帶鋼管混凝土柱的框支剪力墻結(jié)構(gòu)分析及梁柱節(jié)點設(shè)計

陸 烜

上海保利城市發(fā)展有限公司，上海 200232

1 工程概況

連云港某綜合商住項目總建筑面積為28600m2，其為一幢帶裙房的高層塔樓。該項目地下1層為車庫，地上塔樓有20層，總高75.3m，第1～3層用于大開間商場，柱網(wǎng)尺寸為8.0m×7.2m，層高5.0～5.8m；第4層以上為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3.5m，用于酒店客房；裙房有4層，總高度為17m，用于商業(yè)。

建筑設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度0.15g，設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s?；撅L(fēng)壓為0.6kN/m2，基本雪壓為0.4kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑功能需求，該工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。第1～3層平面大空間區(qū)域設(shè)框支柱，框支框架和落地剪力墻抗震等級均為一級；緊鄰第3層設(shè)置2.2m高的技術(shù)層（即轉(zhuǎn)換層），第4層以上為純剪力墻體系，其中第4～5層屬底部加強區(qū)，第6層及以上抗震等級均為三級。

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層平面布置如圖1所示。由圖1可知，底層框支柱共10根，其中位于平面中心區(qū)的6根框支柱設(shè)計軸力較大，達到14000～16600kN。此框支柱抗震等級為一級，軸壓比限值為0.6，如果采用混凝土柱，則截面過大會影響建筑使用，因此6根柱采用鋼管混凝土柱，直徑Φ1000mm，鋼管壁厚20mm。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

轉(zhuǎn)換層框支梁和所承托上部剪力墻共同工作，同層樓板也承受一定拉力，因此按將框支轉(zhuǎn)換層及上層樓板參與抗震計算并作加強處理，厚度分別取180mm和150mm，樓板鋼筋采取雙層雙向拉通配置。該單體主要構(gòu)件基本信息如表1所示。

表1 該單體主要構(gòu)件基本信息 單位：mm

按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（JGJ 3—2010）有關(guān)抗震性能化設(shè)計要求，該工程抗震性能目標(biāo)為D級。依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要程度，“關(guān)鍵構(gòu)件”為框支柱、轉(zhuǎn)換梁和底部加強區(qū)剪力墻；“普通豎向構(gòu)件”為一般框架柱、非底部加強區(qū)剪力墻；“耗能構(gòu)件”為一般框架梁和連梁。

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 多遇地震作用下的整體分析

多遇地震下的整體彈性分析采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法并進行比較。時程分析時選用2條天然波和1條人工波，時程分析所得的基底剪力大于規(guī)范反應(yīng)譜所得基底剪力的65%，所得的平均基底剪力大于反應(yīng)譜所得的基底剪力的80%，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)前3階的振型和自振周期依次為X向平動t1=2.09s、Y向平動t2=1.79s、扭轉(zhuǎn)t3=1.63s。多遇地震作用下整體計算結(jié)果如表2所示。

表2 多遇地震作用下主要計算結(jié)果

由表2結(jié)果可知，2種分析方法的總體指標(biāo)均滿足規(guī)范要求且較接近。設(shè)計時將時程分析所得的各樓層剪力包絡(luò)值與反應(yīng)譜結(jié)果進行比較，如果反應(yīng)譜所得剪力相對小則做放大處理，放大系數(shù)取兩者相應(yīng)樓層剪力之比。

3.2 罕遇地震作用下的整體彈塑性分析

為了保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性，采用Pushover做靜力彈塑性分析，了解結(jié)構(gòu)變形和塑性鉸開展情況，評估罕遇地震作用下的性能。

根據(jù)罕遇地震作用下的能力譜和需求譜曲線，X向性能點對應(yīng)的基底剪力為37020kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的4.5倍，結(jié)構(gòu)頂點位移348.4mm；Y向性能點對應(yīng)的基底剪力為38320kN，約為多遇地震作用下的3.6倍，結(jié)構(gòu)頂點位移283.7mm。X向最大層間位移角為1/164（第6層），Y向最大層間位移角為1/207（第12層），均滿足罕遇地震下的層間位移角小于1/100的要求，達到“大震不倒”的目標(biāo)。

整個推覆過程顯示，結(jié)構(gòu)總體出鉸順序依次為連梁→框架梁→中部剪力墻→轉(zhuǎn)換層上部剪力墻底，符合一般預(yù)期規(guī)律，說明該結(jié)構(gòu)具有較好的延性。隨著加載增大，X向塑性鉸從中部朝上下兩端擴展，Y向塑性鉸從中上部朝下端擴展，達到性能點時，約1/3的框架梁柱屈服，框支梁端已屈服但處于確保生命安全的狀態(tài)；轉(zhuǎn)換層以下無論是鋼筋混凝土框支柱還是鋼管混凝土框支柱均未屈服。此外，轉(zhuǎn)換層下Y向④軸（見圖1）的落地剪力墻受壓區(qū)出現(xiàn)屈服，因此過了性能點后Y向結(jié)構(gòu)抗側(cè)力顯著降低。設(shè)計時應(yīng)對此薄弱部位予以加強，增加該墻體鋼筋，并提高端柱的縱筋配筋率和體積配箍率。

