矩形钢管混凝土框架结构设计与分析

('矩形钢管混凝土框架结构设计与分析摘要：通过对包头市万郡大都城住宅小区(二期)8号楼项目中带支撑的矩形钢管混凝土钢框架结构的设计计算，验证了该结构体系的可行性与安全性。利用ETABS软件对该结构体系进行非线性以及耗能分析，研究该结构体系的抗震性能，为矩形钢管混凝土柱的设计提供参考。关键词：矩形钢管混凝土柱；钢框架；抗震性能分析钢管混凝土具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳和耐冲击等优越的力学性能[1]。此外，钢管混凝土还具有工厂产业化生产、施工方便、良好的抗火耐腐蚀等优点。随着绿色建筑的大力推行，钢管混凝土在工程中的应用迎来了前所未有的发展契机，2004年我国颁布了CECS159∶2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》[2]，通过节材、节地、节能、节水的实现，达到节能环保和可持续发展的目标，给人们营造更舒适、更安全的生活空间[3]。包头市万郡大都城住宅小区钢结构住宅项目平均2.5～3d建一层，不到两年一期27.5万m2就已进入最后的机电设备安装调试和室内装饰阶段[4]。为充分发挥本结构体系施工工期短的特点，在刚度较小的主体结构中采用刚度较大的装配式钢筋桁架楼承板。该板具有安装快速便捷，所形成的楼板整体性好，施工质量更容易得到保证等优点，且与压型钢板楼承板相比具有一定的价格优势[5]。同时，为保证楼板的整体刚度，在后浇带以及二层楼面大开洞等结构薄弱部位采用钢筋通长布置、加强边梁刚度等构造措施。多次灾害经验表明，“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计思想成为结构设计的宗旨。目前对钢管混凝土构件的研究主要是针对承受竖向荷载的柱进行的性能研究[6]，但是其在结构中的性能还受到其他构件和结构体系影响，与单个构件仍然有所区别。因此，有必要对含钢管混凝土构件的结构体系进行整体计算分析，为钢管混凝土柱的设计提供参考。1工程概况万郡大都城住宅小区(二期)8号楼项目位于包头新城与老城结合地带，总建筑面积34897m2，地下2层，地上33层，建筑总高度为101.1m1/14(室外地坪至屋面檐口)，为住宅、商铺及地下停车场组成的住宅主体建筑。本结构抗震设防类别为丙类。结构设计使用年限50年。本地区抗震设防烈度8度(0.20g)，场地类别为Ⅱ类，设计基本地震分组第一组，场地不存在液化土层。本建筑的框架平面布置如图1所示。图1结构平面2结构体系2.1支撑由于本建筑高度较高且处于高烈度地震区，所以利用少负担重力荷载且延性好的箱形钢支撑作为结构的第一道抗震防线。对于受压钢结构构件而言，失稳为其主要破坏形式。该钢支撑与工字形支撑回转半径对比如表1,回转半径越大，构件越稳定。其中(I为绕计算轴的惯性矩，A为面积)。表1回转半径2/14回转半径箱形截面工字形截面ix0.41h0.43hiy0.41b0.24b注：h为截面高；b为截面宽。由表1可以看出:箱形截面在x向的回转半径与工字形截面基本相同，而y向则大些，说明箱形截面钢支撑的稳定性优于工字形截面。本建筑结构平面为矩形，长宽比较大，因此，支撑主要用于加强结构y向刚度。在结构的x向，仅在内部增加少量中心支撑。除了在结构的y向外部以及电梯间采用中心支撑外，结构内部还采用大量偏心支撑。两种支撑形式的混合使用既可以充分利用支撑的屈曲耗散地震能量，又能发挥梁的耗能作用，使偏心支撑位置梁先于支撑出铰，使部分梁与支撑共同成为结构的第一道抗震防线，有效保护结构安全。2.2主框架本结构主框架采用矩形钢管混凝土柱与工字形钢梁组合而成。主框架结构作为结构的第二道抗震防线，在第一道抗震防线退出工作后，形成新的结构体系，有效避开场地的卓越周期。第二道抗震防线“强柱弱梁”的设计概念，使结构在遭遇较强地震作用时仍具有足够的延性来耗散地震能量，更重要的是保证了抗侧力构件的刚度，从概念上实现了结构的“大震不倒”。