某高层建筑型钢混凝土组合连梁的应用研究

郑 远

(福建省沿海建筑设计院，福建 福州 350001)

某高层建筑型钢混凝土组合连梁的应用研究

郑 远

(福建省沿海建筑设计院，福建 福州 350001)

用YJK-A计算分析软件对某高层框架—双核心筒建筑进行了计算分析，重点对连接双核心筒的型钢混凝土连梁进行中震情况下的弹性作了分析，并介绍了型钢混凝土连梁的设计和构造措施，指出型钢混凝土组合梁抗震性能优越、构造简单、造价低、施工方便，具有广阔的应用前景。

框架—双核心筒结构，型钢混凝土连梁，中震弹性分析

0 引言

型钢混凝土组合梁是由型钢和钢筋混凝土组成整体共同工作的一种结构形式。型钢混凝土组合梁能充分利用钢材的抗拉能力和混凝土的抗压能力，具有承载力高、刚度大、延性好的优点，在国内外应用日益广泛。在框架—剪力墙结构或框架—核心筒结构中，剪力墙和核心筒承担了大部分水平荷载，钢筋混凝土连梁所承受的剪力很大。在进行高层建筑结构设计时，经常出现连梁斜截面抗剪承载力无法满足抗剪承载能力要求的情况，使用型钢混凝土组合连梁可以大幅度提高连梁的抗剪承载力，且具有优良的抗震性能，构造简单、造价不高、施工方便。本文通过实际工程，对型钢混凝土组合连梁的计算方法、构造做法和有关技术进行了分析研究。

1 工程概况

德诚黄金集团有限公司黄金珠宝首饰加工项目地处福建省长乐市，西侧为机场高速，东侧为省道。

本项目由研发楼、办公楼、厂房、宿舍楼等构成，其中研发楼总建筑面积约为38 900 m2，地上21层，1层～3层为裙房，建筑功能为门厅及食堂，4层～21层为开敞办公区和研发中心。该建筑总高度约87.35 m,地下2层为人防地下室，建筑功能为停车场、金库及相关设备配套用房，地下室埋深约为10.7 m。主楼结构采用框架—双核心筒建筑结构体系，双核心筒部分的建筑抗震等级为二级，框架部分的建筑抗震等级为二级；抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g,地震分组为第三组；建筑场地类别为Ⅲ类。风荷载标准值：基本风压按50年重现期0.8 kN/m2采用，地面粗糙度：B类，风载体型系数：1.3。建筑楼面活荷载根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范选用。

建筑标准层平面图及建筑剖面图详见图1。

本工程建筑标准层平面呈规整长方形，竖向结构构件上下连续贯通，在建筑2层～3层有局部开洞，但开洞面积小于相应楼层面积的30%，且有效楼板宽度大于相应楼层楼板典型宽度的50%，因此判定主楼为规则结构。主体结构采用框架—双核心筒结构体系。钢筋混凝土双核心筒作为建筑的主要的抗侧力结构体系，外围钢筋混凝土框架作为抗震第二道防线，共同组成双重抗侧力结构体系。两个核心筒形状均为规整正方形，平米尺寸均为8.4 m×8.4 m,核心筒其高宽比为96.4/8.4=11.47，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第9.2.1条中规定的内筒高宽比不宜大于12的设计要求。

本工程设计的主要难点：建筑结构设计方案抗扭刚度的优化；双核心筒之间连梁的抗剪承载力设计计算。

2 结构计算分析

2.1 整体结构分析

本工程设计计算采用盈建科YJK-A分析软件。采用空间扭转偶联的振型反应谱法计算建筑结构的地震作用。双核心筒间楼板按弹性板进行细化分析。程序计算抗震计算采用单向地震作用并考虑偶然偏心的影响，并考虑了双向地震作用下的计算。计算结构见表1。

表1 计算结构表

从表1数据可以得出以下几点结论：

1)《高层建筑混凝土结构技术规程》第9.2.5条中规定框架—核心筒体结构扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85，且T1的扭转成分不大于30%。本工程T3/T1=0.7,T1为平动周期，且在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下的最大层间位移与平均位移的比值小于1.2倍，说明该结构体系扭转刚度符合规范要求。

2)《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.7.3条中规定按弹性方法计算下，框架—核心筒结构在风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移Du与层高h的比值小于1/800。本工程建筑结构在风荷载与地震荷载作用下的最大层间位移角均满足小于1/800的要求，说明本工程采用框架—双核心筒体结构体系刚度合理。

3)《高层建筑混凝土结构技术规程》第9.1.11条中规定在框架—核心筒结构体系中，框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部总地震剪力标准值的10%。本工程底层框架柱承担的地震剪力标准值X向为16.45%，Y向为20.30%，均满足大于10%的要求。从该计算结果中也可以看出钢筋混凝土双核心筒结构刚度远大于周边框架结构刚度，混凝土双核心筒结构是该建筑的主要抗侧力结构。

2.2 双核心筒体间型钢混凝土组合连梁的中震弹性分析

由盈建科YJK-A计算结果可知，双核心筒间连梁承受很大的剪应力，普通钢筋混凝土梁无法满足抗剪承载力的要求。本工程采用型钢混凝土组合梁作为双核心筒间连梁，该连梁作为框架—双核心筒结构中的重要结构构件需要特别加强。《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11条中对复杂高层建筑中的结构重要构件提出了应进行结构抗震性能设计的要求。本工程抗震性能设计目标为：多遇地震下结构弹性设计，其承载力和变形应符合相关规范的要求；设防烈度地震下结构重要构件(即双核心筒体间型钢混凝土组合连梁)的抗震承载力满足弹性设计要求。

