裝配式部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐體系設(shè)計及項目實踐*

李 慧， 覃祚威， 陳 忠， 范曉偉， 周榮富

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構(gòu)件(partially-encased composite steel and concrete member，簡稱PEC構(gòu)件)是在H型鋼腔體內(nèi)填充混凝土，并按照構(gòu)造及受力要求配置一定數(shù)量的連桿及縱筋形成的新型組合結(jié)構(gòu)[1]，PEC構(gòu)件的典型截面形式如圖1所示。相比傳統(tǒng)純鋼結(jié)構(gòu)受力方式，PEC構(gòu)件受力具有顯著優(yōu)勢，如圖2所示。圖2a為純鋼結(jié)構(gòu)的板件失穩(wěn)模態(tài)，在主鋼構(gòu)件內(nèi)填充混凝土后，腹板失穩(wěn)被抑制，翼緣失穩(wěn)模態(tài)改變，構(gòu)件穩(wěn)定性能提升，如圖2b所示；當(dāng)在截面中采用連桿拉結(jié)翼緣時，翼緣失穩(wěn)進(jìn)一步被抑制，構(gòu)件穩(wěn)定承載力更加提高，如圖2c所示。

圖1 PEC構(gòu)件截面形式

圖2 PEC構(gòu)件受力特點(diǎn)

相比鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)，部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系是融合框架-支撐結(jié)構(gòu)及PEC結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)體系，具有良好的剛度、承載能力和抗震性能，因此構(gòu)件截面尺寸有所減小，進(jìn)而增加建筑空間利用率；同時PEC構(gòu)件內(nèi)填充混凝土可減少H型鋼外露面積，有利于提高防火、防腐性能[2]，降低成本。PEC柱、PEC梁的鋼筋綁扎、混凝土澆筑為工廠預(yù)制加工，現(xiàn)場裝配式施工，具有質(zhì)量可靠、施工便捷、建設(shè)周期短、裝配性能良好等優(yōu)勢，同時腹板內(nèi)填充混凝土與內(nèi)外墻一體化裝修，避免腹板未填充混凝土的純鋼結(jié)構(gòu)隔聲、隔熱性能差問題，因此該體系具有較好的性能指標(biāo)。

在國外，Elnashai等團(tuán)隊對PEC結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量試驗及理論研究[3-6]，并取得大量研究成果。目前已在加大拿蒙特利爾市1棟51層辦公樓1 000 De La Gauchetiere項目中應(yīng)用[7]。在國內(nèi)，PEC結(jié)構(gòu)處于推廣階段，應(yīng)用工程案例不多，尚未涉及PEC框架結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐設(shè)計方面[8]。本文以采用部分包覆鋼-組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的裝配式成套技術(shù)體系的東升和府10號樓住宅項目為例，介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)及實踐情況。

1 工程概況

東升和府10號樓項目為浙江省湖州市首個裝配式部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的住宅建筑，地下2層、地上17層。地上建筑面積1.1萬m2， 屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為53.800m，每個標(biāo)準(zhǔn)層由2個對稱單元組成，首層層高5.9m，其余各層層高3m。根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，采用PC預(yù)制樓梯，外墻系統(tǒng)為PC墻板+保溫巖棉+ALC條板體系，內(nèi)墻系統(tǒng)為ALC條板及局部砌筑，廚衛(wèi)系統(tǒng)為集成衛(wèi)浴、集成廚房，并采用智能家居，結(jié)合全生命周期智慧管理平臺，即正向設(shè)計平臺與BIM協(xié)同管理平臺，打造裝配率為94%、AAA級標(biāo)準(zhǔn)的綠色二星裝配式建筑。

2 計算分析假定及計算模型

T/CECS 719—2020《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]于2021年1月1日實施，但相關(guān)設(shè)計軟件并未開發(fā)對應(yīng)模塊，可采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行設(shè)計。

2.1 構(gòu)件建模要點(diǎn)

PEC梁、PEC柱構(gòu)件的截面剛度采用疊加法，計算如下：

EA=Ec·Ac+Ea·Aa

(1)

GA=Gc·Ac+Ga·Aa

(2)

EI=Ec·Ic+Ea·Ia

(3)

式中：EA為截面軸向剛度(N)；Ec為混凝土彈性模量(N/mm2)；Ac為混凝土截面面積(mm2)；Ea為鋼材彈性模量(N/mm2)；Aa為主鋼件截面面積(mm2)；GA為抗剪剛度(N)；Gc為混凝土剪切模量(N/mm2)；Ga為鋼材剪切模量(N/mm2)；EI為抗彎剛度(N/mm2)；Ic為混凝土慣性矩(mm4)；Ia為主鋼件慣性矩(mm4)。

型鋼混凝土的截面剛度采用疊加法，故矩形PEC柱采用設(shè)計軟件的型鋼混凝土柱模塊進(jìn)行定義，混凝土外輪廓與型鋼輪廓尺寸一致。盈建科PEC柱截面定義截面總寬度B為200mm，截面總高度H為600mm，工形腹板厚度U為10mm，工形腹板總高度T為600mm，工形翼緣寬度D為200mm，工形翼緣厚度F為18mm。

