高层钢 混凝土混合结构体系分析

高层钢混凝土混合结构体系分析
摘要:介绍了高层钢—混凝土混合结构的构成和特征,提出了混合结构体系的分析方法、存在的问题以及其研究动态。

关键词:高层建筑钢—混凝土混合体系弹塑性分析
钢—混凝土组合构件是由外包钢管(圆形或矩形)和内灌注混凝土组成的钢管混凝土构件。

钢管混凝土由于钢管与核心混凝土之间相互作用力一紧箍力的存在,使钢管和核心混凝土都处于三向应力状态下。

在轴压作用下,钢管纵向,径向受压而环向受拉;而混凝土三向受压,使其抗压强度提高,由脆性材料变为塑性材料,基本性能起了质的变化。

有试验结果证明[1],构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征,在水平荷载反复作用下,P—△滞回曲线十分饱满,延性好,吸能多,且刚度退化现象很小。

同时薄壁钢管内部由于存在混凝土而提高了局部稳定性,其屈服强度可以充分利用。

组合构件抗压承载力约为钢管和核心混凝土单独承载力之和的1.7～2.0倍,即NSC=(1.7～2.0)(NS+NC)。

可以说,两种材料优势互补,钢管混凝土构件实现了钢材与混凝土的最佳组合使用。

1 高层钢—混凝土混合结构的构成和特征
1.1 高层钢—混凝土混合结构构成
高层钢—混凝土混合结构是由钢构件和钢筋混凝土构件以某种
连接方式共同组成结构体系的一种新的结构类别[2]。

(l)其结构体系中的承重构件和抗侧力构件,根据其承力要求,分别采用钢(或钢管混凝土、型钢混凝土)构件和钢筋混凝土构件。

(2)结构体系中的钢构件和钢筋混凝土构件,通过各楼层的板、梁和伸臂桁架之类水平构件连为一体,共同承担作用于楼房的水平荷载和竖向荷载,并按照它们各自的抗推刚度和荷载从属面积进行分配。

常用的高层钢—混凝土混合结构承重和抗侧力体系主要有下列几种形式:
(1)钢框架—混凝土内筒(剪力墙)体系。

可将混凝土剪力墙沿纵向及横向分散布置成L或T形等形状,对楼梯间及电梯间可形成小筒并与上述剪力墙构成主要的抗侧力结构。

对于框架,沿建筑物周边应形成刚接相连的钢框架结构,它主要承担竖向荷载,同时承担一定比例的水平荷载;在建筑的里侧可布置成梁、柱刚接的钢框架,也可布置成梁、柱铰接相连的钢框架结构,使它仅承担竖向荷载。

钢框架与混凝土内筒(剪力墙)通过楼面结构相连而共同工作。

楼面结构常采用钢梁上铺设压型钢板或预制混凝土板,再在其上现浇混凝土板,以加快施工速度。

(2)带伸臂桁架的钢框架—混凝土内筒体系。

带伸臂桁架的钢框架—混凝土内筒体系的构成,与带伸臂桁架的框架—内筒体系基本相同,但由于前者的伸臂桁架通常是组合钢构件,与混凝土剪力墙相连时,其连接构造要求有所不同。

与伸臂桁架相连的剪力墙平面内,设置藏
于墙内的暗桁架,暗桁架的两端设置钢暗柱,以便于与伸臂桁架连接,同时使伸臂桁架的杆端力传递保持连续性,避免杆端部位的墙体中产生应力集中。

(3)巨柱框架—混凝土内筒体系。

巨柱框架—混凝土内筒体系是通过设置巨型组合柱,使带伸臂桁架的钢框架—混凝土内筒体系的侧向刚度得以进一步提高的一种结构体系。

超高层建筑中采用这类体系时有可能降低工程造价,而且其侧向刚度也易于符合设计要求。

此外,一些超高层建筑的建筑造型要求有向里收进的效果时,结构处理上也可通过巨型柱截面高度的减小而向里收进,从而避免采用转换梁或梁托柱的处理方法。

此外,在高层建筑使用的混合结构还有钢筋混凝土外筒/型钢混凝土外筒—钢框架混合结构体系、支撑筒混合结构体系、竖向混合结构体系和钢筋混凝土筒体—悬挂混合结构体系等,对于混合结构体系在建筑工程的应用,应不拘一格,能够满足建筑功能要求和可靠性要求的就是好的混合结构形式。

