壓彎剪扭型鋼混凝土柱在實(shí)際工程中的運(yùn)用

何葉 劉清穎 馬江萍 張奎

摘 要：隨著建筑外形復(fù)雜化，功能多樣化，為了外立面的造型效果，大跨度懸挑結(jié)構(gòu)越來越常見?？紤]到此類結(jié)構(gòu)在懸挑部位通?？拐鸩焕菀灼茐?，通過對比受力性能好的型鋼混凝土柱與傳統(tǒng)大截面的鋼筋混凝土柱，選擇抗震性能良好、截面相對較小的型鋼柱。對受力復(fù)雜的壓彎剪扭型型鋼混凝土柱進(jìn)行了受力分析，使用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時(shí)程分析及動(dòng)力彈塑性損傷分析，罕遇地震下能量耗散規(guī)律分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)能夠滿足三水準(zhǔn)的抗震要求，對其安全性、合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。本文通過實(shí)際工程案例，對受力復(fù)雜的壓彎剪扭型鋼柱，大跨度懸挑，單榀結(jié)構(gòu)，樓板開大洞等重難點(diǎn)問題，提出相對安全可靠的加強(qiáng)措施，增加結(jié)構(gòu)的安全儲備。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土柱;工程運(yùn)用;彈塑性分析;壓彎剪扭

中圖分類號：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0106-05

Abstract：With the complex appearance of buildings and diversified functions， large-span cantilever structures are becoming more and more common for the modeling effect of the facade. Considering that this type of structure is usually unfavorable for earthquake resistance and easy to damage at the overhanging part， by comparing the steel concrete column with good mechanical performance and the traditional large-section reinforced concrete column， the steel column with good seismic performance and relatively small section is selected. The force analysis of the compression bending shear torsion steel concrete column with complex forces is carried out， the elastic time-history analysis and dynamic elastoplastic damage analysis of the structure are carried out using finite element software， and the law of energy dissipation under rare earthquakes is analyzed. The results show that The structure can meet the three-level seismic requirements， and its safety and rationality have been verified. Based on actual engineering cases， this paper proposes relatively safe and reliable strengthening measures to increase the safety reserve of the structure for difficult problems such as the complicated compression bending shear torsion steel column， the large span cantilever， the single structure， and the large hole in the floor.

Key words：steel reinforced concrete column; engineering application; elastoplastic analysis; bending， shear and torsion

現(xiàn)代生活中，人們對于建筑物造型要求越來越高，形式越來越復(fù)雜，造型需要更加的“奪人眼球”，大跨度懸挑結(jié)構(gòu)越來越多，本工程為超長多層單榀結(jié)構(gòu)形式，建筑兩端為單柱布置，單柱外懸挑6.7m，6段標(biāo)準(zhǔn)層建筑圖，4段、5段、6段建筑效果圖，6段結(jié)構(gòu)模型圖分別如圖1～3所示。

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，安全重要性系數(shù)采用1.0，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.20g，地震分組為第二組，場地設(shè)計(jì)特征周期為0.55s，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，工程場地類別為Ⅲ類，場地未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用，屬于建筑抗震一般地段，基礎(chǔ)形式為柱下條形基礎(chǔ)，場地為Ⅰ級非自重濕陷性黃土場，按《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》 [1]規(guī)范6.1.5規(guī)定，在非自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為Ⅰ級（輕微）的多層丙類建筑，地基處理厚度不應(yīng)小于1m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100kPa，經(jīng)計(jì)算復(fù)核，地基處理方案為1.5m厚的3∶7灰土進(jìn)行濕陷性處理，承載力不小于200kPa，墊層的壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。

