摘要：在某高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)，探討了其設(shè)計、計算方法、構(gòu)造措施及經(jīng)濟性。結(jié)果表明鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)能同時滿足設(shè)計和經(jīng)濟效益要求，是一種值得推廣的良好的結(jié)構(gòu)體系。
關(guān)鍵詞：大底盤雙塔樓結(jié)構(gòu)，鋼骨混凝土柱，截面形式，鋼骨含鋼率
1. 引 言
大底盤雙塔樓高層建筑是由底部幾層做為大底盤，上部采用兩個塔樓作為主體結(jié)構(gòu)而組成，是近幾十年來發(fā)展起來的一種新型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，其受力性能、破壞形式和計算方法均較一般高層建筑復(fù)雜得多，故屬于超出國家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結(jié)構(gòu)類型、體型特別不規(guī)則以及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程規(guī)定應(yīng)進行抗震專項審查的“超限高層建筑工程”。大底盤雙塔樓結(jié)構(gòu)是當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的一個新課題。
2. 工程概況
中廣大廈是集辦公、住宅、商場、餐飲和娛樂為一體的大型高層綜合性建筑，包括A、B、C 三棟高層塔樓、裙房5 層和2 層地下室。地下2 層為設(shè)備用房和汽車庫，其人防等級為6 級。地上1～5 層裙房為商場。A、B 棟塔樓為6～26 層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1m，包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度為106.1m。C 棟塔樓為6～28 層大空間辦公室，房屋高度99.6m，包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度為118.8m。5 層商場總面積為26745m2，總建筑面積100010m2。因房屋總長度遠超過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55m 的限值，為此設(shè)二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結(jié)構(gòu)單元。即A、B 棟高層為大底盤雙塔樓；C 棟為獨立帶裙房的框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑；其余為框架結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防類別均為乙類，場地類別為Ⅱ類?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，底板厚度分別為1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強風(fēng)化砂巖，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值400Kpa，壓縮模量Es=12～17Mpa，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計基準(zhǔn)期為50 年。本文以A、B 棟為研究對象。
2.1 結(jié)構(gòu)布置特點
A、B 棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規(guī)則性要求（即住宅室內(nèi)無柱角）及下部5層商場大空間的使用要求，采用5 層大底盤雙塔樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在5、6兩層中間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置標(biāo)高為23m。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉(zhuǎn)換層上下剪切剛度比值γ =1.395 。主要特點有以下幾點：
?、欧课莞叨瘸蕖、B 棟高層房屋高度為89.1m，超過了規(guī)范中框支剪力墻結(jié)構(gòu)8度區(qū)適用高度80m 的限值[1]；
?、撇捎秒p塔樓聯(lián)體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量、剛度分布不均勻，豎向不規(guī)則；
?、歉呶晦D(zhuǎn)換。在5、6兩層之間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，標(biāo)高23m，超過了規(guī)范中8 度區(qū)轉(zhuǎn)換層宜控制在3 層以下的限值[1]；
⑷由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉(zhuǎn)換；
?、捎捎谏虉鍪褂霉δ艿南拗?，A、B 棟塔樓的落地剪力墻數(shù)量偏少，且大都布置在商場后部，主體結(jié)構(gòu)與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2；
?、?～26 層住宅部分在外圍剪力墻局部開設(shè)角窗。
2.2 構(gòu)造措施
結(jié)構(gòu)的主要不利因素為：框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架—剪力墻”體系。因此，支撐框架成為整個結(jié)構(gòu)的一個薄弱環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)體系存在高位轉(zhuǎn)換時，由于在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。同時，支撐框架柱要直接承擔(dān)：a、上部結(jié)構(gòu)傳來的重力荷載；b、上部剪力墻由于傾覆力矩產(chǎn)生的軸力；c、樓板未間接傳給落地剪力墻的部分荷載轉(zhuǎn)化為地震水平剪力這三部分荷載。這樣使得轉(zhuǎn)換層以下支撐框架柱的內(nèi)力遠大于計算分析結(jié)果。對此主要采取以下措施：
