某高层型钢混凝土结构设计分析

某高层型钢混凝土结构设计分析
【摘要】型钢混凝土组合结构，由于其承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，已越来越多地应用于大跨结构和地震区的高层建筑以及超高层建筑。

本文以某工程为例，阐述了型钢混凝土结构设计要点和优化关键技术。

【关键词】型钢混凝土；节点构造；设计优化
由于建筑造型的多样化程度日显、建筑内部使用功能的要求越来越高，对建筑结构设计提出来更新、更高的要求。

型钢混凝土框架+剪力墙结构由于其承载能力高、刚度大、增加结构空间净空高度及抗震性能好等优点，已越来越多地被应用于大跨结构、高层建筑以及超高层建筑。

型钢混凝土组合结构能充分发挥钢和混凝土结构的各自优势，是一种经济、有效的结构体系具有广阔的应用前景。

本文以某工程结构设计为例，阐述了型钢混凝土结构设计要点及设计优化关键，与同行交流。

一、工程概况
某工程扩大初步设计。

该项目含两幢高度147米的写字楼和两幢135高度米的公寓楼，以及占地面积105m×177m的地下车库及下沉式地下广场，总建筑面积约10万m2。

其中，办公楼：地下3层，地上25层，建筑总高度147m，采用筒中筒结构体系，地下及地上3层外框筒柱采用钢骨混凝土。

公寓：地下3层，地上27层，建筑总高度135m，采用剪力墙结构体系。

二、结构选型及计算分析
1.结构选型。

由于建筑物地上三部分刚度差异较大，难以作为整体结构设计，因此把地上作为4栋不同的建筑物分别设计。

大底盘地下室按多塔结构计算，以考虑上部建筑物对其影响。

写字楼系乙类建筑，设计耐久年限100年，故抗震措施按9度设防，设计地震作用放大系数取1.2。

层高3.8m，标准层层高3.2m。

该楼使用荷载较大，使用荷载若采用普通钢筋混凝土结构将导致非常大的梁柱断面，严重影响建筑使用空间，以致不能满足后期使用要求。

最早曾提出过采用纯钢筋混凝土结构，采用宽扁梁来解决外柱至核心筒的距离较大的问题，梁高控制在800，经过stawe计算，梁宽需要800以上，梁配筋：支座不小于14ф25，跨中要大于或等于10ф25。

同时，为满足《高层建筑混凝土结构技术规程》有关轴压比的要求，框架柱截面首层以下轴ζ柱需要1200×1600，轴c柱需要1000×1600；层4以上，外框柱需要800×1000。

因此，如果采取纯钢筋混凝土结构，又给建筑带来了新的问题：1、由于框架梁过宽，使得层5～9公寓楼内卫生间很难布置，直接影响了建筑的使用功能；2由于柱截面过大，使地下车库的停车位减少，实际使用面积也相应减少。

同时，在一般情况下，为使宽扁梁端部在柱外的纵向钢筋有足够的锚固，均要求其能双向布置，显然有些不妥。

如果采用钢结构，必定在耐火性能及刚度上都稍差，经多次方案比较，最终采用了型钢混凝土框架+剪力墙结构体系，即在梁、柱、剪力墙边缘构件及连梁内均设型钢的混凝土结构体系。

经过计算，所有的梁截面高均控制在800
内，其挠度和裂缝均满足规范要求。

柱截面在满足《高规》轴压比的要求下，在±010以下，轴ζ和轴c柱为800×1200，层4转换桁架以上，轴ζ和轴c柱均变为700×850，层26柱截面均改为700×700。

采用型钢混凝土结构后，由于柱截面的减少，层4以下每层增加的使用面积约为9m2，层4以上每层增加的使用面积约为
7m2。

假设该建筑使用面积售价为20000元/m2，每层带来的直接经济收入就为14～18万元/层。

2.计算分析。

分别采用etabs和satwe软件对该工程进行了整体计算，计算参数设置如下所示：抗地震烈度确定为7度，ⅱ类场地土，水平地震影响系数最大值多遇地震为0.08，罕遇地震为0.50。

