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有關高層鋼骨混凝土結構設計管理論文
摘要：結合超限高層框支剪力墻的優化設計，探討了鋼骨混凝土組合結構的設計、計算方法及構造措施，可供設計人員參考。
關鍵詞：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行規范、規程所規定的適用高度和適用結構類型、體型特別不規則以及有關規范、規程規定應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、二層為設備用房，汽車庫，地下二層戰時為六級人防。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，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，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構伸縮縫最大間距55米的限值，為此設二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結構單元。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構高層建筑；其余為框架結構。建筑抗震設防類別均為乙類，場地類別為Ⅱ類�；A采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎，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.。本建筑的結構安全等級為一級，設計基準期為50年。本文以A、B棟為論及對象。
1、結構布置特點
A、B棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規則性要求（即住宅室內無柱角）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構，在五~六層中間利用設備層做轉換層，采用梁式轉換，轉換層設置標高為23米。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉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構設計與施工規程》（JGJ3-91）中規定的框支剪力墻結構8度區適用高度80米的限值。
2、采用雙塔樓聯體結構，質量、剛度分布不均勻，豎向不規則。
3、高位轉換：
在五~六層之間利用設備層做轉換層，標高23米。超過8度區轉換層宜控制在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量偏少，且大都布置在商場后部，主體結構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角窗。
2、構造措施
經我院多次分析論證，認為其主要不利因素為：框支剪力墻結構在轉換層以下，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節。這種結構體系，在高位轉換時，由于在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，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。這樣使得轉換層以下支撐框架柱的內力遠大于計算分析結果。對此采取以下措施：
1、在塔樓范圍內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構（鋼骨混凝土柱共48個）。作為解決高位轉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，在裙樓中部開設大洞以便設置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設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，增設斜筋的措施。
3、由于上部住宅為蝶形平面，在轉換層個別部位出現了二次轉換梁。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）第10.2.10條的規定：轉換層上部的豎向抗側力構件（墻、柱）宜直接落在轉換層的主結構上。當結構豎向布置復雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉換次梁及其上剪力墻時，應進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。B級高度框支剪力墻高層建筑的結構轉換層，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造措施，并在框支主梁的下部配筋區設置鋼梁的措施。
4、在住宅部分開設角窗，削弱了剪力墻結構體系的整體性，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造措施兩方面予以加強處理。
3、計算結果分析
3.1、總體計算結果
1、計算軟件：
采用中國建筑科學研究院的PKPM系列中的TAT（多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件），SATWE（多、高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件）兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結果接近。下面列出TAT、SATWE的計算結果。地震影響系數采用《建筑抗震設計規范》GBJ11-89中的數值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.05
2、設計參數：
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：每個塔樓每層3個自由度（兩個平動，一個扭轉）；地震作用按側剛分析模型考慮扭轉耦連，用18個振型計算，固定端取在±0.000處。
3、結構基本周期：
SATWE結果：T1=1.3611T2=1.3455T3=1.2611
T4=1.1075T5=1.0510T6=1.0458
�。▋H列出前六個振型）
TAT結果：T1=1.5046T2=1.4899T3=1.3669
T4=1.2368T5=1.1506T6=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：
SATWE結果：Qox/G=4.44%Qoy/G=4.35%
TAT結果：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結果：Ux/h=1/2262Uy/h=1/2187
TAT結果：Ux/h=1/1573Uy/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結果：Ux/H=1/3021Ux/H=1/2649
TAT結果：Ux/H=1/2428Ux/H=1/2373
7、結構振型曲線及時程分析的部分圖形
3.2、計算結果分析
根據以上計算結果來看，兩種計算結果接近。下面以SATWE程序為主進行分析：
1、自振周期在合理范圍之內，結構扭轉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，滿足規范要求。
2、振型曲線光滑符合規律。
3、底層剪重比>3.2%,滿足規范要求。
4、最大層間位移和頂點位移<1/1000，滿足規范要求。從最大樓層位移曲線可以看出，五層以下較緩，而轉換層以上較陡，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果表明，不需要調整個樓層構件的內力和斷面配筋。
3.3、局部計算及構造處理
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，并進行應力分析。同時，加強框支梁的配筋構造措施，為避免框支梁鋼筋過密，在框支主梁的下部配筋區加設一根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，并根據計算結果調整含鋼率。有關鋼骨柱的構造及具體做法見下面的詳細介紹。
