鋼管混凝土柱與鋼支撐組合結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

鄭國榮

(廈門上城建筑設(shè)計有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

圓鋼管混凝土柱是理想的截面形式，外圈鋼管對內(nèi)部混凝土約束(套箍作用)強(qiáng)，約束均勻，圓形截面柱各向同性，適合于復(fù)雜柱網(wǎng)、復(fù)雜連接的工程[2]。

鋼支撐結(jié)構(gòu)是一種受力明確、較好的高層、超高層空間結(jié)構(gòu)體系，鋼支撐能較好地協(xié)調(diào)周邊柱豎向構(gòu)件，使他們在重力荷載下受力比較均勻；在水平荷載下都能較充分地發(fā)揮整體抗傾覆作用，同時斜撐又能較直接有效地吸收水平作用產(chǎn)生的水平剪力，從而能為整體高層結(jié)構(gòu)提供非常有效的受力明確的側(cè)移剛度[1]。本文以廈門嘉晟國際高層辦公樓為例，介紹鋼管混凝土柱-鋼支撐組合結(jié)構(gòu)體系的抗震分析與設(shè)計。

1 工程概況

嘉晟國際位于福建省廈門市思明區(qū)觀音山片區(qū)西南角，主樓地上28層，建筑高度124.200 m，地下室4層，埋深16.65 m,如圖1所示?？偨ㄖ娣e為4.5萬m2，其中地下室建筑面積1.5萬m2，第4層及以下為商業(yè)用途，以上均為辦公用房。地下4層為停車庫及設(shè)備用房，其中地下室第四層兼做核人防。地下室第1層層高5.2 m，地下室第2,第3層層高為3.6 m，地下室第4層層高為3.7 m，首層高為4.5 m，第2層高5.5 m，第3層高5.0 m，第3層以上高4.2 m。

裙房平面呈正方形，長寬分別為41.9 m,45.6 m，五層以上平面為長方形，長寬比2.02，不計裙房的高寬比4.85。

該工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第二組，結(jié)構(gòu)采用阻尼比為0.03，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，基本風(fēng)壓為0.8 kN/m2地面粗糙度為A類。

圖1 嘉晟國際效果圖

2 結(jié)構(gòu)布置

框架柱采用圓鋼管混凝土柱，支撐體系外圍采用躍層的矩形鋼管支撐，內(nèi)部采用人字形及X字形的矩形鋼管支撐，框架梁采用熱軋或焊接H型鋼與樓層桁架板組合形式。利用鋼支撐作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，圓鋼管混凝土柱主要承擔(dān)豎向荷載，鋼柱與鋼梁節(jié)點，鋼支撐與鋼管連接節(jié)點采用剛性連接，主次梁節(jié)點為鉸接。

由于電梯井和樓梯偏置，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯，為了控制整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，支撐布置時盡量加強(qiáng)軸的剛度，弱化軸?的剛度，此外在兩側(cè)各布置一道躍層的支撐，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)弱軸的剛度及抗扭能力，具體平面布置及支撐立面布置如圖2～圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 支撐立面布置示意圖

按該方案布置支撐后，經(jīng)YJK計算分析，結(jié)構(gòu)的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)及位移比具體數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)分析結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度較好，均能滿足規(guī)范要求。

表1 計算結(jié)果信息

3 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)條件，主樓底板標(biāo)高處的土層均為中風(fēng)化花崗巖，地基承載力特征值為3200kPa，由于底板坐落到巖層上面，主樓基礎(chǔ)采用天然基礎(chǔ)均能滿足地基承載力及變形要求。

該工程兩側(cè)設(shè)置躍層的支撐，在整體抗扭效果，及Y向抗側(cè)力上提供較大貢獻(xiàn)，支撐軸力大，與圓鋼管混凝土連接處，會對柱子有一個豎向的拉力分量。經(jīng)計算分析在4個角柱位置柱底會出現(xiàn)拉力工況，該工況與水浮力工況組合下，對4個角柱進(jìn)行抗浮驗算，通過在基礎(chǔ)范圍內(nèi)設(shè)置巖層錨桿，滿足主樓局部抗浮及抗傾覆。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

