 m² 。該公共設(shè)施采用了2層大空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，核心結(jié)構(gòu)體系為鋼框架一中央支承，確保了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固與安全。地下室的平面布局緊湊，尺寸約為 194m×187m 。整體設(shè)計高度為 35.2m ，其中防火安全設(shè)計高度為35.0m，符合公共安全的高標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。在建筑材料的選擇上，該工程采用了高性能的C50型鋼混凝土柱，進一步增強了建筑的穩(wěn)固性和耐久性。

2型鋼柱結(jié)構(gòu)制作

根據(jù)設(shè)計層高，將型鋼柱分段加工，每段在加工車間精確制作，確保質(zhì)量。下料時，采用火焰自動化切割機，依據(jù)不同鋼板尺寸分段切割，并控制同層鋼柱材料同批下料，以保持材料一致性。在指定位置精準(zhǔn)制孔，包括螺桿孔、連接板孔等，以確保孔位精確。

部件拼裝時，要在專用平臺上進行，并確保所有連接面清潔。按照圖紙要求協(xié)調(diào)部件位置，用夾具固定后點焊成型。焊接過程嚴(yán)格遵循規(guī)范，預(yù)熱坡口兩側(cè)，由專業(yè)焊工操作，采用多種焊接技術(shù)確保焊縫質(zhì)量[5]。焊接完成后，進行矯正處理，利用火焰加熱并控制溫度，使鋼板變形部位恢復(fù)正常形態(tài)。型鋼柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1型鋼柱結(jié)構(gòu)

3連接體協(xié)同工作機理與受力特性

3.1連接體的協(xié)同工作機理

基于技術(shù)層面分析，型鋼以其高強度和良好的韌性，在結(jié)構(gòu)中起到骨架支撐作用，可以有效抵御外力作用，保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。而混凝土則以其優(yōu)異的抗壓性能，為型鋼提供了堅實的包裹和支撐，增強了結(jié)構(gòu)的承載能力。

型鋼與混凝土之間的界面黏結(jié)力至關(guān)重要，通過合 理的施工工藝，確保混凝土與型鋼緊密結(jié)合，形成整體 受力體系。此種緊密的黏結(jié)關(guān)系不僅提高了結(jié)構(gòu)的整體 剛度，還有助于分散和傳遞荷載，增強結(jié)構(gòu)的耐久性。

此外，型鋼與混凝土的協(xié)同工作還體現(xiàn)在對溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的有效控制上[6]。通過合理的配筋和構(gòu)造措施，可以有效減小溫度變化和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

3.2連接體的受力特性

高層建筑中，連接體不僅承受著來自樓層的垂直荷載，還面臨著風(fēng)荷載、地震荷載等多種復(fù)雜外力的共同作用。因此，連接體的設(shè)計需充分考慮其受力特性和變形能力，以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

3.2.1荷載-位移關(guān)系

當(dāng)連接體承受外力作用時，其荷載與位移之間的關(guān)系呈現(xiàn)出特定趨勢。具體來說，隨著荷載的不斷增加，連接體的位移也會相應(yīng)地逐漸增大[]。荷載－位移關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以清晰地看到，隨著荷載的增加，位移的增長呈現(xiàn)出線性趨勢，此種特性反映了連接體在承受外力作用時的剛度和穩(wěn)定性。

3.2.2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

連接體在受力過程中，其應(yīng)力與應(yīng)變之間也呈現(xiàn)出一定的關(guān)系。通常，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變也會逐漸增大，但增長速率逐漸減緩。此種特性可以通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖直觀展示，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖呈現(xiàn)出與荷載－位移曲線圖類似的趨勢，即隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變逐漸增大，但增長速率逐漸減緩。

4連接體力學(xué)性能模擬分析

4.1型鋼與混凝土界面模擬分析

在高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體施工中，型鋼與混凝土的界面模擬是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。界面模擬的目的是研究型鋼與混凝土之間的黏結(jié)性能、應(yīng)力傳遞機制及界面滑移行為。模擬方法包括有限元分析（FEA）和實驗測試。采用ABAQUS軟件建立三維有限元模型，型鋼采用實體單元（C3D8R），混凝土采用實體單元（C3D8R），界面采用接觸單元（COH3D8）[8]。界面黏結(jié)強度通過拉拔試驗和剪切試驗獲取確定，通常為 2.5MPa 。

圖2連接體荷載-位移關(guān)系曲線

不同混凝土強度等級下的界面黏結(jié)強度數(shù)據(jù)如表1 所示。從表1可以看出，C40混凝土的界面黏結(jié)強度為 2.8MPa ，C50混凝土為 3.2MPa_c ，隨著混凝土強度等級的 提高，界面黏結(jié)強度顯著增加，其中C50混凝土的界面 黏結(jié)強度比C30混凝土高出 28% 。

表1不同混凝土強度等級下的界面黏結(jié)強度數(shù)據(jù)

4.2靜力與動力荷載模擬分析

靜力和動力荷載的模擬是評估連接體結(jié)構(gòu)性能的重要手段。靜力荷載模擬主要考慮恒載和活載，動力荷載模擬則考慮地震作用和風(fēng)荷載。采用ANSYS軟件進行靜力分析，恒載取值為 5kN/m² ，活載取值為 2kN/m² 。通過線性靜力分析，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況。采用時程分析法進行動力分析，地震波采用ElCentro波，峰值加速度為 0.3g 。