⑴在塔樓范圍內(nèi)五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結(jié)構(gòu)（鋼骨混凝土柱共48 個），作為解決高位轉(zhuǎn)換和高度超限的一項重要措施；
?、艫、B 棟塔樓的裙房屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復(fù)作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復(fù)雜。同時，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開設(shè)大洞以便設(shè)置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設(shè)計中采用了加強開大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設(shè)斜筋的措施；
?、怯捎谏喜孔≌瑸榈纹矫?，在轉(zhuǎn)換層個別部位出現(xiàn)了二次轉(zhuǎn)換梁。根據(jù)規(guī)定：轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構(gòu)件（墻、柱）宜直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上[1]。當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向布置復(fù)雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及其上剪力墻時，應(yīng)進行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強配筋構(gòu)造措施。B 級高度框支剪力墻高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，不宜采用框支主、次梁方案。針對這一不利因素，我們采取了加強框支主梁的配筋構(gòu)造措施，并在框支主梁的下部配筋區(qū)設(shè)置鋼梁的措施；
?、仍谧≌糠珠_設(shè)角窗，削弱了剪力墻結(jié)構(gòu)體系的整體性，對其抗震性能帶來了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對這一不利因素，應(yīng)該從受力計算和構(gòu)造措施兩方面予以加強處理。
3. 計算結(jié)果分析
3.1 總體計算結(jié)果
地震影響系數(shù)采用的數(shù)值：多遇地震0.16，罕遇地震 0.9，阻尼比取0.05 限值[2]。設(shè)計參數(shù)：地震烈度8 度，場地土類別Ⅱ類，抗震等級框架、剪力墻均為一級；樓層自由度數(shù)：每個塔樓每層3 個自由度（兩個平動，一個扭轉(zhuǎn)）；地震作用按側(cè)剛分析模型考慮扭轉(zhuǎn)耦連，用18 個振型計算，固定端取在±0.000 處。
采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM 系列中的SATWE（多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件）和TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計軟件）兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結(jié)果接近。下面列出SATWE 和TAT 的計算結(jié)果。
3.2 SATWE 計算結(jié)果分析
下面以SATWE 程序為主進行分析：
⑴自振周期在合理范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規(guī)范要求；
?、频讓蛹糁乇?gt;3.2%，最大層間位移和頂點位移<1/1000，均滿足規(guī)范要求；
?、菚r程分析的最大位移均不超過反應(yīng)譜法計算的位移值，Y 向樓層剪力，X、Y 向樓層彎矩均不超過反應(yīng)譜法計算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X 向樓層剪力TAF-2 波大于反應(yīng)譜法，但三個波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動力時程分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整個樓層構(gòu)件的內(nèi)力和斷面配筋。
3.3 局部計算及構(gòu)造處理
?、趴蛑Я海翰捎肧ATWE 程序中的框支剪力墻有限元分析程序進行計算，并進行應(yīng)力分析。同時，加強框支梁的配筋構(gòu)造措施，為避免框支梁鋼筋過密，在框支主梁的下部配筋區(qū)加設(shè)一根580mm 高的鋼梁[3]。
?、平谴埃赫w計算時，角窗上部墻體按雙懸臂梁進行計算。配筋設(shè)計時同時滿足剪力墻連梁的要求。同時，加強角窗周圍的暗柱及連梁的配筋，邊墻剪力墻加墻垛，角窗部分樓板加斜筋。
⑶鋼骨柱的計算：首先，確定鋼骨的截面形式，預(yù)定鋼骨柱的鋼骨含鋼率，帶入SATWE程序中進行整體計算，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整含鋼率。有關(guān)鋼骨柱的構(gòu)造及具體做法見下面的詳細介紹。