3.3 主要構(gòu)件受力情況

結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在不同地震力作用下的計算結(jié)果如表3所示，各構(gòu)件可滿足預(yù)期的抗震性能設(shè)計目標(biāo)。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計及分析

4 柱梁節(jié)點設(shè)計

4.1 普通樓層鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計

第1～3層鋼管混凝土柱與普通框架梁相交，鑒于四周框架梁傳來荷載不大，節(jié)點采用外加強環(huán)板形式，上下鋼板加強環(huán)板之間焊接放射狀排布豎向加勁肋板。水平加強環(huán)傳遞彎矩，豎向加勁肋板傳遞剪力，兩者組成了環(huán)形牛腿?？蚣芰憾丝v筋焊于上下加強環(huán)板，牛腿的抗剪承載力受以下五個因素影響：（1）牛腿支承面上的混凝土局部承壓強度；（2）肋板的抗剪強度；（3）肋板與鋼管壁連接的焊縫強度；（4）牛腿上部混凝土直剪強度；（5）加強環(huán)板的抗彎強度。按照經(jīng)驗，牛腿的抗剪承載力由肋板自身抗剪強度決定，節(jié)點構(gòu)造如圖2所示。

圖2 第1～3層鋼管混凝土柱梁節(jié)點圖（單位：mm）

4.2 轉(zhuǎn)換層鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計

該項目鋼管混凝土柱為框支柱，若柱頂僅伸至轉(zhuǎn)換梁底，柱對梁的約束不強，與計算假定存在一定偏差。考慮到轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點是結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，將鋼管混凝土柱伸過轉(zhuǎn)換梁至第4層框架梁底，既可增加轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點的剛性，又可起到延性過渡作用。

經(jīng)計算，轉(zhuǎn)換層與鋼管混凝土柱相交的兩個方向梁傳來荷載相差較大，轉(zhuǎn)換梁端最大豎向剪力為2020kN，而與之正交的普通梁端剪力僅為334KN。若節(jié)點仍采用環(huán)形牛腿，會導(dǎo)致兩個方向的鋼管壁受力嚴重不均，容易使鋼管壁和混凝土之間出現(xiàn)黏結(jié)破壞，使鋼管環(huán)向作用削弱。

轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點采用穿心形式，此構(gòu)造相對非穿心形式雖較復(fù)雜，但穿心腹板和上下翼緣板組成的承重銷傳遞剪力更加明確，剪力可直達核心混凝土且兩個方向的受力相互影響小。該節(jié)點的設(shè)計思路：轉(zhuǎn)換梁方向采用雙穿心牛腿，普通框架梁方向采用單穿心牛腿，如圖3所示；轉(zhuǎn)換梁的縱筋一部分直接穿過鋼管貫通，另一部分縱筋借用變寬度梁的方法繞過鋼管，繞筋斜度不大于1/6，梁端部局部加寬，并在變寬度處增設(shè)附加箍筋；非轉(zhuǎn)換框架梁上部縱筋焊于加強環(huán)板。轉(zhuǎn)換層柱梁節(jié)點構(gòu)造如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)換層鋼管與穿心牛腿連接構(gòu)造（單位：mm）

圖4 轉(zhuǎn)換層鋼管混凝土柱梁節(jié)點圖（單位：mm）

4.3 鋼管混凝土柱頂與梁連接設(shè)計

鋼管混凝土柱收頭處頂面焊環(huán)形蓋板，尺寸滿足框架梁混凝土抗壓強度?？紤]剛度過渡和鋼筋搭接，節(jié)點區(qū)域水平和豎向做加腋處理，內(nèi)部配置構(gòu)造鋼筋和抗剪螺旋箍筋。上部剪力墻的豎向鋼筋穿過環(huán)形蓋板插入鋼管混凝土內(nèi)，實現(xiàn)承載力的有效過渡，構(gòu)造如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土柱頂與四層梁節(jié)點圖（單位：mm）

5 結(jié)論

（1）框支剪力墻高層結(jié)構(gòu)如框支柱軸力較大不適合采用普通混凝土柱時，可考慮采用鋼管混凝土柱，充分利用鋼管對核心混凝土三向受壓的優(yōu)勢控制柱的截面尺寸。

（2）對高位轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)采用抗震性能設(shè)計方法進行分析，了解結(jié)構(gòu)不同地震作用下的抗震性能。重點關(guān)注轉(zhuǎn)換層等關(guān)鍵部位是否滿足預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，對薄弱部位采取必要加強措施。

（3）鋼管混凝土柱梁節(jié)點與普通混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，應(yīng)針對不同部位的受力特點選擇適宜的節(jié)點形式和構(gòu)造，尤其應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁與柱的連接可靠性，節(jié)點區(qū)應(yīng)進行專項設(shè)計。