1、1组合构件在某高层建筑转换层中的应用摘要:以局部采用组合构件的高位转换层结构为研究对象，进行了组合构件的截面快速估算，转换部位的分析研究， ，并对组合构件的技术性、经济性进行分析，使建筑物满足结构经济、安全及抗震的性能目标。关键词: 高位转换 组合构件 钢管混凝土 Abstract:In order to local combined component of high conversion layer structure as the research object, the component section estimation, conversion of site analysis,
2、 and component technology, economic analysis, so that the building to meet the economic, security and structure seismic performance objectives. Key words: high conversion, composite structure, concrete filled steel tube 中图分类号： TU37 文献标识码：A 文章编号 引言 组合构件因承载力高，延性好，经常在复杂钢筋混凝土高层建筑中采用，大量震害结果显示，由于构件内置型钢的作用
3、，组合构件的延性2远高于钢筋混凝土结构。1995 年日本阪神地震，与钢筋混凝土高层结构的破坏率高、破坏程度严重形成对照的是：采用钢骨混凝土结构的高层建筑破坏轻微6 。 1 工程概况及组合构件的布置 该工程位于广东省广州市，高 147m, 属于超 B 级高度的高层建筑。上部结构为住宅区, 剪力墙结构;下部为商业区,框架剪力墙结构，在5 层采用梁式转换结构。首层层高 6.0m，二层四层层高 5.0m，五层层高 6.0m，五层以上层高 3.0m。转换层以下混凝土强度等级为 C60。 该结构属于竖向结构不连续的结构，应调整结构刚度，减少刚度的突变，使结构位移能够趋于平缓，增加结构的延性。故转换梁采用钢
4、骨混凝土梁是采用组合构件：钢骨混凝土柱及钢管混凝土柱。在该工程中用到的组合构件有钢骨混凝土梁、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱。剪力反应较大的转换梁采用设置抗剪型钢的钢骨梁，有效提高了梁的抗剪承载力，又可通过缩小梁截面达到减少梁自重、降低梁刚度的目的（从而减少了地震作用下转换梁吸收的剪力） ，减轻了转换梁和框支柱的负担,图 1 转换层结构中组合构件的布置中编号为 KZL1 KZL12；与型钢混凝土梁相连的墙、柱均设型钢或为钢管混凝土柱，保证与转换梁相连的竖向构件有足够的刚度和承载力储备，提供可靠的连接，从而增加了结构的延性。图 1 中框支柱采用钢管混凝土柱 KZZ1 和钢骨混凝土柱 KZZ2。 2
5、梁柱截面的快速估算 规范推荐的算法，由内力确定构件尺寸。事实上，在实际设计操作中，通常是先输入构件尺寸和荷载，再由程序计算出结果，对未满足的3构件调整截面，再进行计算。如此反复，直至调整到合理的结果为止。对于缺乏这方面工程经验的设计人员而言，要得到一个满意的截面需要进行多次的优化。在工程的设计过程中有一些快速算法，整理如下： 2.1 钢骨混凝土主梁 钢骨混凝土主梁高度可取约为跨度的 1/181/20，宽度 350400mm，总含钢率约 7%，其中型钢占 5%，钢筋占 2%。型钢采用对称截面，以便计算其几何属性。 梁的受弯承载力由钢骨和外包钢筋混凝土两部分叠加而成。即： 图 1 转换层结构中组合
6、构件的布置 梁外包钢筋混凝土部分的受弯承载力。 由于采用对称截面, 可以简便算出，进而可以迅速求出截面的受弯承载力。 而梁的受剪承载力也是由钢骨和外包钢筋混凝土两部分叠加而成，即： 外包钢筋混凝土部分则按普通钢筋混凝土计算既可，进而可以迅速求出截面的受剪承载力。 2. 钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱尽量设为方形或矩形，柱内钢骨和钢筋按双向对称配4置。钢骨含钢率约为 6%8%，中柱设置成十字形，边柱为 T 形，角柱为 L形。钢筋含钢率约为 1.2%1.5%。把钢骨和外包钢筋混凝土两部分叠加便可得到钢骨混凝土柱的承载力。结合“面积法”估算该柱承受的竖向力。超高层建筑通常楼层数量多，构件与节点数量也多，
7、计算机每运行一次耗费时间也较长，如果盲目的反复运算，将耗费大量的时间。以上估算方法公式简单，用 EXCEL 软件制成表格，每次调整都可迅速得出承载力。当结构体系布置得当时，一般调整 2、3 次便可得出合理的方案。 3. 转换层的分析和比较 结构的整体计算选用中国建筑科学研究院编制的 SATWE 软件（简化墙元模型） 。结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联及施工模拟。 表 1 为转换层上下层层间位移角。地震作用下，某一层的层间位移角大于相邻上一层的 1.3 倍，或大于其上相邻三个楼层层间位移角平均值的 1.2 倍，则该层的侧向刚度不规则。表中第(3）项数值均小于 1.3，第(5）项数值均小于