2.2.1矩形钢管混凝土柱内填混凝土与钢管的相互作用使得矩形钢管混凝土的承载力和延性均有限大的提高[7]。本结构框架柱距最大约为8m，矩形钢管混凝土框架柱20层以下内灌C50自密实混凝土，20层以上内灌C45自密实混凝土，框架柱尺寸最大(最小)仅为700mm×700mm(400mm×400mm)，有效保证了建筑功能的实现。矩形钢管混凝土柱由于内部混凝土的存在，抗火性和耐腐蚀性与钢结构相比均有显著提高，同时本结构在±0.000以下钢柱外部防火采用75mm厚水泥砂浆，用0.8mm厚钢板网与φ6@600定位钢筋绑扎牢，3/14±0.000以上钢柱防火涂料采用厚涂型防火涂料，耐火极限要求均不低于3h，以保证柱的抗火性能。另一方面，矩形钢管混凝土柱的外部钢管由工厂预先生产，零件少、焊缝少，构造简单，施工时无需模板，且在施工过程中能够承受施工荷载，不受混凝土的养护时间限制，同时，由于钢管混凝土内无钢筋，使混凝土的浇注捣实更加方便，大大缩短了施工工期。综上，由于钢管混凝土柱的自身特点基本实现了建筑结构构件的产业化生产。2.2.2工字形钢梁框架结构抗震设计中的一个重要思想就是形成“强柱弱梁”的结构体系，使结构在地震作用下梁端形成塑性铰。本结构在计算之前，由于地下2层层高较高，除其外围采用较高刚度的型钢混凝土梁外，从概念设计的角度，均采用刚度较小、延性较好的工字形钢梁来实现这一目标，结构中最大梁高仅为600mm，在保证结构具良好抗震性能的同时，又保证了室内的美观。3主要节点构造由于钢结构体系均为现场拼装，因此，钢结构体系的节点设计就显得更为重要。如果结构节点的抗震性能与构件相比较差，不仅结构的抗侧力构件无法发挥其抵抗地震作用的能力，而且建筑中的人员还有可能遭受重大伤害[8]。在结构第一道抗震防线中，中心支撑以及耗能梁段节点构造如图2a、图2b所示。a—中心支撑与框架柱连接节点;b—耗能梁段连接节点;c—梁柱刚接节点。4/141—tf+2且不小于16mm;2—t=12mm;3—组成箱形；4—箱形支撑；5—钢柱；6—箱形截面斜撑；7—耗能梁段腹板与焊缝；8—耗能梁段；9—非耗能梁段；10—2φ20排气孔对称居中；11—φ22,M20(10.9S);12—t=主梁腹板厚+2mm。注：tf为箱形截面斜撑厚度；s为加劲肋间距；n为加劲肋数量。图2主要节点构造示意在主框架结构梁柱节点处采取梁端上、下翼缘贴板的方式来增大焊缝的断面尺寸，节点构造如图2c所示。4主体结构设计计算本工程采用PKPM进行结构基本设计，结构阻尼比取为3.5%，结构的薄弱层判断，整体稳定性以及多遇地震作用下结构的位移响应计算结果如下。4.1结构薄弱层分析经过计算，本结构地下室2层以及塔楼下层与塔楼侧移刚度比(地震剪力与地震层间位移的比)较大。除地下室2层以及塔楼下层外，x、y向本层塔侧移刚度与上1层相应塔侧移刚度70%的比值或上3层平均侧移刚度80%的比值中的较小者如图3所示。5/14图3侧移刚度比计算结果由图3可以看出，本结构满足GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(以下简称“规范”)中3.4.3.1的规定，结构侧向刚度规则。除塔楼下层与塔楼抗剪承载力之比较大外，楼层抗剪承载力计算结果如图4所示。6/14图4抗剪承载力计算结果由图4可以看出，除地下2层由于层高较高，y向受剪承载力之比为0.73外，均无楼层承载力突变。综上，除地下2层y向结构需适当调整外，本建筑结构竖向抗侧力构件连续，整体结构竖向规则，无薄弱层存在。4.2结构整体稳定性分析高度较高的结构在风荷载以及地震力作用下，由于结构竖向荷载的作用会产生重力二阶效应，可能会造成结构的失稳，因此CECS159∶2007/144[3]中考虑弹性刚度折减80%，要求矩形钢管混凝土高层建筑结构刚重比EJd/(GH2)大于1.0，且当刚重比大于2.7时可不考虑重力二阶效应。本结构层数较多，抗侧力构件刚度较小，结构x向刚重比为1.26，y向刚重比为2.29，满足规范的整体稳定性要求，但根据规程要求应考虑结构的重力二阶效应。4.3多遇地震和风荷载作用下层间位移角结构在多遇地震作用下的层间位移角见图5。