周期折减系数为019；结构阻尼比为4.0%；框架及筒体抗震等级均为二级。

依据《建筑抗震设计规范》gb50011—2001，对该工程设计还进行了弹性时程分析计算。

所采用的地震波为该场地土的人工合成波、兰州波lan2-2和taft-2波。

时程分析所用地震加速度时程曲线最大值为350cm/s，结构阻尼比取5%。

通过上述计算发现：1、结构以扭转为主的第一自振周期t与以平动为主的x向和y向第一自振周期tx，ty，之比分别为0.69和0.73，均小于0.90，满足《高规》有关要求；2、振型曲线光滑连续，符合规律；3、底部总剪力合理，地震剪力系数满足抗震规范要求；4、最大的层间位移和顶点位移与层高之比均小于1/800，也满足规范要求，说明结构布置合理，没有总刚度突变；5、时程分
析结果表明，每条波计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱计算结果的65%，三波计算所得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱计算结果的80%，满足规范有关要求。

三、特殊构件及局部节点构造要点
为满足建筑功能和造型的要求，确保结构的安全，设计过程中，对一些特殊构件及局部节点进行了特殊的处理，现介绍其中几个有代表性的构件或节点。

1.轴柱的错位处理。

根据地下室车道入口宽度的要求，在层2以下错至轴a交轴b，上下柱中心的偏差为950mm。

柱的错位使该柱在层2楼板标高处产生较大的附加弯矩和剪力。

为此，一方面采取了类似牛腿的做法，将上部柱的轴力通过牛腿传至下层柱，而不使其变为剪力，另一方面加强轴b方向的框架梁的刚度和配筋，使框架梁分担一部分柱的附加弯矩。

2.转换桁架的设计。

层3、4高度范围内布置了转换桁架，其目的是在8m柱距间支承上部所需增加的外柱，使其结构布置均匀对称。

同时，也满足了建筑在上述两部位设置通道的要求。

为使新增柱上的竖向荷载能够通过桁架有效地传至两边柱上，该转换桁架也采用了型钢混凝土结构转换桁架设计的难点在于桁架节点的设计。

在桁架节点上，不仅有来自桁架上、下弦及腹杆的型钢及钢筋，还有垂直于桁架方向的梁及上层新增加柱的型钢及钢筋，为使这些相互交错的型钢及钢筋
能够有条理地布置，设计时一方面在节点处加宽了桁架上弦的翼缘板宽度，以便上层新增柱的连接和安装，另一方面，平面上将节点设计成菱形，同时加大节点高度，以方便钢筋的穿越。

3.写字外柱内收处理。

由于建筑立面要求，轴c柱在层9、层22、层24处均内收1.5m，轴c也在上述楼层向筒体内收1.35m，使得外框架柱也随之变位，为减少因柱内收而产生的附加弯矩及整体刚度变化对建筑的影响，采取了特殊的构造措施。

通过斜柱将上部荷载传至下柱，这样传力途径清晰简洁；同时，相关层的框架梁分担了一部分外向水平力，平衡了部分附加弯矩，使受力更合理。

另外，对斜柱的周边环梁进行加强，增强了对外框柱的约束。

施工及验收情况表明，上述各节点的处理不仅使结构受力合理，施工方便，同时，还确保了梁、柱内各型钢及钢筋相互交错处混凝土的浇筑质量。

四、型钢制作与安装要点
1、型钢混凝土梁宽不宜小。

型钢上翼缘侧边至梁侧边距离不宜小于100，否则角筋与型钢距离太小，振捣棒难以下去。

2、型钢上翼缘顶面距梁顶面距离不宜小于120cm。

否则，当梁采用双排筋时，钢筋交叉导致顶部保护层厚度不足。

3、剪力墙暗柱、暗梁内若采用型钢，要充分考虑到施工的可行性，应尽量采用窄翼缘型钢。

设计时，应仔细排布钢筋与型钢的关系，保证振捣棒能下去。

否则，墙体振捣不实影响墙体混凝土质量，带来结构质量隐患。

4、型钢混凝土结构牵涉到设计、加工、施工、监理等多个方面的单位，涉及环节较多，需要各方密切配合，及时发现隐藏问题，并及时回馈信息，对设计进行优化处理才能保证工程顺利进行。

五、结语
型钢混凝土结构是一种教新的技术先进、安全可靠的结构模式，广泛适用于非地震区和抗震设防烈度为6度至9度的多、高层建筑和一般构筑物。

在满足建筑使用功能和外观美观的前提下，合理选择型钢混凝土结构形式，可以达到经济合理的效果，并能满足结构抗震、稳固的目的，是一种有广泛应用前景的结构形式。

参考文献
[1] 型钢混凝土组合结构技术规程jgj138-2001.北京：中国建筑工业出版社
[2] 刘大海，杨翠如.型钢钢管混凝土高楼计算和构造.北京：中国建筑工业出版社
[3] 刘维亚.型钢混凝土组合结构构造与计算手册.北京：中国建筑工业出版社。