装配式部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑体系设计及项目实践*

李 慧， 覃祚威， 陈 忠， 范晓伟， 周荣富

(浙江大东吴建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

0 引言

部分包覆钢-混凝土组合构件(partially-encased composite steel and concrete member，简称PEC构件)是在H型钢腔体内填充混凝土，并按照构造及受力要求配置一定数量的连杆及纵筋形成的新型组合结构[1]，PEC构件的典型截面形式如图1所示。相比传统纯钢结构受力方式，PEC构件受力具有显著优势，如图2所示。图2a为纯钢结构的板件失稳模态，在主钢构件内填充混凝土后，腹板失稳被抑制，翼缘失稳模态改变，构件稳定性能提升，如图2b所示；当在截面中采用连杆拉结翼缘时，翼缘失稳进一步被抑制，构件稳定承载力更加提高，如图2c所示。

图1 PEC构件截面形式

图2 PEC构件受力特点

相比钢结构及混凝土结构，部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑结构体系是融合框架-支撑结构及PEC结构优点的新型结构体系，具有良好的刚度、承载能力和抗震性能，因此构件截面尺寸有所减小，进而增加建筑空间利用率；同时PEC构件内填充混凝土可减少H型钢外露面积，有利于提高防火、防腐性能[2]，降低成本。PEC柱、PEC梁的钢筋绑扎、混凝土浇筑为工厂预制加工，现场装配式施工，具有质量可靠、施工便捷、建设周期短、装配性能良好等优势，同时腹板内填充混凝土与内外墙一体化装修，避免腹板未填充混凝土的纯钢结构隔声、隔热性能差问题，因此该体系具有较好的性能指标。

在国外，Elnashai等团队对PEC结构进行大量试验及理论研究[3-6]，并取得大量研究成果。目前已在加大拿蒙特利尔市1栋51层办公楼1 000 De La Gauchetiere项目中应用[7]。在国内，PEC结构处于推广阶段，应用工程案例不多，尚未涉及PEC框架结构侧向支撑设计方面[8]。本文以采用部分包覆钢-组合框架-支撑结构的装配式成套技术体系的东升和府10号楼住宅项目为例，介绍结构设计要点及实践情况。

1 工程概况

东升和府10号楼项目为浙江省湖州市首个装配式部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑结构的住宅建筑，地下2层、地上17层。地上建筑面积1.1万m2， 屋面结构标高为53.800m，每个标准层由2个对称单元组成，首层层高5.9m，其余各层层高3m。根据GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》[9]，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，基本风压为0.45kN/m2。平面布置如图3所示。

图3 平面布置

结构系统为部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑结构体系，采用PC预制楼梯，外墙系统为PC墙板+保温岩棉+ALC条板体系，内墙系统为ALC条板及局部砌筑，厨卫系统为集成卫浴、集成厨房，并采用智能家居，结合全生命周期智慧管理平台，即正向设计平台与BIM协同管理平台，打造装配率为94%、AAA级标准的绿色二星装配式建筑。

2 计算分析假定及计算模型

T/CECS 719—2020《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》[10]于2021年1月1日实施，但相关设计软件并未开发对应模块，可采用现有软件进行设计。

2.1 构件建模要点

PEC梁、PEC柱构件的截面刚度采用叠加法，计算如下：

EA=Ec·Ac+Ea·Aa

(1)

GA=Gc·Ac+Ga·Aa

(2)

EI=Ec·Ic+Ea·Ia

(3)

式中：EA为截面轴向刚度(N)；Ec为混凝土弹性模量(N/mm2)；Ac为混凝土截面面积(mm2)；Ea为钢材弹性模量(N/mm2)；Aa为主钢件截面面积(mm2)；GA为抗剪刚度(N)；Gc为混凝土剪切模量(N/mm2)；Ga为钢材剪切模量(N/mm2)；EI为抗弯刚度(N/mm2)；Ic为混凝土惯性矩(mm4)；Ia为主钢件惯性矩(mm4)。

型钢混凝土的截面刚度采用叠加法，故矩形PEC柱采用设计软件的型钢混凝土柱模块进行定义，混凝土外轮廓与型钢轮廓尺寸一致。盈建科PEC柱截面定义截面总宽度B为200mm，截面总高度H为600mm，工形腹板厚度U为10mm，工形腹板总高度T为600mm，工形翼缘宽度D为200mm，工形翼缘厚度F为18mm。

