鄭 遠

(福建省沿海建筑設計院，福建 福州 350001)

某高層建筑型鋼混凝土組合連梁的應用研究

鄭 遠

(福建省沿海建筑設計院，福建 福州 350001)

用YJK-A計算分析軟件對某高層框架—雙核心筒建筑進行了計算分析，重點對連接雙核心筒的型鋼混凝土連梁進行中震情況下的彈性作了分析，并介紹了型鋼混凝土連梁的設計和構造措施，指出型鋼混凝土組合梁抗震性能優(yōu)越、構造簡單、造價低、施工方便，具有廣闊的應用前景。

框架—雙核心筒結構，型鋼混凝土連梁，中震彈性分析

0 引言

型鋼混凝土組合梁是由型鋼和鋼筋混凝土組成整體共同工作的一種結構形式。型鋼混凝土組合梁能充分利用鋼材的抗拉能力和混凝土的抗壓能力，具有承載力高、剛度大、延性好的優(yōu)點，在國內外應用日益廣泛。在框架—剪力墻結構或框架—核心筒結構中，剪力墻和核心筒承擔了大部分水平荷載，鋼筋混凝土連梁所承受的剪力很大。在進行高層建筑結構設計時，經(jīng)常出現(xiàn)連梁斜截面抗剪承載力無法滿足抗剪承載能力要求的情況，使用型鋼混凝土組合連梁可以大幅度提高連梁的抗剪承載力，且具有優(yōu)良的抗震性能，構造簡單、造價不高、施工方便。本文通過實際工程，對型鋼混凝土組合連梁的計算方法、構造做法和有關技術進行了分析研究。

1 工程概況

德誠黃金集團有限公司黃金珠寶首飾加工項目地處福建省長樂市，西側為機場高速，東側為省道。

本項目由研發(fā)樓、辦公樓、廠房、宿舍樓等構成，其中研發(fā)樓總建筑面積約為38 900 m2，地上21層，1層～3層為裙房，建筑功能為門廳及食堂，4層～21層為開敞辦公區(qū)和研發(fā)中心。該建筑總高度約87.35 m,地下2層為人防地下室，建筑功能為停車場、金庫及相關設備配套用房，地下室埋深約為10.7 m。主樓結構采用框架—雙核心筒建筑結構體系，雙核心筒部分的建筑抗震等級為二級，框架部分的建筑抗震等級為二級；抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g,地震分組為第三組；建筑場地類別為Ⅲ類。風荷載標準值：基本風壓按50年重現(xiàn)期0.8 kN/m2采用，地面粗糙度：B類，風載體型系數(shù)：1.3。建筑樓面活荷載根據(jù)GB 50009—2012建筑結構荷載規(guī)范選用。

建筑標準層平面圖及建筑剖面圖詳見圖1。

本工程建筑標準層平面呈規(guī)整長方形，豎向結構構件上下連續(xù)貫通，在建筑2層～3層有局部開洞，但開洞面積小于相應樓層面積的30%，且有效樓板寬度大于相應樓層樓板典型寬度的50%，因此判定主樓為規(guī)則結構。主體結構采用框架—雙核心筒結構體系。鋼筋混凝土雙核心筒作為建筑的主要的抗側力結構體系，外圍鋼筋混凝土框架作為抗震第二道防線，共同組成雙重抗側力結構體系。兩個核心筒形狀均為規(guī)整正方形，平米尺寸均為8.4 m×8.4 m,核心筒其高寬比為96.4/8.4=11.47，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第9.2.1條中規(guī)定的內筒高寬比不宜大于12的設計要求。

本工程設計的主要難點：建筑結構設計方案抗扭剛度的優(yōu)化；雙核心筒之間連梁的抗剪承載力設計計算。

2 結構計算分析

2.1 整體結構分析

本工程設計計算采用盈建科YJK-A分析軟件。采用空間扭轉偶聯(lián)的振型反應譜法計算建筑結構的地震作用。雙核心筒間樓板按彈性板進行細化分析。程序計算抗震計算采用單向地震作用并考慮偶然偏心的影響，并考慮了雙向地震作用下的計算。計算結構見表1。