?、蠕摴腔炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計前的準(zhǔn)備工作采用鋼骨混凝土是解決超限問題的重大技術(shù)措施，也是本次設(shè)計的重要組成部分。在本次設(shè)計中，鋼骨柱采用的是實腹式十字型鋼，鋼骨梁采用的是工字型鋼。在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的幾個問題如下：
?、黉摴堑暮撀剩宏P(guān)于鋼骨混凝土構(gòu)件的最小和最大含鋼率，目前沒有統(tǒng)一的認識，但當(dāng)鋼骨含鋼率小于2%時，可以采用鋼筋混凝土構(gòu)件，而沒有必要采用鋼骨混凝土構(gòu)件[4]。當(dāng)鋼骨含鋼率太大時，鋼骨與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發(fā)揮，且混凝土澆注施工有困難。分別將鋼骨含鋼率定為2%～15%和4%～10%[5]。一般說來，較為合理的含鋼率為5%～8%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設(shè)計中，考慮到建設(shè)單位盡量節(jié)約鋼材，節(jié)省資金的要求，經(jīng)專家委員會認可，鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。
?、阡摴堑膶捄癖龋轰摪宓暮穸炔灰诵∮?mm，一般為翼緣板20mm 以上，腹板16mm以上，但當(dāng)鋼板厚度大于36mm 時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應(yīng)符合規(guī)范中Z15 級的規(guī)定[6]。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質(zhì)量不易保證。鋼骨的寬厚比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。
?、垆摴堑幕炷帘Ｗo層厚度：根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。
?、芤匾曚摴腔炷林c鋼筋混凝土梁在構(gòu)造連接上的配合協(xié)調(diào)問題。
?、射摴堑闹谱髋c構(gòu)造措施
?、黉摴堑闹谱麂摴堑闹谱鞅仨毑捎脵C械加工，并宜由鋼結(jié)構(gòu)制作廠家承擔(dān)。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應(yīng)符合以下的規(guī)定，鋼材、焊接材料、螺栓等應(yīng)有質(zhì)量證明書，質(zhì)量應(yīng)符合國家有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。焊接前應(yīng)將構(gòu)件焊接面除油、除銹，焊工應(yīng)持證上崗。施工中應(yīng)確保施工現(xiàn)場型鋼柱拼接和梁柱節(jié)點連接的焊接質(zhì)量，型鋼鋼板的制孔，應(yīng)采用工廠車床制孔，嚴禁現(xiàn)場用氧氣切割開孔。在鋼骨制作完成后，建設(shè)單位不可隨意變更，以免引起孔位改變造成施工困難[7]~ [9]。
?、阡摴腔炷林性O(shè)置抗剪拴釘?shù)囊箐摴腔炷僚c鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別之一是型鋼與混凝土的粘結(jié)力遠遠小于鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。根據(jù)國內(nèi)外的試驗，大約只相當(dāng)于光面鋼筋粘結(jié)力的45%.因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中認為鋼筋與混凝土是共同工作的，直至構(gòu)件破壞。而在鋼骨混凝土中，由于粘結(jié)滑移的存在，將影響到構(gòu)件的破壞形態(tài)、計算假定、構(gòu)件承載能力及剛度、裂縫。通?？捎脙煞N方法解決，一是在構(gòu)件上另設(shè)剪切連接件（栓釘），并按照計算確定其數(shù)量，即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔(dān)，稱為完全剪力連接。這樣可以認為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計算中考慮粘結(jié)滑移對承載力的影響，同時在型鋼的一定部位，如柱腳及柱腳向上一層范圍內(nèi)，或者與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處，或者結(jié)構(gòu)過渡層范圍內(nèi)的鋼骨翼緣處加設(shè)抗剪栓釘作為構(gòu)造要求。構(gòu)件中設(shè)置的栓釘應(yīng)符合的規(guī)定：栓釘直徑一般為19，長度不宜小于4 倍栓釘直徑，間距不宜小于6倍栓釘直徑，且不宜大于200mm.并采用特制的設(shè)釘槍進行焊接，焊接質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求[10]。
?、垆摴堑钠唇愉摴侵拈L度應(yīng)根據(jù)鋼材的生產(chǎn)和運輸長度限制及建筑物層高綜合考慮，一般每三層為一根，其工地拼接接頭宜設(shè)于框架梁頂面以上1～3m 處。鋼骨柱的工地拼接一般有三種形式：ⅰ全焊接連接；ⅱ全螺栓連接；ⅲ栓、焊混合連接。設(shè)計施工中多采用第三種形式，即鋼骨柱翼緣采用全溶透的剖口對接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強度螺栓連接。中廣大廈設(shè)計中的鋼骨工地拼接也是采用第三種形式。
?、茕摴侵闹_構(gòu)造
?、′摴侵闹_分為埋入式和非埋入式兩種，在抗震區(qū)宜采用埋入式柱腳，柱腳鋼骨的混凝土最小保護層厚度為：中間柱：不得小于180mm，邊柱和角柱：不得小于250mm[11]。
?、摴侵袢胧街_的埋入深度不應(yīng)小于3 倍型鋼柱截面高度，在注腳部位和柱腳向上一層的范圍內(nèi)，鋼骨柱翼緣外側(cè)設(shè)置栓釘，栓釘直徑不小于19，間距不大于200mm，且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50mm。