图5层间位移角计算结果8/14从图5可以看出，该结构层间位移角满足GB50011—2010规范1/300的要求，且仍有一定富余。同时，结构在风荷载作用下最大层间位移角为1/475，满足规范1/400的要求。结构在地震作用下的变形计算结果见图6。9/1410/14图6结构变形计算结果从图6可以看出：结构x向变形趋向于弯剪型，而y向则属于典型的弯曲型。5主体结构抗震性能评价5.1地震反应分析本工程利用ETABS软件对结构(阻尼比取为5%)在罕遇地震下的反应进行Pushover分析。加载时以顶层最高点的位移为控制点，x、y向分别施加1100mm位移。以y向边榀框架为例，当结构遭受多遇地震作用，即当y向加载到顶点位移180mm时，结构中无塑性铰出现。当顶点位移继续加大时，在耗能梁段首先出现塑性铰，如图7a所示。11/14a—多遇地震；b—罕遇地震。图7塑性铰出现位置示意随着地震作用的继续增大，支撑位置开始出现塑性铰。当结构层间位移角达到规范所规定的弹塑性层间位移角(顶点位移为1100mm)时，结构如图7b所示。由图7b可见，支撑与耗能梁段全部出铰，底部框架柱以及框架梁出现少量塑性铰，此时结构主要依靠第二道抗震防线抵抗地震作用。通过主体结构在地震作用下的Pushover分析可以看出,该结构体系设计较合理，在抵抗地震作用的过程中，形成了多道抗震防线。12/14在对结构进行Pushover分析的过程中，结构最大层间位移角为1/118,出现在第14层，小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/50。结构达到罕遇地震作用下的抗倒塌性能目标。5.2抗震性能评价利用底部剪力法可得，在y向多遇地震作用下，结构下部(1～11层)中心支撑耗能小于矩形钢管混凝土柱，在偏心支撑位置耗能梁段耗能作用明显。在15层以上出现了支撑耗能大于矩形钢管混凝土柱的情况，在弯曲变形较大部位，支撑开始发挥其第一道防线的作用。结构23层以上的变形较大，基本依靠支撑以及耗能梁段即结构第一道抗震防线耗散地震能量。6结论1)钢支撑、矩形钢管混凝土柱钢梁框架形成双重抗侧力体系，钢支撑作为抗震第一道防线充分发挥了钢材的优秀耗能能力，主体框架作为抗震第二道防线为结构的“大震不倒”提供了可靠保障。2)通过结构设计计算可以发现：本结构在满足规范规定的前提下，柱截面最大尺寸仅为700mm×700mm，梁最大高度仅为600mm，结构构件尺寸较小，保证结构安全可靠的前提下，充分保障了建筑功能的实现。3)通过Pushover分析，验证了结构的多道防线设计理念，在遭受罕遇地震作用时，主框架结构仍然能够作为结构的最后一道防线保证结构的安全。4)通过耗能分析可以发现，在结构变形较大部位，支撑和偏心支撑梁段发挥主要耗能作用，充分实现了弯曲型变形结构的第一道抗震防线作用。参考文献[1]蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J].土木工程学报,1999,32(4):16-26.[2]CECS159∶2004矩形钢管混凝土结构技术规程[S].13/14[3]陈芳,方鸿强,王彦超.万郡·大都城钢结构住宅绿色施工技术[J].施工技术,2014,43(14):155-158.[4]杜壮.建筑还给工业土地还给农业[J].中国战略新兴产业,2014(8):31-33.[5]李文斌,杨强跃,钱磊.钢筋桁架楼承板在钢结构建筑中的应用[J].施工技术,2006,35(12):105-107.[6]王文达.钢管混凝土柱-钢梁平面框架的力学性能研究[D].福州:福州大学,2006:23-28.[7]沈祖炎,陈扬骥,陈以一.钢结构基本原理[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2005:303-304.[8]韩林海.钢管混凝土结构理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.14/14',)