型钢混凝土柱在高架库结构设计中的应用

邝钟月

(中国轻工业成都设计工程有限公司，四川成都610015)

1 工程概况

甘肃烟草工业公司新建高架库位于兰州市七里河区马滩，南滨河中路。地上1层，局部2层，建筑长90.5 m，宽31.7 m(柱距24.9 m，屋面悬挑6.8 m)，高度23.350 m。主体结构采用型钢混凝土框架结构，屋面采用轻型钢屋面。基础采用人工挖孔桩基础，桩基采用1 100 mm，1 300 mm，1 500 mm等直径的人工挖孔桩，柱长7 m，以中密卵石层(中密-密实，未穿透，参考变形模量Eo=45.0 MPa)为桩尖持力层，桩端土的极限端阻力为3 800 kPa。基础沉降计算值为0。上部结构，柱800 mm×1 100 mm,C40混凝土。柱中型钢Q345B：H800×500×14×24。本工程设计使用年限50 a，结构安全等级二级，抗震设计烈度8度(0.2g)，第三组。场地类别Ⅱ类，特征周期0.45 s，抗震设防类别丙类，结构抗震等级为：二级。基本风压值W0=0.30 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

2 整体结构体系形成和具体措施

2.1 整体结构体系

本工程为高架库建筑，为满足工艺的要求，此类建筑形式呈现出空旷、屋面跨度大、单层高度较高的特点，通常采用排架结构形式来计算。本工程高架库高度(23.35 m)，跨度较大(24.9 m)，若采用门钢形式，钢柱平面内长细比较大，稳定性差。为了满足此要求，钢柱截面较大(大约1 200 mm)，建设方也不同意采用钢结构，因为与原有建筑外立面不好统一处理，整体看起来不协调。而且采用钢结构，其内部装修亦困难。从抗震受力角度考虑，该工程位于地震高烈度、高风荷载地区，若仍采用排架结构，其质量和刚度均不规则，空间整体性能差，从而导致其抗震性能较差。

上述从结构整体的抗震性能角度分析。下面从单个构件的计算来分析：若仅采用钢筋混凝土柱，则柱顶与钢梁的连接通常只能做成铰接，削弱了屋面系统与主体混凝土结构的连接，也减弱了结构的整体性，进而影响整体结构的抗侧刚度。又由于柱子底端固接顶端铰接，其计算长度系数增大，截面也会随之变大。有鉴于此，考虑高架库主体结构采用型钢混凝土框架结构，由型钢混凝土柱和周围几层钢筋混凝土联系梁构成主体，屋面采用轻钢屋盖系统。如此处理，型钢混凝土柱在屋面处便可与钢梁作成刚接，即与屋盖系统刚接，从而可形成一个整体的单层纯框架结构体系。

2.2 具体计算处理措施

采用PKPM来计算整体结构，按框架结构指标来控制。为了加强结构的整体性和空间刚度，采取下列措施。

2.2.1 控制结构空间的整体刚度

沿着整个结构外围沿高度每隔4 m左右设置一圈钢筋混凝土联系梁，连接钢骨混凝土柱，以增强主体结构的整体刚度。同时用联系梁承受外墙砖和屋面女儿墙的荷载；钢结构屋面满布刚性支撑，以增强屋面的刚性和整体性。

2.2.2 控制结构抗侧刚度(满足位置限制要求)

采用SPSS 18.0软件对研究数据进行统计学分析。计量资料以± s表示，率的比较用χ2检验。对高代谢病灶的SUVmax值与病理及随访确诊结果进行秩和检验，P＜0.05为差异有统计学意义。根据表1诊断结果计算18F-FDG PET/CT的诊断效能（a、b、c和d分别代表其标注的患者数），敏感度（%）＝a/（a＋c）×100%，特异度（%）＝d/（b＋d）×100%，准确率（%）＝（a＋d）/（a＋b＋c＋d）×100%，假阳性率（%）＝b/（b＋d）×100%，假阴性率（%）＝ c/（a＋c）×100%，阳性预测值（%）＝a/（a＋b）×100%，阴性预测值（%）＝d/（c＋d）×100%。

在柱顶处钢骨混凝土柱与屋面钢梁进行刚性连接，尤其是悬挑处的钢梁与钢骨柱的刚性连接更需加强；整个屋面布置刚性屋面支撑，尤其是悬挑部分的屋面也设置屋面刚性支撑。

2.2.3 控制扭转不规则

由于整个厂房Y方向较长，在地震作用或风荷载作用下容易在长方向产生扭转位移，尤其长方向的中部，其扭转位移较大，比较难调整，因此为满足整体结构的扭转位移限制要求，适当调整建筑物周围一圈中间各层钢筋混凝土联系梁的截面大小，尤其是增大截面宽度来使扭转位移满足规范限制要求。