4.1 柱腳設(shè)計

柱腳是結(jié)構(gòu)中重要節(jié)點，其作用是將柱下端的軸力、彎矩和剪力傳遞給基礎(chǔ)，使鋼柱與基礎(chǔ)有效地連接在一起，確保上部結(jié)構(gòu)承受各種外力作用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[3]8.3.8條，鋼結(jié)構(gòu)的剛接柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超過50m時也可采用外露式；這里的剛接柱腳應(yīng)指結(jié)構(gòu)設(shè)計的嵌固端，對有地下室的結(jié)構(gòu)，一般為地下室頂板。

該工程地下室四層，結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板，圓鋼管混凝土柱直通地下室到基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的嵌固端位置確保剛性連接，滿足規(guī)范相應(yīng)要求，則在基礎(chǔ)位置柱腳形式可采用其他形式。

基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化花崗巖，基礎(chǔ)開挖難度大，選擇柱腳形式以盡量減少基礎(chǔ)開挖深度為優(yōu)先選擇，以提高施工進(jìn)度。由于鋼管柱在嵌固端位置為剛性連接，則在基礎(chǔ)位置可不采用埋入式基礎(chǔ)；由于地下室建筑功能的限制，采用外包式影響地下室車位使用。綜上采用端承式柱腳，為了減少外露端板對車位的影響，采用局部半埋入端承式柱腳，柱腳做法如圖4所示。

圖4 鋼管柱端承式做法

4個角柱位置。由于兩側(cè)兩榀大支撐引起的圓鋼管柱偏拉，為了使圓鋼管混凝土柱與基礎(chǔ)連接為整體，對偏拉的圓鋼管柱采用埋入式柱腳，柱腳做法見圖5所示。

圖5 鋼管柱埋入式做法

4.2 鋼支撐水平分力在地下室的傳遞

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)8.1.9條設(shè)置地下室時，框架-支撐結(jié)構(gòu)中豎向連續(xù)布置的支撐應(yīng)延伸至基礎(chǔ)；《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-2015)[4]3.3.6條抗震設(shè)計的框架-支撐結(jié)構(gòu)中，支撐宜沿建筑高度豎向連續(xù)布置，并應(yīng)延伸至計算嵌固端。由于該工程有4層地下室，結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板(剪切剛度比見表2，剪切剛度比小于0.5，滿足嵌固要求)，鋼支撐延伸至基礎(chǔ)頂，整體工期長，且與混凝土基礎(chǔ)連接做法復(fù)雜，由于鋼支撐主要承擔(dān)水平剪力，鋼支撐水平剪力主要在結(jié)構(gòu)嵌固端地下室頂板和負(fù)一層通過周圍的框架梁及樓板系統(tǒng)傳遞到地下室周邊，負(fù)二層及以下樓層傳遞的水平剪力比例很少。

基于以上分析，綜合考慮規(guī)范要求，且為使地下室的結(jié)構(gòu)施工更加簡單，也為了便于與建筑布置協(xié)調(diào)，塔樓上部鋼支撐延伸至計算嵌固端下一層，即塔樓上部的鋼支撐到地下室負(fù)一層以后不再往地下室延伸。

在設(shè)計負(fù)一層型鋼梁時，與鋼支撐連接位置的型鋼梁截面，由鋼支撐軸力在水平方向等效水平力，全部有型鋼梁承擔(dān)，來確定型鋼梁截面，不考慮樓板抗拉能力及地下室頂板有傳遞水平剪力的有利作用，鋼梁的拉力復(fù)核見表3。其余位置的型鋼梁截面，按樓板定位為彈性板6，來相應(yīng)考慮鋼支撐的水平力對框架梁的影響；鋼支撐與鋼管柱，型鋼梁連接受力簡圖如圖6所示。

表2 剪切剛度比

圖6 支撐節(jié)點受力分析簡圖

表3 鋼支撐相連位置鋼梁截面復(fù)核

4.3 復(fù)雜節(jié)點三維有限元分析

該工程采用有限元軟件Midas FEA對多個關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用Von Mises模型，混凝土采用三維實體單元模擬。在節(jié)點細(xì)部模型中，在每個桿端的截面形心處建立一個節(jié)點，作為節(jié)點，并采用剛性連接方式，將此節(jié)點與截面上的其他所有節(jié)點進(jìn)行主從剛性約束，以保證傳力的準(zhǔn)確性。