《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.7条规定，在多遇地震作用下和设防地震作用下，7度区水平地震影响系数最大值amax分别为0.08和0.23,在盈建科计算参数中将多遇地震影响系数最大值0.08替换成0.23，对结构进行内力计算后得出双核心筒体间连梁的内力标准值。根据计算结果对比可知在该楼6层处的双核心筒体间连梁内力为最大值，连梁的位置详见图2，内力标准值详见表2。根据中震弹性要求，结构构件的截面抗震验算应符合下列关系：

在采用YJK-A计算分析程序对结构进行设防地震作用下结构重要构件承载力计算时，采用以下计算条件：

1)在“地震影响系数最大值”中输入中震的地震影响系数最大值;2)与抗震等级有关的增大系数取为1.0。

表2 内力标准值

型钢—混凝土组合连梁截面图见图3。

型钢混凝土组合连梁斜截面抗剪承载力参照JGJ 138—2001型钢混凝土组合结构技术规程进行设计。《型钢混凝土组合结构技术规程》斜截面承载力计算采用叠加法，即采用型钢部分受剪承载力和不考虑型钢的普通钢筋混凝土梁受剪承载力之和作为型钢混凝土组合梁的受剪承载力。

型钢混凝土组合梁的受剪截面应符合下列条件：

非抗震设计时：

Vb≤0.45fcbh0,

抗震设计时：

型钢混凝土组合梁斜截面受剪承载力按下列公式计算：

非抗震设计时：

抗震设计时：

其中，Vb为考虑地震组合的梁端剪力设计值；gRE为承载力抗震调整系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；b，h0分别为型钢混凝土梁截面宽度和有效高度；ASV为型钢混凝土梁同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为型钢混凝土梁箍筋间距；fyv为型钢混凝土梁箍筋抗拉强度设计值；fa为型钢的抗拉强度设计值；tw,hw分别为型钢腹板的厚度和高度。

通过计算可知，型钢混凝土组合连梁满足中震弹性下的承载能力极限状态设计要求，因此可以实现设防地震下局部关键结构构件的性能目标。

3 型钢混凝土组合连梁的构造措施

在钢筋混凝土连梁中设置适当含钢率的工字形轧制型钢或工字形焊接型钢，型钢上下翼缘应分别设置在钢筋混凝土受压区和受拉区，形成型钢混凝土组合连梁。国内外有关组合构件的实验及工程实例结果表明型钢与钢筋混凝土梁具有良好的协调工作性能。

型钢混凝土组合连梁构造做法如图4，图5所示。

从理论和已有的工程实践中可总结出型钢—混凝土组合连梁的构造做法有以下几点要求：

1)型钢与核心筒墙体边缘构件的连接：本工程核心筒墙体边缘构件中未设置型钢，连梁型钢应采取有效构造措施与核心筒体墙体边缘构件可靠连接：型钢锚入剪力墙中的长度不应小于型钢截面高度，本工程锚固长度取1.2m，型钢深入墙中部分型钢开钢筋孔，以便剪力墙边缘构件中的箍筋从中穿过。

2)型钢在连梁底部、顶部的混凝土保护层最小厚度不小于100mm。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第9.2.7条洞口附近楼板应加厚，本工程双核心筒中间部分楼板局部开洞，洞口附近楼板应加厚，厚度取150mm，所以型钢在型钢混凝土组合连梁顶部混凝土保护层厚度取150mm，使得楼板钢筋可以在梁位处贯通设置，避免了楼板钢筋在型钢处断开。

3)参照《型钢混凝土组合结构技术规程》中的相关构造规定，本工程型钢混凝土组合连梁在型钢腹板两侧设置栓钉，栓钉直径取22mm,其长度h=100mm，大于4倍栓钉直径；其间距s=110，小于6倍栓钉直径。在型钢腹板两侧设置栓钉可增强型钢和混凝土的协调工作性能，有效避免型钢与混凝土间的粘结滑移。

4)梁中的型钢腹板高度h=850mm，大于450mm，故在梁的两侧沿高度方向需设置纵向构造钢筋，在纵向构造钢筋之间设置拉结筋。拉结钢筋遇型钢腹板时可采用拉结焊接在型钢腹板上或者型钢腹板中留孔穿过的方法。

4 结语

1)在外框架与核心筒之间的平面尺寸已经确定的情况下，且在不降低结构性能的前提下，本工程采用了框架—双核心筒结构体系方案，使得整个结构具有合理的刚度和抗扭转性能。通过盈建科YJK-A设计计算软件对框架—双核心筒结构进行计算，计算结果表明该结构具有较好的抗震性能。

2)双核心筒间连梁采用型钢混凝土组合梁，增强连梁的抗剪承载力。双核心筒间连梁作为结构重要构件进行抗震性能设计，以提高其抗震能力，在计算上用中震弹性进行内力复核。

3)型钢混凝土组合连梁能够大幅度提高连梁斜截面抗剪承载力，抗震性能优越，且构造较为简单、施工难度不大。

[1]JGJ138—2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[2]JGJ3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]GB50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[5] 刘维亚.型钢混凝土组合结构构造与计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

Research on application of steel concrete composite coupling beam of some high-rise building

Zheng Yuan

(FujianCoastalArchitecturalDesignInstitute,Fuzhou350001,China)

The paper undertakes the calculation and analysis of double core canister building of some high-rise framework with YJK-A Calculation Analysis Software, analyzes the elasticity of the steel concrete coupling beam of the connection double-core canister, introduces the design and component measures of the steel concrete coupling beam under the middle seisms, and points out the steel concrete composite beam has better anti-seismic performance with simple structure, low cost and convenience for construction, so it has broad application future.

frame-work double-core canister structure, steel concrete beam, middle seisms elastic analysis

2015-02-27

郑 远(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)13-0047-03

TU398

A