PEC梁在计算整体结构内力和变形时，刚度按式(1)考虑，但现有软件未支持PEC梁构件验算，可采用保守方法，即仅考虑外包混凝土放大钢梁刚度和混凝土对梁防火包覆的有利作用，不参与构件承载力计算。

计算模型按照纯钢梁，PEC梁刚度根据式(1)计算，得到PEC梁刚度EIPEC，通过刚度放大系数，将PEC梁刚度等效到钢梁上，即等效放大系数α=EIPEC/(Ea·Ia)，再根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》，分析结构整体内力时，等效放大系数α=EIPEC/(Ea·Ia)，对边框架PEC梁的EIPEC放大1.5倍，即对等效放大系数α放大1.5倍、中梁取2倍。PEC梁内部填充混凝土自重作为附加恒荷载施加在钢梁上。

2.2 计算软件选择及分析方法

为获得可靠的计算分析结果，宜用≥2个适合的不同力学模型，分析比较技术结构。采用盈建科YJK(V1.9.1)和ETABS(V16.2.0)软件分析结构小震，模型如图4所示。

2.3 阻尼比的确定

根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》，部分包覆钢-混凝土组合抗震计算的阻尼比在多遇地震作用下，房屋高度>50m且<200m时可取0.03；风荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取0.02～0.04，此处取0.03；舒适度验算时的阻尼比可取0.01～0.02，此处取0.015。

3 整体指标计算结果

3.1 周期和阵型

小震作用下，两款计算软件周期结果如图5,6所示。YJK模型计算结构周期比为0.75，ETABS模型周期比为0.73，均小于限值0.9，满足规范要求。

图6 ETABS模型计算结果

3.2 质量分析

YJK软件及ETABS软件计算楼层总质量如表1所示，总质量相差幅度绝对值为0.24%，差异较小。

表1 楼层总质量分析

3.3 位移比与层间位移比

考虑偶然偏心规定，水平力作用下层间水平位移比分析结果如图7所示，层间位移比分析结果如图8所示。

图7 层间水平位移比分析

图8 层间位移比分析

3.4 层间位移角

根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》，框架-支撑结构的多层及高层结构层间位移角限值为1/400，计算结果如图9所示，均满足限值要求。

图9 层间位移角分析

3.5 楼层侧向刚度比及剪重比分析

根据JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》，框架-支撑结构、楼层与相邻上层侧向刚度比γ2，考虑修正的楼层侧向刚度比，本层与相邻上层比γ2宜≥0.9；当本层层高大于相邻上层层高1.5倍时，宜≥1.1；结构底部嵌固层比宜≥1.5。首层及2层刚度与层高如表2所示。

表2 首层及2层刚度与层高

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》，1层为底部嵌固层，刚度比如下：①x向刚度比值 (6.85×105×5.9)/(8.33×105×3)=1.62≥1.5，满足规范要求；②y向刚度比值 (8.68×105×5.9)/(1.03×106×3)=1.66≥1.5，满足规范要求。

YJK软件输出结果算法如下：①x向刚度比值 (6.85×105×5.9)/(1.5×8.33×105×3)=1.08≥1.0，满足规范要求；②y向刚度比值 (8.68×105×5.9)/(1.5×1.03×106×3)=1.105≥1.0，满足规范要求。各楼层侧向刚度比如图10所示。

图10 楼层侧向刚度比分析

YJK和ETABS模型的楼层剪力及剪重比分析结果如图11所示。剪重比均满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》最小剪重比0.8%的要求。

图11 剪重比分析

4 构件验算

4.1 PEC梁验算

部分包覆钢-混凝土组合梁截面中，主钢件截面应满足宽厚比限值要求，如表3所示。

表3 梁主钢件的截面分类和宽厚比限值

梁截面受弯承载力应符合下式：

M≤Mu

(1)

(2)