1 建筑造型特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本工程為多層單榀的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)單體平面布置為矩形布置，平面尺寸為12.4m×328.2m，橫向?yàn)榭缍?.1m的單跨結(jié)構(gòu)，單跨兩端各懸挑2.1m、1.8m的走道，考慮到本項(xiàng)目長度超長，用抗震縫將單體分為6段，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]6.1.4條計(jì)算，各段之間的抗震縫寬度取150mm，本文從左到右依次按1段～6段簡稱，各段的層數(shù)分別為4層，4層，2層，5層，6層，6層;第6段的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖4所示、剖面如圖5所示;為重點(diǎn)研究型鋼混凝土柱，下文以第6段單體為研究對象。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]第6.1.5條，高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)，第6段結(jié)構(gòu)為高度23.85m的單跨結(jié)構(gòu)，采用框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，充分滿足建筑的使用功能與外立面外凸的造型要求，且能形成具有兩道防線的抗震體系;結(jié)構(gòu)計(jì)算中，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]表6.1.2條及6.1.3條規(guī)定，且在規(guī)定的水平力作用下，底層框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于10%，小于50%，故將框架抗震等級采用3級，抗震墻的抗震等級采用2級。從配筋率及節(jié)約造價(jià)兩個(gè)因素考慮，混凝土標(biāo)號采用：1～2層墻柱混凝土標(biāo)號為C45，梁板混凝土標(biāo)號為C35;3～4層墻柱混凝土標(biāo)號為C40，梁板混凝土標(biāo)號為C35;5～6層墻柱混凝土標(biāo)號為C35，梁、板混凝土標(biāo)號為C30，型鋼鋼號均為Q235，型鋼混凝土柱中型鋼截面采用1200×700×26×26，型鋼混凝土梁中型鋼截面采用600×300×20×20。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]第5.1.1條，8°時(shí)的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)計(jì)算豎向地震，在設(shè)計(jì)中將6段懸挑部分的型鋼混凝土梁、柱進(jìn)行豎向地震的計(jì)算，并對其抗震構(gòu)造措施的抗震等級按照提高一度進(jìn)行加強(qiáng)。

建筑在45～46軸處有大開洞，功能為觀景臺，導(dǎo)致局部樓板不連續(xù)，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 [3]第3.4.6條，樓板有效寬度不宜小于該層樓面寬度的50%，開洞總面積不宜超過樓面面積的30%，故此處要求建筑開洞進(jìn)深不大于6.0m，且參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 [3]3.4.8條，洞口周邊樓板板厚為150mm，雙層雙向配筋，最小配筋率按照0.3%進(jìn)行控制。

2 不同形式的框架柱計(jì)算模型結(jié)果對比分析

本項(xiàng)目為滿足造型要求，在47～48軸處采用懸挑結(jié)構(gòu)，考慮到懸挑部分的型鋼混凝土柱受力復(fù)雜，為壓彎剪扭復(fù)合型，故對46軸、47軸的柱也采用型鋼混凝土柱;懸挑部分米字型梁采用型鋼混凝土梁，為方便施工及外立面造型要求，懸挑走道采用鋼筋混凝土梁，高度為300mm×700mm，封邊梁為250mm×700mm;采用相同截面的型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土柱計(jì)算結(jié)果對比如表1所示。

從表1可以看出，采用不同材料形式的柱對結(jié)構(gòu)的位移角等整體性參數(shù)影響不大，但型鋼混凝土的軸壓比及配筋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋混凝土柱，性能表現(xiàn)更佳，結(jié)構(gòu)安全性以及構(gòu)件尺寸使用性更好，且鋼筋混凝土柱軸壓比超過規(guī)范限值。從受力角度分析，型鋼柱的受力為典型的壓彎剪扭型復(fù)合受力，柱底軸力及剪力相差不大的情況下，受彎能力是普通柱的3倍。由上述分析可以得出，采用型鋼混凝土柱更加適用于本段單體的懸挑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也更安全，形式更合理。

3 兩個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算結(jié)果對比分析

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 [3]第5.1.12條，體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。本段結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件YJK與Midas Building對型鋼混凝土梁、柱模型進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充驗(yàn)算，周期、周期比、位移角等計(jì)算指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

從表2計(jì)算結(jié)果對比分析可知，型鋼混凝土柱模型在兩種不同計(jì)算軟件下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本一致，兩個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件得到的位移比、周期比、周期、位移角指標(biāo)相差不大，均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]的限值要求，兩種軟件所得到的計(jì)算結(jié)果表明6段懸挑結(jié)構(gòu)部分采用型鋼混凝土梁、柱后的模型結(jié)果安全可靠。

4 彈性時(shí)程計(jì)算分析與動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 [2]第5.1.2條第三款，特別不規(guī)則的建筑應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算;本工程第6段結(jié)構(gòu)有大開洞不利布置，大懸挑結(jié)構(gòu)部分，故采用YJK軟件對第6段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的彈性時(shí)程分析，選取2條天然波（Imperial Valley-06 _NO _172，Coyote Lake _ NO_ 151），1條人工波（ArtWave-RH3TG040）。其中單條時(shí)程曲線以及多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均滿足規(guī)范規(guī)定的不小于振型分解反應(yīng)譜法65%與80%的規(guī)定要求。3組地震波下的底層剪力與彈塑性層間位移角如表3、表4所示。