表1 計算結構表

從表1數(shù)據(jù)可以得出以下幾點結論：

1)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第9.2.5條中規(guī)定框架—核心筒體結構扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.85，且T1的扭轉成分不大于30%。本工程T3/T1=0.7,T1為平動周期，且在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下的最大層間位移與平均位移的比值小于1.2倍，說明該結構體系扭轉剛度符合規(guī)范要求。

2)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第3.7.3條中規(guī)定按彈性方法計算下，框架—核心筒結構在風荷載或多遇地震標準值作用下的樓層層間最大水平位移Du與層高h的比值小于1/800。本工程建筑結構在風荷載與地震荷載作用下的最大層間位移角均滿足小于1/800的要求，說明本工程采用框架—雙核心筒體結構體系剛度合理。

3)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第9.1.11條中規(guī)定在框架—核心筒結構體系中，框架部分按側向剛度分配的樓層地震剪力標準值的最大值不宜小于結構底部總地震剪力標準值的10%。本工程底層框架柱承擔的地震剪力標準值X向為16.45%，Y向為20.30%，均滿足大于10%的要求。從該計算結果中也可以看出鋼筋混凝土雙核心筒結構剛度遠大于周邊框架結構剛度，混凝土雙核心筒結構是該建筑的主要抗側力結構。

2.2 雙核心筒體間型鋼混凝土組合連梁的中震彈性分析

由盈建科YJK-A計算結果可知，雙核心筒間連梁承受很大的剪應力，普通鋼筋混凝土梁無法滿足抗剪承載力的要求。本工程采用型鋼混凝土組合梁作為雙核心筒間連梁，該連梁作為框架—雙核心筒結構中的重要結構構件需要特別加強?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》第3.11條中對復雜高層建筑中的結構重要構件提出了應進行結構抗震性能設計的要求。本工程抗震性能設計目標為：多遇地震下結構彈性設計，其承載力和變形應符合相關規(guī)范的要求；設防烈度地震下結構重要構件(即雙核心筒體間型鋼混凝土組合連梁)的抗震承載力滿足彈性設計要求。

《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第4.3.7條規(guī)定，在多遇地震作用下和設防地震作用下，7度區(qū)水平地震影響系數(shù)最大值amax分別為0.08和0.23,在盈建科計算參數(shù)中將多遇地震影響系數(shù)最大值0.08替換成0.23，對結構進行內力計算后得出雙核心筒體間連梁的內力標準值。根據(jù)計算結果對比可知在該樓6層處的雙核心筒體間連梁內力為最大值，連梁的位置詳見圖2，內力標準值詳見表2。根據(jù)中震彈性要求，結構構件的截面抗震驗算應符合下列關系：

在采用YJK-A計算分析程序對結構進行設防地震作用下結構重要構件承載力計算時，采用以下計算條件：

1)在“地震影響系數(shù)最大值”中輸入中震的地震影響系數(shù)最大值;2)與抗震等級有關的增大系數(shù)取為1.0。

表2 內力標準值

型鋼—混凝土組合連梁截面圖見圖3。

型鋼混凝土組合連梁斜截面抗剪承載力參照JGJ 138—2001型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程進行設計?！缎弯摶炷两M合結構技術規(guī)程》斜截面承載力計算采用疊加法，即采用型鋼部分受剪承載力和不考慮型鋼的普通鋼筋混凝土梁受剪承載力之和作為型鋼混凝土組合梁的受剪承載力。

型鋼混凝土組合梁的受剪截面應符合下列條件：

非抗震設計時：

Vb≤0.45fcbh0,

抗震設計時：

型鋼混凝土組合梁斜截面受剪承載力按下列公式計算：

非抗震設計時：

抗震設計時：

其中，Vb為考慮地震組合的梁端剪力設計值；gRE為承載力抗震調整系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；b，h0分別為型鋼混凝土梁截面寬度和有效高度；ASV為型鋼混凝土梁同一截面內箍筋各肢的全部截面面積；s為型鋼混凝土梁箍筋間距；fyv為型鋼混凝土梁箍筋抗拉強度設計值；fa為型鋼的抗拉強度設計值；tw,hw分別為型鋼腹板的厚度和高度。