PEC梁在計算整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時，剛度按式(1)考慮，但現(xiàn)有軟件未支持PEC梁構(gòu)件驗算，可采用保守方法，即僅考慮外包混凝土放大鋼梁剛度和混凝土對梁防火包覆的有利作用，不參與構(gòu)件承載力計算。

計算模型按照純鋼梁，PEC梁剛度根據(jù)式(1)計算，得到PEC梁剛度EIPEC，通過剛度放大系數(shù)，將PEC梁剛度等效到鋼梁上，即等效放大系數(shù)α=EIPEC/(Ea·Ia)，再根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，分析結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力時，等效放大系數(shù)α=EIPEC/(Ea·Ia)，對邊框架PEC梁的EIPEC放大1.5倍，即對等效放大系數(shù)α放大1.5倍、中梁取2倍。PEC梁內(nèi)部填充混凝土自重作為附加恒荷載施加在鋼梁上。

2.2 計算軟件選擇及分析方法

為獲得可靠的計算分析結(jié)果，宜用≥2個適合的不同力學(xué)模型，分析比較技術(shù)結(jié)構(gòu)。采用盈建科YJK(V1.9.1)和ETABS(V16.2.0)軟件分析結(jié)構(gòu)小震，模型如圖4所示。

2.3 阻尼比的確定

根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，部分包覆鋼-混凝土組合抗震計算的阻尼比在多遇地震作用下，房屋高度>50m且<200m時可取0.03；風(fēng)荷載作用下樓層位移驗算和構(gòu)件設(shè)計時，阻尼比可取0.02～0.04，此處取0.03；舒適度驗算時的阻尼比可取0.01～0.02，此處取0.015。

3 整體指標(biāo)計算結(jié)果

3.1 周期和陣型

小震作用下，兩款計算軟件周期結(jié)果如圖5,6所示。YJK模型計算結(jié)構(gòu)周期比為0.75，ETABS模型周期比為0.73，均小于限值0.9，滿足規(guī)范要求。

圖6 ETABS模型計算結(jié)果

3.2 質(zhì)量分析

YJK軟件及ETABS軟件計算樓層總質(zhì)量如表1所示，總質(zhì)量相差幅度絕對值為0.24%，差異較小。

表1 樓層總質(zhì)量分析

3.3 位移比與層間位移比

考慮偶然偏心規(guī)定，水平力作用下層間水平位移比分析結(jié)果如圖7所示，層間位移比分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 層間水平位移比分析

圖8 層間位移比分析

3.4 層間位移角

根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架-支撐結(jié)構(gòu)的多層及高層結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/400，計算結(jié)果如圖9所示，均滿足限值要求。

圖9 層間位移角分析

3.5 樓層側(cè)向剛度比及剪重比分析

根據(jù)JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架-支撐結(jié)構(gòu)、樓層與相鄰上層側(cè)向剛度比γ2，考慮修正的樓層側(cè)向剛度比，本層與相鄰上層比γ2宜≥0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高1.5倍時，宜≥1.1；結(jié)構(gòu)底部嵌固層比宜≥1.5。首層及2層剛度與層高如表2所示。

表2 首層及2層剛度與層高

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，1層為底部嵌固層，剛度比如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(8.33×105×3)=1.62≥1.5，滿足規(guī)范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.03×106×3)=1.66≥1.5，滿足規(guī)范要求。

YJK軟件輸出結(jié)果算法如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(1.5×8.33×105×3)=1.08≥1.0，滿足規(guī)范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.5×1.03×106×3)=1.105≥1.0，滿足規(guī)范要求。各樓層側(cè)向剛度比如圖10所示。

圖10 樓層側(cè)向剛度比分析

YJK和ETABS模型的樓層剪力及剪重比分析結(jié)果如圖11所示。剪重比均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》最小剪重比0.8%的要求。

圖11 剪重比分析

4 構(gòu)件驗算

4.1 PEC梁驗算

部分包覆鋼-混凝土組合梁截面中，主鋼件截面應(yīng)滿足寬厚比限值要求，如表3所示。

表3 梁主鋼件的截面分類和寬厚比限值

梁截面受彎承載力應(yīng)符合下式：

M≤Mu

(1)

(2)

式中：M為彎矩設(shè)計值(N·mm)；Mu為截面受彎承載力設(shè)計值(N·mm)。fcw為梁主鋼件腹部混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(N/mm2)；x為組合截面中和軸至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；bf，ha，tf，tw分別為構(gòu)件翼緣寬度、截面高度、翼緣厚度、腹板厚度(mm)；α1為受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級≤C50時，取值1.0；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時，取0.94，中間按線性內(nèi)插法確定；fy,f′y分別為鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(N/mm2)；fa，f′a分別為鋼材抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(N/mm2)；As，A′s分別為縱向受拉、受壓鋼筋截面面積(mm2)；Aa，Aac分別為梁主鋼件截面、梁主鋼件受壓區(qū)截面面積(mm2)；as，as分別為受拉區(qū)鋼筋合力作用點(diǎn)至混凝土受拉邊緣的距離，受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；Sat，Sac分別為受拉區(qū)梁主鋼件截面、受壓區(qū)梁主鋼件截面對組合截面塑性中和軸的面積矩(mm3)；h0是混凝土截面有效高度(mm)，即混凝土截面受壓區(qū)的外邊緣至梁主鋼件受拉翼緣與受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離；ES為鋼筋彈性模量(N/mm2)。

