钢框架-混凝土剪力墙结构设计应用

钢框架-混凝土剪力墙结构设计的应用摘要：随着我国城市化建设的发展和建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。本文根据工程实例，介绍了钢框架—混凝土剪力墙结构兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低的优点，充分利用钢结构的钢材强度高的特点。

关键词：高层建筑；结构设计；问题

0前言

钢框架—混凝土剪力墙结构是将钢筋混凝土剪力墙与钢框架通过铰接或钢接的方式并联使用，以钢筋混凝土剪力墙作为主要的抗侧力结构，外围钢框架则主要承受竖向荷载。

1 工程概况

某高层建筑的首层建筑面积约3468om2，地下室为12640m2。该工程是3层地下室，为设备用房和停车库，地面以上2o层，主要为办公用房。主楼平面在1o层以下呈十字型，南北两翼在第11层、第14层以上分别向内收，14层以上为矩形平面，南北两边沿弧线向上逐渐收进。建筑物高度为80.65m，属a级高度的高层建筑，采用钢框架—混凝土剪力墙结构，主要抗侧力体系为位于两侧的钢筋混凝土简体，中部的承重柱采用钢管柱，内填素混凝土，楼面为钢梁和压型钢板组合楼盖。

2 主体结构设计

2.1 结构体系的特点

(1)本工程塔楼由两侧的钢筋混凝土简体作为主要的抗侧力体

系，中部的柱主要承受结构的垂直荷载，结构平面布置对称均匀，总体上具有良好的抗侧刚度。但由于建筑物中部是框架结构，剪力墙的间距较大，中部的刚度较弱。图1、图2为该工程的平面。

图1 二层平面

(2)竖向不规则：塔楼在第11层、第14层均有局部收进，收进的水平面尺寸大于相邻下一层的25％，属于竖向不规则体型。

图2 标准层平面

(3)从14层起，塔楼宽度沿竖向弧线逐渐收窄，外沿两排钢管柱随竖向弧线变化为弧形柱。弧形柱对结构的受力及抗震均不利。

(4)两端简体在75.55m以上的地方也随建筑立面线条的变化逐渐收窄。

(5)超长混凝土结构：地下室纵向长度75.40m，标准层长68.80m，楼面结构较长，必须采取有效措施防止温度应力使混凝土产生开裂。

(6)节点的设计与构造将是本工程技术上的关键及难点。

2.2 结构概念设计

该工程剪力墙抗震等级为一级、钢框架抗震等级为二级。

(1)为了加强地下结构部分对地上塔楼的约束及加强整体刚度，两侧的钢筋混凝土简体外墙厚为400，内墙厚为300;地下2～3层为钢管混凝土柱外包混凝土(ф700×20)， 0.o0以上框架柱采用钢

管混凝土柱(ф600×18、ф600×16)；楼面结构采用工字钢梁和压型钢板组合楼盖，从而控制各层框架柱所承担的地震剪力不少于结构底部总剪力的25％和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值，保证框架有一定抗震能力。

(2)为了满足地下室部分标高变化复杂的错层和尽量增加楼层

净空要求，地下室及首层采用钢筋混凝土梁板结构。地下一层还运用了无梁楼盖设计，板厚15o，柱头加柱帽以提高抵抗冲切的能力。

(3)各层钢管柱在楼层h+o.800处连接，接口处采用12厚内衬管，在距离接口下方5omm处增设环形隔板，对钢管柱起到有效的加劲作用。

(4)在建筑物中部设置一道施工后浇带，并通过控制混凝土配合比，减少水泥用量和用水量，掺加粉煤灰和合适的外加剂，降低混凝土水化热，适当增加楼板配筋率，防止温度应力使混凝土产生开裂。

(5)节点的设计。h型钢梁与钢管混凝土柱采用外连式水平加劲环梁连接。加劲环梁与钢管柱在工厂焊接好后，在工地上与钢梁的腹板用高强螺栓连接，与梁翼缘用熔透的对接焊接连接。钢梁混凝土核心简的连接按铰接设计，以减少钢框架与核心筒之间可能发生的竖向差异变形而导致的节点内力。在混凝土墙内预埋钢板埋件，在钢梁安装前将t型钢作为连接件，按正确位置焊于混凝土墙的预埋件上，在通过高强螺栓将抗剪连接板与钢梁腹板相连。

2.3 结构计算分析

本工程采用中国建筑科学研究院编制的《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》satwe进行结构计算，考虑地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。satwe采用空间杆一墙元模型，用振型分解反应谱法计算地震作用，考虑平扭耦连计算。

计算参数的确定：

(1)抗震设防烈度为ⅶ度，场地土类别为ⅱ类，振型数取15，考虑双向地震作用。

(2)基本风压值 =o.50kpa，地面粗糙度为c类，风载体型系数取us=1.4。

(3)阻尼比:由于本工程框架柱采用钢管柱，建筑结构的阻尼比按照混合结构的要求取。

(4)框架剪力调整系数:该系数取0.25(根据jgj99—98)，以确保结构在中、大震下剪力墙的刚度退化后仍有足够的安全度。

结构稳定性验算满足规范的要求，并且可不考虑重力二阶效应的影响。下表为结构位移及内力计算结果。

从satewe计算结果分析可知，主体结构对地震反应及风荷载作用的反应是正常的，结构的自振周期、位移、地震力均控制在规范允许值及经验合理取值范围内，振型曲线正常，这说明本工程的结构体系是合理的，采取的抗震措施是有效的。

3 材料与构造

3.1材料

(1)钢材:钢管柱、钢框架梁及钢次梁选用q345b低合金钢，所有钢材必须满足屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击试验和冷弯试验五项基本保证。

(2)焊接材料:手工焊时，q345钢采用低合金钢焊条e50系列。工厂制作时，自动理弧焊和熔嘴电渣焊所选的焊材均要求与母材匹配。

(3)高强螺栓:采用钢号为2omntib钢的1o.9级扭剪型高强螺栓。

3.2构造

(1)钢管柱柱脚:采用埋入式钢柱脚，埋入深度为柱管径的3倍，外围焊抗剪栓钉，内埋混凝土，埋入部分顶部设环形钢板，钢板下面焊n型钢筋，沿环向均匀分布。详见图3。

(2)钢框架节点:钢梁通过水平加劲环梁与钢管柱连接。详见图4。

(3)预埋件:为了保证混合结构钢梁与混凝土墙划节点额设计安全性进行钢梁与混凝土墙连接节点设爿时，节点连接及预埋件除承受重力荷载引起的剪力v和偏心力矩m二ve外，还考虑了由地震引起的轴力nb。详见图5。

(4)压型钢板组合楼板:压型钢板除作永久性模板外兼承受不超过3o％的总拉力，其余拉力由钢筋承受。除验算使用阶段的承载