通過計算可知，型鋼混凝土組合連梁滿足中震彈性下的承載能力極限狀態(tài)設計要求，因此可以實現(xiàn)設防地震下局部關鍵結構構件的性能目標。

3 型鋼混凝土組合連梁的構造措施

在鋼筋混凝土連梁中設置適當含鋼率的工字形軋制型鋼或工字形焊接型鋼，型鋼上下翼緣應分別設置在鋼筋混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)，形成型鋼混凝土組合連梁。國內外有關組合構件的實驗及工程實例結果表明型鋼與鋼筋混凝土梁具有良好的協(xié)調工作性能。

型鋼混凝土組合連梁構造做法如圖4，圖5所示。

從理論和已有的工程實踐中可總結出型鋼—混凝土組合連梁的構造做法有以下幾點要求：

1)型鋼與核心筒墻體邊緣構件的連接：本工程核心筒墻體邊緣構件中未設置型鋼，連梁型鋼應采取有效構造措施與核心筒體墻體邊緣構件可靠連接：型鋼錨入剪力墻中的長度不應小于型鋼截面高度，本工程錨固長度取1.2m，型鋼深入墻中部分型鋼開鋼筋孔，以便剪力墻邊緣構件中的箍筋從中穿過。

2)型鋼在連梁底部、頂部的混凝土保護層最小厚度不小于100mm。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第9.2.7條洞口附近樓板應加厚，本工程雙核心筒中間部分樓板局部開洞，洞口附近樓板應加厚，厚度取150mm，所以型鋼在型鋼混凝土組合連梁頂部混凝土保護層厚度取150mm，使得樓板鋼筋可以在梁位處貫通設置，避免了樓板鋼筋在型鋼處斷開。

3)參照《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》中的相關構造規(guī)定，本工程型鋼混凝土組合連梁在型鋼腹板兩側設置栓釘，栓釘直徑取22mm,其長度h=100mm，大于4倍栓釘直徑；其間距s=110，小于6倍栓釘直徑。在型鋼腹板兩側設置栓釘可增強型鋼和混凝土的協(xié)調工作性能，有效避免型鋼與混凝土間的粘結滑移。

4)梁中的型鋼腹板高度h=850mm，大于450mm，故在梁的兩側沿高度方向需設置縱向構造鋼筋，在縱向構造鋼筋之間設置拉結筋。拉結鋼筋遇型鋼腹板時可采用拉結焊接在型鋼腹板上或者型鋼腹板中留孔穿過的方法。

4 結語

1)在外框架與核心筒之間的平面尺寸已經(jīng)確定的情況下，且在不降低結構性能的前提下，本工程采用了框架—雙核心筒結構體系方案，使得整個結構具有合理的剛度和抗扭轉性能。通過盈建科YJK-A設計計算軟件對框架—雙核心筒結構進行計算，計算結果表明該結構具有較好的抗震性能。

2)雙核心筒間連梁采用型鋼混凝土組合梁，增強連梁的抗剪承載力。雙核心筒間連梁作為結構重要構件進行抗震性能設計，以提高其抗震能力，在計算上用中震彈性進行內力復核。

3)型鋼混凝土組合連梁能夠大幅度提高連梁斜截面抗剪承載力，抗震性能優(yōu)越，且構造較為簡單、施工難度不大。

[1]JGJ138—2001,型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程[S].

[2]JGJ3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3]GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4]GB50010—2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].

[5] 劉維亞.型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

Research on application of steel concrete composite coupling beam of some high-rise building

Zheng Yuan

(FujianCoastalArchitecturalDesignInstitute,Fuzhou350001,China)

The paper undertakes the calculation and analysis of double core canister building of some high-rise framework with YJK-A Calculation Analysis Software, analyzes the elasticity of the steel concrete coupling beam of the connection double-core canister, introduces the design and component measures of the steel concrete coupling beam under the middle seisms, and points out the steel concrete composite beam has better anti-seismic performance with simple structure, low cost and convenience for construction, so it has broad application future.

frame-work double-core canister structure, steel concrete beam, middle seisms elastic analysis

2015-02-27

鄭 遠(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0047-03

TU398

A