8、1.2，由此判断结构规则。 表 1 转换层上下层层间位移角 表 2 为墙、柱轴压比，表中显示：剪力墙最大轴压比均小于 0.5，框支柱最大轴压比均小于 0.6，满足高层规程轴压比限值要求。所有支承转换梁的落地剪力墙边缘构件及重要部位的剪力墙边缘构件内加设型钢，框支柱采用钢管混凝土柱，以增加结构延性。 5表 2 墙、柱轴压比 转换层上下侧向刚度比： 各栋转换层设置在五层，其上、下层等效侧向刚度比 均小于 1.3，满足高层规程要求。 4组合构件技术性、经济性比较 与普通钢筋混凝土构件成熟的施工技术相比，组合构件依然有不少问题亟待解决。具体表现在： 构件制作。组合构件需要制作大量的工字钢、十字型钢、牛
9、腿等成型构件，要在钢构件上钻孔，按设计图设置栓钉，且有大量的焊接工作和螺栓连接工作。除了部分型钢可在工厂加工外，大部分工作还是在现场完成；型钢的拼接。包括柱与柱的连接、柱与梁的连接、梁与梁的连接。连接时须先将型钢定位，水平校准后再施焊，其难度远大于钢筋的；连接垂直度控制。由于柱型钢与下层柱连接时稍有不慎便容易造成倾斜。例如：在连接处由于焊接质量造成一微小的倾角，那么在型钢的上端便可能形成几十毫米的偏差。梁箍筋的定位。通常钢筋混凝土梁是在楼面把箍筋和纵筋绑扎形成固定骨架后再沉到模板槽里。但是钢骨混凝土梁是先固定型钢，再把两个 U 形筋焊接形成箍筋，最后把纵筋穿进去定位，施工难度无疑增大很多。节点
10、施工。在梁柱节点处，除了梁柱型钢外，还有柱的加密箍筋需要穿过主梁型钢腹板，另外部分主梁的纵筋也需要穿过柱型钢的腹板。通常先在腹板上钻出预留孔，再把钢筋穿过。但是实际施工中由于安装误差和钢筋过密等原因，往往发生钢筋与预留孔错6位的情况。 该工程用到的节点有梁柱节点、梁与剪力墙节点、梁与钢管混凝土柱节点等。 与钢筋混凝土结构相比，组合构件在经济效益方面有许多优势： 结构面积小。由于组合构件强度高，柱截面比钢筋混凝土柱大幅下降。就该工程而言，采用钢管混凝土柱可增加有效使用面积 100 平方米，以该位置商业区每平方米 2 万元计，即可增加 200 万元的效益。 工期短。组合构件可一次安装 2-3 层楼
11、的钢骨架，在混凝土尚未浇灌前，可用作其上层楼板平行施工的模板支架和操作平台，先行施工部分钢筋工程，在一定程度上缩短工期。 降低层高。组合构件可以增加截面刚度，有效降低层高。在该工程中，转换层主梁跨度多为 8-12 米，采用钢筋混凝土结构主梁最小梁高 2500，而采用钢骨混凝土梁最小梁高 1800，即可减少 700mm，其经济性明显。 综上所述，虽然由于含钢量的增加，钢骨混凝土结构在土建方面的造价高于普通钢筋混凝土结构，但从整个建筑的造价分析来看，上部结构造价只占建筑总造价的很少部分，结构用钢量增加所造成的总体造价的增加并不多，相反，由于结构尺寸减小，混凝土用量的减小，基础造价的节省和使用面积的
12、增加，建造周期的缩短，从综合效益来讲，组合结构具有一定的优势，同时还可以带来结构抗震性能的提高。因此组合结构在复杂高层、超高层建筑中与钢筋混凝土结构相比有着明显的优势。 5 对结构设计的总结 7经计算，该工程结构周期及位移等符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当，满足在常遇地震下的抗震要求。结构具有良好的耗能机制，符合“强柱弱梁”的抗震设防原则。在中震作用下，结构的竖向构件均未达到或远离完全屈服状态，仅局部结构构件出现破坏而结构的破坏程度可以得到有效控制，可认为达到了“中震可修”的抗震设计目标。而通过在关键构件内设置钢管或芯柱，提高混凝土强度等级，提高配筋率等一系列处理措
13、施，结构的抗震性能更可优于规范规定的防倒塌的最低要求，结构抗震设计可行。 通过该工程的结构设计研究，得到如下的结论，希望为类似工程提供有益的参考和思路。 1组合构件的抗震性能主要表现在：根据现行规范设计的钢骨混凝土框筒结构具有相当大的承载力储备，结构在中震作用下未屈服，破坏时的基底剪力大于弹性地震的计算基底剪力。整体结构延性好，抗震性能较好； 结构在中震或罕见地震作用下进入弹塑性状态后，柱很可能受拉，墙柱中的型钢大幅度提高了构件的受拉承载力，比普通钢筋混凝土更能保证结构“大震不倒” ； 组合构件的应用，使框架能承担更大的倾覆力矩和剪力。剪力墙中的型钢起到了销键作用，提高了剪力墙抗倾覆弯矩的能力
14、。 2 在钢筋混凝土结构体系中，局部采用组合构件是可行的，特别是大跨度杆件设计时，可提高梁的抗弯、抗拉、抗压刚度，减小竖向变形值，降低梁高，其效果比纯钢筋钢筋混凝土结构好。 3. 组合构件综合效益优于钢筋混凝土构件。 8参考文献 1 建筑抗震设计规范(GB 500112001)中国建筑工业出版社，2001 3 钢结构设计规范(GB 500172003)中国计划出版社，2003 3 钢管混凝土结构设计与施工规程 4 钢骨混凝土组合结构技术规程(JGJ 1382001)中国建筑工业出版社，2002 5 钢管混凝土结构设计与施工规程(CECS 28：90)中国计划出版社，1992 6钱稼茹，周栋梁，方小丹钢管混凝土柱-RC 环梁节点及其应用 建筑结构 2003 7周栋梁，钱稼茹，方小丹，江毅.环梁连接的 RC 梁钢管混凝土柱框架试验研究土木工程学报 2004