3 设计规范、规程

本设计按现行的规范规定外，并遵守有关钢混组合结构的规范规程：

(1)YB9082-2006 钢骨混凝土结构设计规程；

(2)04G523型钢混凝土组合结构构造；

(3)型钢混凝土组合结构构造与计算手册。

4 结构计算分析

针对本工程结构特点，采用两个计算模型：

(1)在整体计算时，按照框架计算，右侧部分钢梁作为悬挑考虑，外端柱不参与工作。由于悬挑较大(6.8 m)，所以除计算水平地震力外，也进行竖向地震力计算。阻尼比0.04。

(2)设计屋面钢梁时，形成PK文件计算，加入右端柱参与工作，一并计算。

4.1 整体计算

如图1，结构弹性整体抗震分析，采用SATWE程序计算结构的地震力、结构的弹性层间位移角、扭转位移角、构件的内力变形等。结构跨度24.9 m，8度区，按抗震规范，大跨度结构，同时计算竖向地震力。

图1 整体计算模型

整体计算时，将屋面右侧钢梁作为悬挑考虑，不计入右侧钢柱的作用。整体结构在STS钢框架下建模，输入钢骨混凝土柱，钢筋混凝土联系梁及屋面钢梁和刚性支撑，以及屋面右侧悬挑的钢梁屋面刚性支撑。然后进入SATWE程序进行整体结构的分析。

通过上述计算，本工程的所有计算参数指标均满足相应规范要求。例如：X方向的偶然偏心地震作用下的楼层最大位移为1/550，对应的扭转位移为1.34，均满足规范要求的钢筋混凝土框架结构的位移限制要求。X方向的有效质量系数：98.46%，楼层最小剪重比：8.56%；Y方向的有效质量系数：98.75%，楼层最小剪重比：11.53%。

4.2 PK文件

用于计算屋面钢梁、钢柱。前面所述均是整体结构的计算。但本工程中最右端钢梁下还增设了墙架钢柱直至地面(图2)，并沿厂房高度每隔4 m左右设置一道钢拉梁，与混凝土拉梁的标高一致。此部分没有参与整体结构的计算，该墙架柱只对上部钢梁起竖向支撑的作用，与屋面钢梁为铰接连接。

图2 框架立面图(KLM.T)

为了设计屋面钢梁、钢柱，我们就从整体结构中取出一榀框架形成PK文件，再在PK里面输入墙架钢柱，柱顶和底均为铰接，对该榀框架进行PK平面计算，可得屋面钢梁、钢柱的验算结果。

5 其他构造措施

5.1 桩位布置

基础采用人工挖孔桩，桩承台之间设置基础拉梁。而在跨度方向，由于跨距较大(跨距24.9 m)，难以直接设置钢筋混凝土拉梁，因此沿Y方向在柱间增设一根桩和承台，与上下两根桩成三角形布置，在三桩承台之间用拉梁相连，进而增加了桩基承台的稳定性，满足《建筑抗震设计规范》第6.1.11.5条的要求。

5.2 墙架钢柱(最右端)

在屋面钢梁最右端处增设了落地的墙架钢柱作支撑。由于该钢柱位置离原有建筑物很近，已无法做单独的桩基础，因此只能采用梁抬柱，即在基础拉梁上做钢筋混凝土短柱(600 mm×500 mm)，然后再预埋钢柱螺栓。为了增强短柱的稳定性，在短柱三个方向各增设了一小段钢筋混凝土翼缘墙。

钢柱上部每隔一定高度在Y方向设置钢拉梁以保证钢柱的稳定性。钢拉梁标高与主体部分钢筋混凝土拉梁的标高一致，钢拉梁两端均采用铰接。在山墙墙面上，钢拉梁一端与钢骨柱铰接，另一端与墙架钢柱铰接，可形成钢骨架便于金属复合板的搭设。

5.3 地梁的处理

主要是与原建筑物地梁的连接。。我们查看了原有建筑物的图纸，基础也是人工挖孔桩，承台之间有拉梁，300 mm×900 mm，核对其拉梁配筋大小及标高位置后，可以让新做的拉梁一端搭在原有建筑物拉梁上，视为铰接连接。有些地方紧挨着原有建筑物的桩基承台，采取植筋的方式连接。基础拉梁另一端与原地梁连接处也采取了一些构造和稳定措施。经核算，原地梁结构安全。

6 结束语

综上所述，本工程为满足高烈度地区抗震性能较好及使用和外观的要求，采用了型钢混凝土柱加钢屋盖系统的框架 混合结构形式。对高烈度地区的高架库建筑来说，是可以选择的一种结构形式，突破了传统高架库(高度高、跨度大)结构一般采用的全钢结构或钢筋混凝土排架结构形式的各种缺点。通过本工程的实践证明，将型钢混凝土柱和钢结构屋盖系统有效的结合起来，既能满足建筑结构的整体抗震安全又能满足工艺功能要求及建筑物美观的要求。本文仅对该结构体系进行初略的工程计算分析，对于该结构体系更为详细的震害破坏分析，建议采用整体结构在罕遇地震下的弹塑性动力分析，或基于性能的抗震设计分析。

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