從表3中可以得出，多波包絡(luò)值全樓放大系數(shù)取1.130。在后期的計(jì)算中，將全樓統(tǒng)一地震作用放大系數(shù)取1.130來進(jìn)行后期的構(gòu)件配筋，施工圖繪制;從表4可以得出，在3組地震波作用下，結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角滿足規(guī)范要求，即表明結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)要求。

5 罕遇地震下能量耗散規(guī)律分析

罕遇地震下地震波產(chǎn)生的能量持續(xù)不斷的輸入建筑結(jié)構(gòu)，一部分作為動(dòng)能和彈性應(yīng)變能（可以恢復(fù)）儲存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，其余的大部分能量是由結(jié)構(gòu)的阻尼和構(gòu)件本身的塑性變形消耗。當(dāng)阻尼耗能和塑性變形耗能之和與總的地震輸入能量相平衡，結(jié)構(gòu)就不會因?yàn)榈卣鹱饔枚l(fā)生倒塌[4]。本工程結(jié)構(gòu)在罕遇地震狀況下動(dòng)能、勢能和阻尼耗能與地震動(dòng)總輸入能量的比值如圖6所示。

從圖6可得出以下結(jié)論：結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下逐漸進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，吸收的地震能量逐漸增多，而與此同時(shí)在能量耗散的過程中結(jié)構(gòu)的動(dòng)能和勢能，并且隨著時(shí)間的推移能量所占的比例逐漸減小。這說明結(jié)構(gòu)要保持安全穩(wěn)定，主要依靠阻尼耗能，從圖6也可以看出，阻尼耗能的比例隨時(shí)間逐漸增大。通過以上的能量分析可知，罕遇地震作用下彈塑性狀態(tài)的本工程結(jié)構(gòu)，能夠通過阻尼耗能消耗大部分地震能量，也進(jìn)一步說明本工程在材料選擇、結(jié)構(gòu)布置、配筋設(shè)計(jì)等方面準(zhǔn)確合理，能夠在地震狀況下?lián)碛休^好的延性和承載能力。

6 動(dòng)力彈塑性下的損傷分析

本工程第6段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)人員注意的難點(diǎn)較多，故利用有限元軟件對齊進(jìn)行動(dòng)力彈塑性的損傷分析;選擇拉伸模型下的受拉損傷云圖，如圖7所示。從圖中可知，結(jié)構(gòu)中容易受到損壞的部位是Y向的剪力墻之間的梁，損傷因子接近0.9，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視，對相應(yīng)的易損傷部位采取加強(qiáng)措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

7 結(jié)論

本文對第6段多層單榀的結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過不同材料形式框架柱計(jì)算結(jié)果對比，以及不同結(jié)構(gòu)軟件對第6段結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜法計(jì)算分析，彈性時(shí)程計(jì)算分析，罕遇地震下能量耗散規(guī)律分析，得出以下4條結(jié)論，希望為今后類似的項(xiàng)目提供可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)與深入研究的可能性。

（1） 通過兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件（Midas，YJK）進(jìn)行了整體分析計(jì)算，二者計(jì)算所得的位移比、周期等參數(shù)指標(biāo)接近，表明懸挑結(jié)構(gòu)部分使用型鋼混凝土柱的安全、可靠性;通過對比型鋼混凝土柱鋼筋混凝土柱的柱底彎矩、軸力、剪力，表明了壓彎剪扭型鋼混凝土柱的延性更佳，在保證安全的前提下更能滿足建筑造型要求。

（2） 對于第6段結(jié)構(gòu)，右端懸挑長度6.7m，且局部樓板開大洞，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了彈性時(shí)程分析，計(jì)算出多條地震波包絡(luò)下全樓的地震作用放大系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的安全，給相似結(jié)構(gòu)提供寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（3） 對單榀結(jié)構(gòu)采取設(shè)置剪力墻來增加結(jié)構(gòu)抗震防線，對樓板開大洞的周邊樓板采取加強(qiáng)措施，對大懸挑結(jié)構(gòu)部分提高抗震等級并進(jìn)行相應(yīng)的豎向地震計(jì)算等多條措施有效的提高保證結(jié)構(gòu)的安全性。

（4） 通過有限元軟件的動(dòng)力彈塑性分析，以及罕遇地震下能量耗散規(guī)律分析，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)滿足抗震設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在大震下?lián)碛辛己玫难有孕阅?，找到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易忽視的薄弱點(diǎn)，為今后相似的建筑設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50025-2018， 濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[2]GB 50011-2010（2016版）， 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]JGJ 3-2010， 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù) 規(guī)程[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]徐廣洋. 多高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)地震能量分析[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2014.