通過動力分析，得到結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和位移時程曲線，并記錄靜力和動力荷載下的最大應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)。動力響應(yīng)和位移時程曲線如圖4所示，靜力和動力荷載下的最大應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出，動力荷載下的最大應(yīng)力和位移均大于靜力荷載，由此說明動力荷載對結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

圖3連接體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表2靜力和動力荷載下的最大應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)

圖4結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和位移時程曲線

4.3地震作用與風(fēng)荷載的模擬分析

地震作用和風(fēng)荷載是高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體設(shè)計中的主要荷載。通過有限元分析，評估地震作用和風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響。采用反應(yīng)譜法進行地震作用分析，設(shè)計地震動參數(shù)為峰值加速度 0.3g 、反應(yīng)譜周期0.5s。采用風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，風(fēng)壓系數(shù)取1.2，基本風(fēng)壓取 0.5kN/m² 。

通過上述分析，得到地震作用和風(fēng)荷載下的基底剪力和層間位移角數(shù)據(jù)。地震作用和風(fēng)荷載下的基底剪力和層間位移角數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出，地震作用下的基底剪力和層間位移角均大于風(fēng)荷載，由此說明地震作用對結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

表3地震作用和風(fēng)荷載下的基底剪力和層間位移角數(shù)據(jù)

4.4應(yīng)力分布與變形模擬分析

應(yīng)力分布與變形分析是評估連接體結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵技術(shù)途徑。運用先進的有限元分析方法，能夠精確地模擬并解析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征和變形行為。有限元模擬揭示了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況，其中應(yīng)力峰值顯著集中于型鋼與混凝土的交界面。該區(qū)域的最大應(yīng)力值高達(dá) 150MPa ，顯示出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

此外，針對結(jié)構(gòu)的變形特性，有限元分析同樣提供了詳盡的變形模式描述。結(jié)果顯示，連接體的跨中部位是位移最為顯著的區(qū)域，最大位移量達(dá)到了 25mm ，這表明在承受荷載時，該位置的結(jié)構(gòu)柔性相對較大。

型鋼與混凝土界面處顯著的應(yīng)力集中以及跨中位置較大的位移變形，說明該連接體結(jié)構(gòu)在這些關(guān)鍵區(qū)域存在潛在的性能薄弱環(huán)節(jié)。為確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，必須采取相應(yīng)的加強措施，以有效分散應(yīng)力集中并減小跨中位移，從而提升整體結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。

4.5整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能分析

整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能是評估連接體結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)。通過有限元分析，評估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗震性能。采用屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和屈曲荷載，即第一階屈曲荷載為10000kN。采用Pushover分析，得到結(jié)構(gòu)的抗震性能曲線，即結(jié)構(gòu)的屈服位移為 50mm ，極限位移為 100mm 。

整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能分析結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，結(jié)構(gòu)的屈曲荷載較大，抗震性能良好，滿足設(shè)計要求。

表4整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能分析結(jié)果

5結(jié)論

本文通過對型鋼與混凝土的界面模擬、靜力與動力荷載的模擬、地震作用與風(fēng)荷載的影響分析、應(yīng)力分布與變形分析，以及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能分析，得出以下結(jié)論：

1）型鋼與混凝土的界面黏結(jié)強度隨混凝土強度等級 的提高而增加，C50混凝土的界面黏結(jié)強度比C30混凝 土高出 28% 。

2）結(jié)構(gòu)受力特性分析顯示，與靜力荷載相比，動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和位移幅值均更大，顯示出動力荷載對結(jié)構(gòu)的顯著影響。地震作用下的基底剪力和層間位移角顯著高于風(fēng)荷載，表明地震是結(jié)構(gòu)安全性的重大挑戰(zhàn)。

3）在型鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)中，界面處應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，且跨中位置位移較大。其具有較大的屈曲荷載，抗震性能良好，符合并滿足設(shè)計規(guī)范要求。

參考文獻

[1]余小東.高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體施工工藝研究[J].工程技術(shù)研究，2024，9（6）：103-105.

[2]尚愷郴.高層建筑大跨度型鋼混凝土連接體施工技術(shù)[].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2023（8）：62-64.

[3]李紅現(xiàn)，許向陽，于浩，等.大型機場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋北連接體拼裝分塊施工技術(shù)[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（14）：23-30.

[4]周金良，李紅現(xiàn)，梁建軍，等.大型機場航站樓北連接體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升施工模擬分析[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（8）：16-22.

[5]黃俊聰.高層雙塔連體建筑連接體結(jié)構(gòu)方案比選研究[J].廣東土木與建筑，2024，31（10）：19-23，37.

[6]高云杰，曲揚，羅會健，等．大跨度吊掛鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力拉索安裝及張拉施工技術(shù)[J].建筑施工，2023，45（4）：664-667.

[7]張沈斌，金振奮，朱浩川.強連接假定的樓板大開洞連體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（20）：103-109.

[8]陳琦.大跨度型鋼混凝土梁的有限元分析[].安徽建筑，2024，31（3）：59-61.