4、鋼骨混凝土結構設計前的準備工作
采用鋼骨混凝土是解決超限問題的重大技術措施，也是本次設計的重要組成部分，在我省也是首次采用。在本次設計中，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。在鋼骨混凝土結構設計中需要注意的幾個問題如下：
4.1、鋼骨的含鋼率：
關于鋼骨混凝土構件的最小和最大含鋼率，目前沒有統一的認識，但當鋼骨含鋼率小于2%時，可以采用鋼筋混凝土構件，而沒有必要采用鋼骨混凝土構件。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揮，且混凝土澆注施工有困難。因此，在冶金部行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》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%。另在建設部行業標準《型鋼混凝土組合結構技術規程》JGJ138-2001中定為4%~10%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設計中，考慮到建設單位盡量節約鋼材，節省資金的要求，經專家委員會認可，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符合現行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB5313中的Z15級的規定。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，焊接質量不易保證。鋼骨的寬厚比應滿足規范的要求。
4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：
根據規范規定，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造連接上的配合協調問題。
5、鋼骨的制作與構造措施
5.1、鋼骨的制作
鋼骨的制作必須采用機械加工，并宜由鋼結構制作廠家承擔。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應符合現行國家標準《鋼結構工程施工及驗收規范》GB50205、《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81、《鋼結構工程質量檢驗評定標準》GB50221的規定，鋼材、焊接材料、螺栓等應有質量證明書，質量應符合國家有關規范的規定。焊接前應將構件焊接面除油、除銹，焊工應持證上崗。施工中應確保施工現場型鋼柱拼接和梁柱節點連接的焊接質量，型鋼鋼板的制孔，應采用工廠車床制孔，嚴禁現場用氧氣切割開孔，在鋼骨制作完成后，建設單位不可隨意變更，以免引起孔位改變造成施工困難。
5.2、鋼骨混凝土中設置抗剪拴釘的要求
鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結構的顯著區別之一是型鋼與混凝土的粘結力遠遠小于鋼筋與混凝土的粘結力。根據國內外的試驗，大約只相當于光面鋼筋粘結力的45%。因此，在鋼筋混凝土結構中認為鋼筋與混凝土是共同工作的，直至構件破壞。而在鋼骨混凝土中，由于粘結滑移的存在，將影響到構件的破壞形態、計算假定、構件承載能力及剛度、裂縫。通�？捎脙煞N方法解決，一是在構件上另設剪切連接件(栓釘)，并按照計算確定其數量，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；（2）與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處；（3）結構過渡層范圍內的鋼骨翼緣處加設抗剪栓釘作為構造要求。構件中設置的栓釘應符合國家現行標準《園柱頭焊釘》GB10433的規定，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。并采用特制的設釘槍進行焊接，焊接質量應滿足規范要求。
5.3、鋼骨的拼接
鋼骨柱的長度應根據鋼材的生產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、鋼骨柱的柱腳構造
1、鋼骨柱的柱腳分為埋入式和非埋入式兩種，在抗震區宜采用埋入式柱腳，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，鋼骨柱翼緣外側設置栓釘，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，施工質量無法保證。后經施工單位、設計單位、制作單位及建設單位多次研究，決定在鋼骨柱柱腳底部另設格構式支架，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。經實踐證明在今后的設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，節省了時間，施工質量較易保證。
5.5、鋼骨柱的節點構造
框架梁、柱節點核心區是結構受力的關鍵部位，設計時應保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節點核心區不允許有過大的變形。
在鋼骨混凝土結構中，梁、柱節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。在中廣大廈設計中我們遇到的是第三種情況。
規范規定，節點區鋼骨部分的連接構造應與鋼結構的節點連接相一致，在柱鋼骨的鋼牛腿翼緣水平位置處應設置加勁肋，其構造應便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實。柱中鋼骨和主筋的布置應為梁中主筋貫穿留出通道，梁中主筋不應穿過鋼骨翼緣，也不得與柱中鋼骨直接焊接，鋼骨腹板部分設置鋼筋貫穿孔時，截面缺損率不宜超過腹板面積的25%。
根據規范要求，在中廣大廈鋼骨設計中，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，鋼筋混凝土梁內鋼筋的一部分與鋼牛腿焊接或搭接，鋼牛腿的長度應滿足梁內鋼筋內力傳遞要求。因鋼骨柱主筋穿過鋼牛腿翼緣，鋼牛腿強度有所削弱，因此梁內鋼筋焊接或搭接長度應從牛腿根部起算。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主筋焊接長度要求。在鋼牛腿的上、下翼緣上設置栓釘，栓釘的直徑為19，間距200mm，從框架梁梁端至鋼梁（牛腿）端部以外2倍梁高范圍內為框架梁端箍筋加密區，梁內主筋保證有不少于1/3主筋面積穿過鋼骨連續配置。
為方便鋼骨的工廠化制作，鋼骨混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構設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錯開一個孔徑。
5.6、鋼骨的柱頂構造
根據規范規定，但結構下部采用鋼骨混凝土柱、上部采用鋼筋混凝土柱時，其間應設置過渡層。在本次設計中，過渡層設置在轉換層中，柱頂加設一塊25厚柱頂錨固板。但在實際施工過程中，轉換大梁配筋較多，柱頂錨固板直接影響轉換大梁鋼筋的錨固，經多方研究，取消了柱頂錨固板，為轉換大梁的順利施工創造了條件。
6、經濟比較
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，采用鋼骨混凝土結構既可滿足設計要求，又能為建設單位增加經濟效益，為在高層建筑設計中解決超限問題提供了可靠途經。是一種值得推廣的良好的結構體系。
7、結束語
在抗震設防區，對超限高層結構設計的可靠性、安全性及抗震設防質量提出了嚴格的管理規定。在不斷總結經驗和加深認識當中，我院在超限高層建筑結構抗震設計時采取了一系列對策。其中一項得力的重要措施就是采用鋼骨混凝土結構，它在我省也是首次采用。在付諸實施過程中，對包括設計、制作、安裝、混凝土澆筑等四個方面的配合協調，與普通鋼筋混凝土結構相比，提出了更高的要求，同時也必將使我省建筑設計、科研、施工等行業的技術水平上升到一個新的高度。我院將繼續深化總結，為繁榮我省的建筑行業做出應有的貢獻。
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