式中：M为弯矩设计值(N·mm)；Mu为截面受弯承载力设计值(N·mm)。fcw为梁主钢件腹部混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2)；x为组合截面中和轴至混凝土受压边缘的距离(mm)；bf，ha，tf，tw分别为构件翼缘宽度、截面高度、翼缘厚度、腹板厚度(mm)；α1为受压区混凝土压应力影响系数，当混凝土强度等级≤C50时，取值1.0；当混凝土强度等级为C80时，取0.94，中间按线性内插法确定；fy,f′y分别为钢筋抗拉、抗压强度设计值(N/mm2)；fa，f′a分别为钢材抗拉、抗压强度设计值(N/mm2)；As，A′s分别为纵向受拉、受压钢筋截面面积(mm2)；Aa，Aac分别为梁主钢件截面、梁主钢件受压区截面面积(mm2)；as，as分别为受拉区钢筋合力作用点至混凝土受拉边缘的距离，受压区钢筋合力点至混凝土受压边缘的距离(mm)；Sat，Sac分别为受拉区梁主钢件截面、受压区梁主钢件截面对组合截面塑性中和轴的面积矩(mm3)；h0是混凝土截面有效高度(mm)，即混凝土截面受压区的外边缘至梁主钢件受拉翼缘与受拉钢筋合力点的距离；ES为钢筋弹性模量(N/mm2)。

部分填充组合梁仅考虑外包混凝土放大梁刚度(用于整体结构内力及变形计算)，及混凝土对梁防火包覆的有利作用，不参与构件承载力计算。根据YJK计算得到的梁应力比不超过限值1，按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》[11]，得到结构梁的最大应力比为0.85，挠度不超过规范限值，PEC梁的最大挠度限值如表4所示。

表4 部分包覆钢-组合梁最大挠度限值

4.2 PEC柱验算

YJK软件计算整体模型后，得到对应构件信息的内力组合，然而目前软件对PEC柱构件并未有相应模块验算截面。根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》，PEC柱验算如下。

1)主钢件钢贡献率如下：

(3)

式中：0.3≤δ≤0.9。截面主钢件钢贡献率为0.6，满足规范限值。同时，PEC柱截面中，主钢件截面与纵筋面积率为0.12，满足<0.2规范要求。

2)轴心受压构件整体稳定验算如下：

N≤φNu

(4)

式中：Nu为轴向压力设计值；Mu为截面受压承载力设计值(N)；φ为轴心受压构件稳定系数。

3)采用《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》验算单向压弯构件承载力，符合要求。

4)单向压弯构件整体稳定承载力采用《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》进行验算，符合要求。

5)双向压弯构件整体稳定承载力按照《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》进行验算，符合要求。

4.3 钢支撑验算

该结构体系采用箱形钢截面中心支撑，箱形钢支撑呈平面对称布置，即支撑1(支撑4)、支撑2(支撑3)、支撑5(支撑6)，首层支撑尺寸为B250×350×16×16，支撑1～6的应力比分别为0.39,0.47,0.53,0.3,0.55,0.55。

根据《建筑抗震设计规范》，建筑结构以小震不坏、中震可修、大震不倒为抗震设防目标。钢支撑对结构刚度贡献非常大，故对钢支撑补充中震弹性分析，钢支撑构件1～9的应力比分别为0.98,0.98,0.66,0.62,0.57,0.545,0.36,0.29,0.23，均≤1.0，满足中震弹性要求。

5 PEC构件加工及安装

5.1 构件加工

PEC构件的钢构件及填充混凝土均为工厂预制。工厂通过深化部门提供的构件深化图纸，在钢结构加工厂房依据构件尺寸加工钢骨部分，再流转到PC加工厂房，绑扎钢筋后浇筑混凝土，构件加工后粘贴二维码标识，转运至堆场区待运往施工现场。PEC梁加工过程如图12所示。PEC柱加工过程如图13所示。

图12 PEC梁加工过程

图13 PEC柱加工过程

5.2 现场安装

施工现场PEC柱利用连接耳板为吊装孔，进行两点起吊，根据柱身标注的安装方向及平面定位，吊到就位上方200mm时缓慢下落，就位后进行测量校正，使柱中心线与下面一段柱的中心线吻合，兼顾各端面。活动双夹板平稳插入下节柱对应的安装耳板上，穿好连接螺栓，连接临时连接夹板。临时固定柱后进行初校，复测与梁连接的牛腿标高，以便梁的安装，以牛腿作为标高基准进行定位。完成柱对接后，上下两节PEC柱腹板及翼缘焊接后割除临时连接板，完成柱的安装，再浇筑拼接段混凝土。梁柱连接节点如图14所示。

图14 梁柱连接节点

6 结语

以采用部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑结构的住宅项目为研究对象，对计算模型分析假定、PEC构件在计算软件中的建模方法、整体指标计算、构件验算要点进行说明，阐明构件工厂全预制化生产过程、现场全装配化施工流程，再使用BIM建筑信息化技术、全专业协同设计，对推广部分包覆钢-混凝土组合框架-支撑结构体系建筑设计提供参考。