型钢混凝土结构整体构造分析

型钢混凝土结构整体构造分析
摘要：型钢混凝土结构由于众多优点，在我国得到了广泛的应用，虽说各方面的设计技术理论与技巧实践在不断的完善改进和深化应用，但还需对其进行研究总结，以指导具体实践，文章主要根据相关规范和经验，结合实际工程，从结构设计视角分析出了型钢混凝土结构的构造措施。

关键词：型钢混凝土；设计；构造
型钢混凝土结构由于其承载力高、抗震性好、耐久性强等众多优点，而在高层建筑及超高层建筑中得到了广泛的应用，若将其与钢结构以及钢筋混凝土结构，有效的结合应用，将建成性能更好、经济效益更高的建筑，文章则其于此目的分析以下工程实例的型钢混凝土结构构造方法。

1工程概况
该工程基地面积约15918m2，总建筑面积139475m2。

地下三层、地上裙楼两层托两个高层塔楼，裙楼主体结构形式为钢筋混凝土框架结构。

两个塔楼分别为A座47层，主体结构形式为钢筋混凝土框架—核心筒结构，加部分落地剪力墙，A座塔楼室外地面至主要屋面的高度为163.2m。

B座34层，主体结构形式为钢筋混凝土框架—核心筒结构。

本工程A、B座高层主体结构属于平面规则、竖向不规则结构，A座属于超高建筑，A座塔楼属于B级高度高层，B座塔楼属于A级高度高层。

整个建筑物高宽比均满足规范要求。

基本风压按100年重现期取值为O.75kN/m2，风荷载体形系数短向为1.35，长向为1.2，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为O.19，地震分组为第一组，特征周期为0.35s，结构阻尼比为O.04，水平地震影响系数最大值为0.08，建筑场地类别为II类，无液化地基。

根据建筑平面设计及考虑结构抗侧能力采用框架—核心筒结构，建筑主体高度163.2m，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，己超过普通钢筋混凝土结构的最大适用高度，经过初步计算，最大柱底内力达68 000kN，若采用普通钢筋混凝土结构，混凝土强度等级按C60考虑，底层柱截面为2000mm×2000 mm，占用了较大的建筑使用空间，直接影响了建筑功能；同时，柱的剪跨比过小，必然使其延性变差。

综合以上因素，考虑到型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，决定主体结构采用型钢混凝土柱—钢筋混凝土筒体结构，17层以下设置型钢混凝土柱。

型钢混凝土柱的底层截面外包尺寸为1500mm×1lOOmm，内部型钢芯柱为焊接工字型钢，由Q345钢板焊接而成，尺寸为1000mm×700mm×36mm×20mm，含钢率为4.3％；外围钢筋采用30根HRB400的直径为28mm的钢筋，配筋率为1.12％；箍筋采用HRB335直径为14mm的钢筋，间距lOOmm，体积配箍率为1.5％。

核心筒采用普通钢筋混凝土，在简体四角设置型钢柱，保证混凝土简体具有足够的延性，避免混凝土简体剪力墙在弯曲时发生平面外错断。

2型钢混凝土结构构造分析
2.1梁柱节点的构造形式
在该建筑设计中节点主要有两种形式：钢筋混凝土梁和型钢混凝土柱的节点；型钢混凝土梁和型钢混凝土柱的节点。

2.1.1钢筋混凝土梁和型钢混凝土柱的节点
连接型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁的节点时，梁筋应尽量在柱型钢两侧通过，对于必须与柱中型钢相交的钢筋，梁筋在柱型钢两侧断开，通过套筒或牛腿与柱的翼缘可靠的连接。

并在柱型钢翼缘之间，梁筋水平处设置加劲肋，为了便于浇灌节点核心区的混凝土加劲肋可以不是通长的，仅在柱型钢翼缘附近一段长度内局部设置，此时节点抗剪强度不应考虑翼缘框的作用。

对于加劲肋的设置，要求加劲肋的强度应不小于梁钢筋换算后的强度，这样才能保证梁翼缘的拉力能可靠地传递到节点，并可防止柱型钢翼缘板发生局部弯曲。

在该工程中，根据实际情况，节点形式主要有以下3种：其一，柱的翼缘较窄，梁所有纵筋都从柱型钢翼缘边通过，又不穿过腹板。

其二，梁内钢筋较多，梁内部分主筋穿过型钢混凝土柱连续配置，部分主筋可在柱两侧截断，与型钢混凝土柱伸出的钢牛腿可靠焊接，钢牛腿的长度满足焊接长度的要求；或者部分主筋在柱的两侧截断，与事先在工厂加工型钢混凝土柱时焊在型钢柱上的套筒连接。

