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摘要： 結(jié)合超限高層框支剪力墻的優(yōu)化設(shè)計，探討了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算方法及構(gòu)造措施，可供設(shè)計人員參考。
    關(guān)鍵詞： 鋼骨混凝土柱 鋼骨截面形式 鋼骨含鋼率前   言所謂超限高層建筑工程是指超出國家現(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高層建筑工程。中廣大廈是集辦公，住宅， 商場， 餐飲， 娛樂為一體的大型高層綜合性建筑。包括三棟高層塔樓（A， B， C棟）。 裙房五層， 地下二層。地下一、二層為設(shè)備用房，汽車庫，地下二層戰(zhàn)時為六級人防。地上一~五層為商場。A、B棟塔樓為6~26層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1米，包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度106.1米。C棟塔樓為6~28層大空間辦公室，房屋高度99.6米。包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度118.800米。五層商場總面積為26745平方米，總建筑面積100010平方米。
    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55 米的限值，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�；�礎(chǔ)采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，底板厚度1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強風化砂巖，地基承載力標準值400Kpa，壓縮模量Es=12~17Mpa.。本建筑的結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計基準期為50年。本文以A、B棟為論及對象。
    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）及下部五層商場大空間的使用要求，采用五層大底盤雙塔樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在五~六層中間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置標高為23米。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. 1、房屋高度超限A、B棟高層房屋高度為89.1米，超過了《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（JGJ3-91）中規(guī)定的框支剪力墻結(jié)構(gòu)8度區(qū)適用高度80米的限值。
    2、采用雙塔樓聯(lián)體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量、剛度分布不均勻，豎向不規(guī)則。
    3、高位轉(zhuǎn)換：在五~六層之間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，標高23米。超過8度區(qū)轉(zhuǎn)換層宜控制在3層以下的限制。
    4、由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉(zhuǎn)換。
    5、由于商場使用功能的限制，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. 6、6~26層住宅部分在外圍剪力墻局部開設(shè)角窗。
    2、構(gòu)造措施經(jīng)我院多次分析論證，認為其主要不利因素為：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。此中，支撐框架是一個薄弱環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)體系，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上部傳來的重力荷載，直接承擔其上剪力墻由于傾覆力矩產(chǎn)生的軸力，要直接承擔不可能依靠樓板全部間接傳力給落地剪力墻而有一部分直接傳來的地震水平剪力。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。對此采取以下措施：
    1、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。
    2、 A、B棟塔樓的裙樓樓屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復雜。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。
    3、由于上部住宅為蝶形平面，在轉(zhuǎn)換層個別部位出現(xiàn)了二次轉(zhuǎn)換梁。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）第10.2.10條的規(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。當結(jié)構(gòu)豎向布置復雜，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。
    4、在住宅部分開設(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，我們決定從受力計算和構(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1、計算軟件：采用中國建筑科學研究院的PKPM 系列中的TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計軟件），SATWE（多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(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TAT、SATWE的計算結(jié)果。地震影響系數(shù)采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ11-89中的數(shù)值：多遇地震0.16，罕遇地震 0.9，阻尼比取0.05 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。
    3.2  結(jié)構(gòu)基本周期：SATWE結(jié)果：T1=1.3611    T2=1.3455     T3=1.2611 T4=1.1075    T5=1.0510     T6=1.0458（僅列出前六個振型）
    TAT結(jié)果： T1=1.5046    T2=1.4899     T3=1.3669 T4=1.2368    T5=1.1506     T6=1.0749（僅列出前六個振型）
    4、地震作用下的底層水平地震剪力系數(shù)：SATWE結(jié)果：  Qox/G=4.44%     Qoy/G=4.35% TAT結(jié)果：    Qox/G=4.08%    Qoy/G=4.08% 5、地震作用下按彈性方法計算的最大層間位移與層高比值：SATWE結(jié)果： Ux/h=1/2262    Uy/h=1/2187 TAT結(jié)果：   Ux/h=1/1573    Uy/h=1/1583 6、地震作用下按彈性方法計算的最大頂點位移與總高比值：SATWE結(jié)果： Ux/H=1/3021     Ux/H=1/2649 TAT結(jié)果：   Ux/H=1/2428     Ux/H=1/2373 7、結(jié)構(gòu)振型曲線及時程分析的部分圖形3.2、計算結(jié)果分析根據(jù)以上計算結(jié)果來看，兩種計算結(jié)果接近。下面以SATWE程序為主進行分析：1、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。
    2、振型曲線光滑符合規(guī)律。
    3、 底層剪重比>3.2%，滿足規(guī)范要求。
    4、 最大層間位移和頂點位移<1/1000，滿足規(guī)范要求。從最大樓層位移曲線可以看出，五層以下較緩，而轉(zhuǎn)換層以上較陡，說明底盤剛度比塔樓剛度小。
    5、分析表明，時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
    1、框支梁：采用SATWE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。
    2、 角窗：整體計算時，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。
    3、  鋼骨柱的計算：首先，確定鋼骨的截面形式，預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。
    4、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計前的準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，在我省也是首次采用。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：
    4.1、鋼骨的含鋼率：關(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。當鋼骨含鋼率太大時，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。因此，在冶金部行業(yè)標準《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》YB9082-97中將鋼骨含鋼率定為2%~15%.一般說來，較為合理的含鋼率為 5%~8%.另在建設(shè)部行業(yè)標準《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ138-2001中定為4%~10%.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%. 
    4.2、鋼骨的寬厚比：鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm以上，腹板16mm以上，但當鋼板厚度大于36mm時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》 GB5313中的Z15級的規(guī)定。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。
    4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：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.  
    4.4、要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構(gòu)造連接上的配合協(xié)調(diào)問題。
5、鋼骨的制作與構(gòu)造措施
    5.1、鋼骨的制作鋼骨的制作必須采用機械加工，并宜由鋼結(jié)構(gòu)制作廠家承擔。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》GB50205、《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81、《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗評定標準》GB50221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。
    5.2、鋼骨混凝土中設(shè)置抗剪拴釘?shù)囊�求鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結(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，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（1）柱腳及柱腳向上一層范圍內(nèi)；（2）與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處；（3）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)符合國家現(xiàn)行標準《園柱頭焊釘》GB10433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。
    5.3、鋼骨的拼接鋼骨柱的長度應(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：
    （1）全焊接連接；
    （2）全螺栓連接；
    （3）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采用第三種形式。
    5.4、鋼骨柱的柱腳構(gòu)造
    1、鋼骨柱的柱腳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. 
    2、鋼骨柱埋入式柱腳的埋入深度不應(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.
    3、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。
    5.5、鋼骨柱的節(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)點包括以下幾種形式：
    （1）鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接；
    （2）鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接；
    （3）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。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??19，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：
    （1） 需確定鋼骨柱中每根鋼筋的準確位置；
    （2） 根據(jù)鋼骨這種型鋼翼緣的寬度確定框架梁的寬度；
    （3） 確定框架梁中每根鋼筋的位置；
    （4） 根據(jù)柱梁鋼筋的位置確定鋼骨穿孔的位置；
    （5） 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；
    （6），鋼骨中縱橫兩方向穿鋼筋孔的位置至少應(yīng)錯開一個孔徑。
    5.6、鋼骨的柱頂構(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。
    6、經(jīng)濟比較未采用鋼骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸為1300X1300mm，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1100X1100mm，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。
    由此可以看出，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。