ⅲ在中廣大廈的鋼骨設(shè)計中，由于建筑物嵌固端取在±0.000 米處，為保證地下一層汽車庫的使用功能，經(jīng)多次反復(fù)研究、討論，最終確定了底層框架梁水平、垂直加腋，鋼骨伸入框架柱內(nèi)長度為1.5m，下部與鋼筋混凝土柱柱心鋼筋焊接。在施工過程中，施工單位提出，鋼骨注腳放在半層柱上施工有困難，施工質(zhì)量無法保證。后經(jīng)施工單位、設(shè)計單位、制作單位及建設(shè)單位多次研究，決定在鋼骨柱柱腳底部另設(shè)格構(gòu)式支架，將支架一延伸至地下一層底板（支架必須保證拉力傳遞），比上述方法容易施工，加快了施工進度。經(jīng)實踐證明在今后的設(shè)計中若遇到同類問題，宜將鋼骨直接伸入地下一層，這樣即滿足了埋入式柱腳的埋深問題，又取消了底層梁加腋的施工工序、支架的制作安裝工序，節(jié)省了時間，施工質(zhì)量較易保證。
?、蒌摴侵墓?jié)點構(gòu)造框架梁、柱節(jié)點核心區(qū)是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，設(shè)計時應(yīng)保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節(jié)點核心區(qū)不允許有過大的變形。在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中，梁、柱節(jié)點包括這樣幾種形式：ⅰ鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接；ⅱ鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接；ⅲ鋼筋混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接。在中廣大廈設(shè)計中我們遇到的是第三種情況。
規(guī)范規(guī)定，節(jié)點區(qū)鋼骨部分的連接構(gòu)造應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接相一致，在柱鋼骨的鋼牛腿翼緣水平位置處應(yīng)設(shè)置加勁肋，其構(gòu)造應(yīng)便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實[12]。柱中鋼骨和主筋的布置應(yīng)為梁中主筋貫穿留出通道，梁中主筋不應(yīng)穿過鋼骨翼緣，也不得與柱中鋼骨直接焊接，鋼骨腹板部分設(shè)置鋼筋貫穿孔時，截面缺損率不宜超過腹板面積的25%，根據(jù)規(guī)范要求，在中廣大廈鋼骨設(shè)計中，我們采用的方法是：在鋼筋混凝土梁與鋼骨柱連接的梁端，設(shè)置一段工字型鋼梁（牛腿），鋼梁的高度由鋼筋混凝土梁高決定，一般為鋼筋混凝土梁高的0.7 倍以上，鋼筋混凝土梁內(nèi)鋼筋的一部分與鋼牛腿焊接或搭接，鋼牛腿的長度應(yīng)滿足梁內(nèi)鋼筋內(nèi)力傳遞要求。因鋼骨柱主筋穿過鋼牛腿翼緣，鋼牛腿強度有所削弱，因此梁內(nèi)鋼筋焊接或搭接長度應(yīng)從牛腿根部起算。在實際施工中，由于鋼牛腿長度較長，運輸有困難，鋼牛腿的長度均取滿足梁內(nèi)主筋焊接長度要求。在鋼牛腿的上、下翼緣上設(shè)置栓釘，栓釘?shù)闹睆綖棣?9，間距200mm，從框架梁梁端至鋼梁（牛腿）端部以外2 倍梁高范圍內(nèi)為框架梁端箍筋加密區(qū)，梁內(nèi)主筋保證有不少于1/3 主筋面積穿過鋼骨連續(xù)配置。為方便鋼骨的工廠化制作，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中不同且難度最大的是：
?、⌒璐_定鋼骨柱中每根鋼筋的準(zhǔn)確位置；
?、⒏鶕?jù)鋼骨這種型鋼翼緣的寬度確定框架梁的寬度；
?、４_定框架梁中每根鋼筋的位置；
?、じ鶕?jù)柱梁鋼筋的位置確定鋼骨穿孔的位置；
ⅴ鋼骨中穿鋼筋的孔徑由鋼筋直徑確定，一般比鋼筋直徑大4～6mm；
?、︿摴侵锌v橫兩方向穿鋼筋孔的位置至少應(yīng)錯開一個孔徑。
?、掬摴堑闹敇?gòu)造根據(jù)規(guī)范規(guī)定，但結(jié)構(gòu)下部采用鋼骨混凝土柱、上部采用鋼筋混凝土柱時，其間應(yīng)設(shè)置過渡層。在本次設(shè)計中，過渡層設(shè)置在轉(zhuǎn)換層中，柱頂加設(shè)一塊25 厚柱頂錨固板。但在實際施工過程中，轉(zhuǎn)換大梁配筋較多，柱頂錨固板直接影響轉(zhuǎn)換大梁鋼筋的錨固，經(jīng)多方研究，取消了柱頂錨固板，為轉(zhuǎn)換大梁的順利施工創(chuàng)造了條件。
?、式?jīng)濟比較未采用鋼骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸為1300mm×1300mm，上部住宅為6~25 層。采用鋼骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸為1100mm×1100mm，上部住宅為6～26層，框支柱截面面積減少了30%左右，住宅面積增加了1860 平方米。在整個建筑中，共使用型鋼650 噸，型鋼的材料、制作、安裝綜合預(yù)算價約為6500 元/噸，減去縮小柱截面及減少鋼筋面積的費用后，增加費用257.63 萬元，柱截面縮小后商場部分增加使用面積115.2平方米，按20000 元/平方米計算，增加收益230.4 萬元。增加住宅面積增加收益372 萬元（1860平方米，按2000 元/平方米計算），變更后增加凈收益352.77 萬元。
4. 結(jié)論
由以上分析可以看出，采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)既可滿足設(shè)計要求，又能為建設(shè)單位增加經(jīng)濟效益，為在高層建筑設(shè)計中解決超限問題提供了可靠途經(jīng)。是一種值得推廣的良好的結(jié)構(gòu)體系。
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