部分填充組合梁僅考慮外包混凝土放大梁剛度(用于整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算)，及混凝土對梁防火包覆的有利作用，不參與構(gòu)件承載力計算。根據(jù)YJK計算得到的梁應(yīng)力比不超過限值1，按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]，得到結(jié)構(gòu)梁的最大應(yīng)力比為0.85，撓度不超過規(guī)范限值，PEC梁的最大撓度限值如表4所示。

表4 部分包覆鋼-組合梁最大撓度限值

4.2 PEC柱驗算

YJK軟件計算整體模型后，得到對應(yīng)構(gòu)件信息的內(nèi)力組合，然而目前軟件對PEC柱構(gòu)件并未有相應(yīng)模塊驗算截面。根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，PEC柱驗算如下。

1)主鋼件鋼貢獻(xiàn)率如下：

(3)

式中：0.3≤δ≤0.9。截面主鋼件鋼貢獻(xiàn)率為0.6，滿足規(guī)范限值。同時，PEC柱截面中，主鋼件截面與縱筋面積率為0.12，滿足<0.2規(guī)范要求。

2)軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定驗算如下：

N≤φNu

(4)

式中：Nu為軸向壓力設(shè)計值；Mu為截面受壓承載力設(shè)計值(N)；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

3)采用《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》驗算單向壓彎構(gòu)件承載力，符合要求。

4)單向壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力采用《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行驗算，符合要求。

5)雙向壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力按照《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行驗算，符合要求。

4.3 鋼支撐驗算

該結(jié)構(gòu)體系采用箱形鋼截面中心支撐，箱形鋼支撐呈平面對稱布置，即支撐1(支撐4)、支撐2(支撐3)、支撐5(支撐6)，首層支撐尺寸為B250×350×16×16，支撐1～6的應(yīng)力比分別為0.39,0.47,0.53,0.3,0.55,0.55。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，建筑結(jié)構(gòu)以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震設(shè)防目標(biāo)。鋼支撐對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)非常大，故對鋼支撐補(bǔ)充中震彈性分析，鋼支撐構(gòu)件1～9的應(yīng)力比分別為0.98,0.98,0.66,0.62,0.57,0.545,0.36,0.29,0.23，均≤1.0，滿足中震彈性要求。

5 PEC構(gòu)件加工及安裝

5.1 構(gòu)件加工

PEC構(gòu)件的鋼構(gòu)件及填充混凝土均為工廠預(yù)制。工廠通過深化部門提供的構(gòu)件深化圖紙，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠房依據(jù)構(gòu)件尺寸加工鋼骨部分，再流轉(zhuǎn)到PC加工廠房，綁扎鋼筋后澆筑混凝土，構(gòu)件加工后粘貼二維碼標(biāo)識，轉(zhuǎn)運(yùn)至堆場區(qū)待運(yùn)往施工現(xiàn)場。PEC梁加工過程如圖12所示。PEC柱加工過程如圖13所示。

圖12 PEC梁加工過程

圖13 PEC柱加工過程

5.2 現(xiàn)場安裝

施工現(xiàn)場PEC柱利用連接耳板為吊裝孔，進(jìn)行兩點(diǎn)起吊，根據(jù)柱身標(biāo)注的安裝方向及平面定位，吊到就位上方200mm時緩慢下落，就位后進(jìn)行測量校正，使柱中心線與下面一段柱的中心線吻合，兼顧各端面?；顒与p夾板平穩(wěn)插入下節(jié)柱對應(yīng)的安裝耳板上，穿好連接螺栓，連接臨時連接夾板。臨時固定柱后進(jìn)行初校，復(fù)測與梁連接的牛腿標(biāo)高，以便梁的安裝，以牛腿作為標(biāo)高基準(zhǔn)進(jìn)行定位。完成柱對接后，上下兩節(jié)PEC柱腹板及翼緣焊接后割除臨時連接板，完成柱的安裝，再澆筑拼接段混凝土。梁柱連接節(jié)點(diǎn)如圖14所示。

圖14 梁柱連接節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)語

以采用部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的住宅項目為研究對象，對計算模型分析假定、PEC構(gòu)件在計算軟件中的建模方法、整體指標(biāo)計算、構(gòu)件驗算要點(diǎn)進(jìn)行說明，闡明構(gòu)件工廠全預(yù)制化生產(chǎn)過程、現(xiàn)場全裝配化施工流程，再使用BIM建筑信息化技術(shù)、全專業(yè)協(xié)同設(shè)計，對推廣部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系建筑設(shè)計提供參考。