其三，在该种节点中，梁纵筋采用贯通的形式。

削弱的柱翼缘由角钢进行补强，角钢与钢板的组合形成钢牛腿。

2.1.2型钢混凝土梁和型钢混凝土柱的节点
型钢混凝土柱型钢混凝土梁的连接均宜采用柱钢骨贯通型，尽量避免梁纵向钢筋穿过型钢柱翼缘，无法避免的话采用套筒连接，并尽量减少梁纵筋穿过型钢腹板的数量，使柱型钢腹板因开孔而造成的截面损失率不大于25％(超过时应采取补强措施)。

梁内型钢与柱内型钢在节点内采用刚性。

连接节点处柱的型钢对应于梁型钢上下边缘位置处设置水平加劲肋，厚度应与梁端型钢翼缘相等，且不小于12mm，水平加劲肋应在角部设置排气孔以方便混凝土的浇筑。

目前梁柱型钢问的现场连接主要采用两种方式，即栓焊混合连接和全螺栓连接。

该工程中采用全螺栓连接方式，型钢混凝土梁柱的型钢连接采用带悬臂段的全螺栓连接，即在工厂内，采用全焊缝连接将一小段钢梁(悬臂段)焊于柱的型钢上，在工地现场，梁钢骨的腹板与悬臂段腹板、翼缘用高强度螺栓相连。

这样做避免了高强度螺栓孔与柱箍筋穿孔靠近的情况，以避免由于两排孔靠得过近而发生梁型钢腹板沿孔洞连线的撕裂。

为保证工程质量，在浇捣过程中应注意在型钢柱四周均匀下料、振捣。

避免骨料和浆液出现分离现象，避免由于混凝土侧压不均造成的构件偏移。

翼缘板下部气泡从钢梁两侧排出。

梁、柱混凝土浇捣时，均应注意防止在型钢翼缘底面及
加劲肋隔板底面形成死角，并且施工应加强振捣，注意养护。

2.2型钢混凝土柱构造
为防止型钢侧向失稳和柱子剪切粘结破坏，在设计中采取了如下一系列措施：一是加强混凝土的侧向约束，即加密箍筋及其良好的锚固，必要时如在柱脚位置进行焊接。

二是采用宽翼缘型钢并局部加强型钢与混凝土之间的粘结，加焊横隔，以提高型钢的侧向刚度。

三是采用高强度型钢Q345以保证不先于纵筋屈服。

四是在型钢侧面加焊抗剪栓钉，以防止型钢与混凝土之间产生粘结滑移。

2.3型钢混凝土柱脚构造
在该工程中，由于建筑物有三层地下室，抗震等级为一级，所以地下一层抗震等级为一级，地下二层及地下三层抗震等级为三级，三级抗震对轴压比的要求远比一级抗震宽松，所以地下二层及地下三层柱中不设置型钢，为钢筋混凝土柱。

虽然本工程嵌固部位选在一层地面，但考虑到地下一层仍为一级抗震，框架柱底部弯矩仍很大，所以将型钢构造向地下二层延伸一整层，计算时不予考虑，地下二层型钢的断面尺寸仅考虑连接即可，地下二层型钢构造按埋入式柱脚做法，以保证柱脚的嵌固，如在地下三层柱顶埋入钢板以连接上部型钢钢骨，设置柱脚锚裣，地下二层全层在型钢翼缘外侧设置抗剪栓钉，栓钉为Φ19@200，以保证型钢与混凝土整体工作等。

对于埋入式柱脚，由于型钢侧面与混凝土之间存在支承反力，只有埋深足够，才能充分发挥型钢的抗弯能力，因此对于地下一层、二层与型钢混凝土柱相交的梁的高度不得小于柱内型钢高度的1.3倍，且在梁内附加型钢，并将梁内型钢与柱内型钢焊接，对于部分梁在端部水平、垂直加腋。

通过上述措施，保证了在地震水平力作用下，梁对柱内型钢能提供可靠约束。

针对两个抗震等级为特一级的框支柱，考虑其可靠性及安全性将其中型钢向下延伸到地下三层，即将柱脚作于基础顶面，要求埋身的高度大于型钢高度三倍，具体做法参考中国建筑标准设计研究院的《型钢混凝土组合结构构造》图集中的埋入式柱脚的做法。