在確定節(jié)點的分析尺寸時，根據(jù)圣維南原理(影響范圍一般1～2倍構(gòu)件尺寸范圍)，邊界約束將造成局部應(yīng)力集中，影響分析結(jié)果判斷，因此應(yīng)盡可能將邊界設(shè)置在遠(yuǎn)離分析的區(qū)域，本此節(jié)點分析尺寸按3倍左右構(gòu)件尺寸取值。

圖7所示為角柱與支撐的交接節(jié)點，從圖8可知，斜撐與鋼管壁的連接位置鋼管壁最大MISES應(yīng)力約110N/mm2，整體上節(jié)點承載力均滿足規(guī)范要求。且通過分析斜撐對應(yīng)的鋼管柱位置設(shè)置了內(nèi)加強(qiáng)環(huán)，斜撐與鋼管柱連接位置應(yīng)力，通過內(nèi)加強(qiáng)環(huán)均勻傳遞，而保證鋼管壁應(yīng)力不超過鋼材強(qiáng)度。

圖7 支撐與鋼管柱連接節(jié)點三維模型

圖8 支撐與鋼管柱連接節(jié)點應(yīng)力圖

4.4 第二層樓面開洞對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的影響

該工程由于建筑使用功能的要求，第二層樓板(圖9)有較大面積的開洞，加之其層高較高(第一、二、三、四層的層高分別為4.5 m、5.5 m、5.0 m、4.2 m)，對結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有一定程度的削弱。圖10為第三層結(jié)構(gòu)平面圖，為比較準(zhǔn)確地反映這一區(qū)域的側(cè)向剛度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了以下兩種不同的方式來考慮二層對側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)[5]。

圖9 二層結(jié)構(gòu)平面

圖10 三層結(jié)構(gòu)平面

(1)仍將第二層視為一個結(jié)構(gòu)層看待，此時各層側(cè)移剛度見表4。

(2)由于第二層樓板開洞面積已接近70%，也可僅將第二層視為一個夾層，而將第三層作為第二層結(jié)構(gòu)層(以下簡稱二+三層)，其層高為4.5+5.5=10m。此時第二層由于為部分框架柱提供了中間支撐點，仍對二+三層的抗側(cè)剛度有貢獻(xiàn)。按合并后的2+3層計算各層側(cè)移剛度見表15.5-2 (層側(cè)移剛度計算方式為地震下層剪力/平均層間位移)。

綜上所述，無論是否將第二層視為一個結(jié)構(gòu)層看待，二、三層的側(cè)向剛度均大于或約等于相鄰上一層側(cè)向剛度的70%，及其上相鄰3個樓層側(cè)向剛度平均值的80%，滿足“抗規(guī)”(《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》)3.4.2條側(cè)向剛度規(guī)則性要求。結(jié)合樓層位移曲線，層剪力曲線在該部分光滑無突變，可認(rèn)為二層具有足夠的抗側(cè)剛度。(表中K代表本層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小值)

表4 側(cè)移剛度比

5 結(jié)論

本文以具體工程為例對圓鋼管混凝土柱-鋼支撐結(jié)構(gòu)體系的一些結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計難點進(jìn)行歸納分析如下：

(1)高層辦公樓采用偏置筒體布置，通過周邊支撐的布置及加強(qiáng)側(cè)向及扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到了有效控制。偏置筒體及辦公空間交界處框架中采用偏心支撐框架，既有利于與建筑及機(jī)電專業(yè)的協(xié)調(diào)，也加強(qiáng)了該處的抗側(cè)剛度。

(2)有多層地下室時，設(shè)計嵌固端在地下室頂板或負(fù)一層時，圓鋼管混凝土柱可采用半埋入端承式柱腳，減少基礎(chǔ)高度，提高施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性。

(3)為了簡化地下室施工難度，鋼支撐延伸至負(fù)一層后就不在延伸至基礎(chǔ)頂，鋼支撐的軸力有本層的位置的鋼梁及樓板組成的系統(tǒng)傳到周圍，在滿足建筑的功能條件下，在支撐的下部位置增設(shè)混凝土剪力墻，也能更好地傳遞水平剪力。

(4)復(fù)雜節(jié)點的有限元分析考慮了材料的非線性等，分析表明，節(jié)點應(yīng)力滿足規(guī)范要求。