2.4钢筋与型钢相交构造措施
（1）型钢混凝土柱内主筋与梁内型钢相交的措施。

柱内主筋不切断，通过塞焊解决与梁内型钢相交问题，也避免了在梁内型钢上下翼缘钻孔削弱承载力。

（2）型钢混凝土梁或钢筋混凝土梁内钢筋与型钢混凝土柱内型钢相交的措施。

采用套筒将梁内钢筋连接于型钢柱上或将梁内钢筋焊接于牛腿上。

（3）剪力墙中竖向纵筋与型钢混凝土转换梁相交措施。

剪力墙中竖向纵筋穿过型钢梁的上翼缘，伸到型钢混凝土梁内的距离要满足锚固要求，在穿越上翼缘时，如果完全在上翼缘钻孔的话会削弱型钢梁的承载力，所以采用一纵筋钻孔
穿过，一纵筋塞焊相互交替的构造措施。

3型钢混凝土结构整体计算分析
3.1SATWE计算结果分析
由计算数据可知，该结构各项指标均符合高规的要求，周期比和位移比均满足规范，较好的控制了结构的扭转效应：各层楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的70％，或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％，结构竖向布置规则，无薄弱层；层间位移角及结构顶点最大加速度限值基本符合规范，满足了结构侧向刚度和舒适度的要求；刚重比大于1.4，保证了高层建筑结构的整体稳定；刚重比大于2.7，可不考虑重力二阶效应。

另外，时程分析计算结果的平均值均不超过震型分解反应谱法的计算结果，不需要调整楼层构件的断面和配筋。

3.2弹塑性时程分析
弹塑性时程分析使用BEPTA软件，加载顺序为竖向荷载(静+活)，然后地震水平作用，其中曲线峰值取2.2m/s2。

结构x向、Y向的结构能力谱均与结构需求谱相交，表明结构的抗倒塌能力足够，能够抵抗罕遇地震作用，保证“大震不倒”；且在罕遇地震作用下(即平衡点)结构的最大侧向位移满足规范规定的水平位移限值和舒适度要求。

结构基本上没有扭转效应，结构的第一批塑性铰出现在局部楼层梁上。

随着水平力的增大，底部剪力墙进入塑性，而且在此后的过程中，底层的剪力墙始终处于比较薄弱的部位，但由于四周的型钢混凝土柱绝大部分没有进入塑性，因此仍然能够继续承载。

结构的最终破坏机制为底部剪力墙达到塑性极限变形破坏。

极限状态时，简体四周的型钢混凝土柱基本上未进入塑性。

3.3在整体计算中的构造措施
在一级抗震轴压比的控制下，基本能够避免柱的剪跨比小于2。

我们从以下几个方面保证柱的延性。

第一，控制轴压比，在规范限值基础上再减0.1；第二，柱全高范围内箍筋加密，箍筋间距为100，箍筋肢距小于200，并采用井字复合箍，体积配箍率不小于1.2％；第三，限制柱中纵向钢筋配筋率，每侧纵向钢筋配筋率不大于1.2％。

除此之外其他控制措施还有对边柱、角柱和剪力墙端柱纵向钢筋总面积在计算结果基础上增加25％，角柱箍筋全高加密。

剪力墙作为结构的第一道防线，要保证足够的延性和耗能能力。

对剪力墙我们从如下几个方面进行了控制：剪力墙加强区取地下室顶板以上H/8范围，同时高出裙楼一层，并延伸至地下一层，加强区设约束边缘构件。

约束边缘构件在箍筋范围内的纵筋配筋率不小于1.2％，体积配箍率严格按照高规的配箍特征值计算并控制，箍筋间距为100。

控制剪力墙的剪应力并控制连梁的跨高比大于2小于5，连梁箍筋间距全长100。

本工程筒体是剪力墙中的主要部分，我们在简体角部沿全高设置了约束边缘构件，构件长度取墙长的1/4，在加强区内全部采用箍筋，角部边缘构件中加设
型钢。

另外对型钢混凝土柱过渡为钢筋混凝土柱的过渡层，我们采取分层过渡的方法，即将所有的型钢混凝土柱分四批过渡，每层只将部分型钢混凝土柱转换为钢筋混凝土柱，这样可以保证层刚度不至于发生突变，控制各相邻层的层刚度相差不超过30％，同时在过渡层满布栓钉。

4结语
在该工程型钢混凝土结构设计完成之后，经过专家委员会评审，整个选用的结构布置规则、合理，满足规范和抗震设防要求。

但根据实际情况还需加强框架部分的构造措施，以保证框架作为第二道防线的安全。

进入施工图阶段，仍然要坚持明确的设计原则，以保证建筑结构的安全稳定及相关性能。