1.2 高层钢—混凝土混合结构特征
钢—混凝土混合结构可形成优势互补。

钢构件具有材料强度高、延性好、截面尺寸小、能跨越较大跨度等优点,但用作竖向构件时,其抗推刚度相对较小。

钢筋混凝土墙体或筒体,则具有较大的抗推刚度和较高的抗剪承载力。

高层建筑采用钢构件和钢筋混凝土构件两者兼
有的混合结构,利用钢筋混凝土墙(筒)提供抗推刚度和水平承载力,利用钢构件承担竖向荷载,则兼备钢结构和混凝土结构的优点。

(1)侧向刚度大于钢结构。

钢—混凝土混合结构由于设置一定数量的钢筋混凝土剪力墙或核芯筒作为主要抗侧力结构,其侧向刚度大于一般钢结构,会大幅度地减小风荷载作用下的建筑物侧移和风振加速度。

(2)抗震性能优于混凝土结构。

位于地震区的高层建筑,当采用钢—混凝土混合结构,将外圈框架或框筒改用钢构件或组合构件,可加大结构的延性,提高结构的抗震可靠度。

(3)减少用钢量。

高层建筑采用钢—混凝土混合结构,即保持了钢结构截面尺寸小的优点,又在不增大用钢量的情况下,加大了结构体系的抗推刚度,造价还有所降低。

统计分析表明[9],其用钢量约为钢结构的75%。

(4)结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。

根据我国国情,钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构。

钢—混凝土混合结构钢材用量小于钢结构,又可节省部分防火涂料费用,因此,钢—混凝土结构的造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。

(5)施工速度比钢筋混凝土结构有所加快。

钢—混凝土混合结构的施工特点,可将混凝土核芯筒安排先行施工,且施工进度也安排快于周边钢结构的安装。

同时在钢—混凝土混合结构中的柱、梁采用钢构
件或组合构件,楼板结构采用在压型钢板或预制板上现浇混凝土。

因此,钢—混凝土混合结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构,施工周期缩短。

(6)结构面积小于钢筋混凝土结构。

随着建筑层数的增多，结构体系的框架柱内力将达到很大数值。

若采用钢筋混凝土柱，其截面尺寸会达到难以接受的程度，不仅占用较多的建筑使用面积，而且不便于建筑平面布置，给楼层使用带来困难。

试验和分析结果表明[1]：用钢管混凝土柱替代钢筋混凝土柱，将减小柱子的截面尺寸，从而取得良好的使用效果。

由于钢—混凝土混合结构中组合柱或钢柱承担较小的水平剪力，其截面甚至可小于钢结构中的柱子。

(7)发挥组合构件的强度和刚度作用。

钢—混凝土混合结构工程中采用矩形截面及圆形截面的钢管混凝土柱组合构件,既提高了柱的承载力,又提高了柱的抗推刚度和相应的结构侧向刚度,也有利于提高柱的防火能力。

2 高层钢—混凝土混合结构体系分析方法
2.1 高层钢—混凝土混合结构简化平面分析方法
对于混合结构动力特性及地震反应分析方法的研究,通过进行某些简化假设,一些学者进行了富有成效的工作。

基于不考虑楼板变形
且建筑刚度中心与其质心重合,水平地震作用(如图1)
下无绕竖轴扭转发生的假定下,赵西安借鉴层模型进行混合结构的弹塑性动力分析,将钢框架和混凝土剪力墙分别视作分层多质点体系,组成并联双列质点串模型(图1),用直接积分法求解动力方程,得到地震过程中结构动力反应值。

李国强等人先后提出了弹塑性分析的简化平面计算模型和分区藕合计算模型[3-4]。

简化平面计算模型分别在结构平面的主轴方向上,将混合结构分解为钢框架和混凝土核心筒两部分并联工作(图2)。

为简化计算,再把平行于地震方向的每榀钢框架按一定的折算规则简化为相应的半刚架,而混凝土核心筒则按一定规则等效为平面弯剪构件,按层划分为单元,采用宏观墙单元模型,半刚架和混凝土墙体通过刚性连杆协同工作。

对结构的整体P—△效应,采用一列竖向受载杆与上述简化结构并联。

分区藕合计算模型将混合结构分解为钢框架和剪力墙部分,利用有限元模型计算精度高和有限条模型计算量少的特点,钢框架用杆系模型,而对混凝土剪力墙在有可能发生塑性变形的底部采用
有限元模型,对只产生弹性变形的上部采用有限条法,通过藕合不同区域界面上的力、位移协调,最终再利用结构各楼层水平位移协调条件求解（如图2）。

程绍革等人利用平面杆系模型将混凝土核心筒等效为宽柱框架,与钢框架进行协同分析。

该分析模型应用于北京国贸中心二期工程的弹塑性时程分析。

刘坚提出了混合结构动力特性及地震反应研究的超级单元计算模型[5]。

该模型与楼层划分单元,把连续化方法与有限元离散化方法结合,并考虑了钢框架部分的节点柔性,P—△效应的影响因素。

2.2 高层钢—混凝土混合结构空间问题分析方法
许多商业结构计算软件的新版本都增加了静力弹塑性分析方法功能,国外的如SCM3D、DRAIN-TABS、SAP2000、ETABA等;在国内的应用程序中,清华大学土木系研发的弹塑性分析程序NTAMS也可以进行分析（如图4）。

秦荣以变分原理及样条离散化为基础,提出计算高层建筑的样条子域法和QR。

对于钢框架考虑了材料非线性和几何非线性,并考虑楼板变形,利用钢框架和剪力墙的混合子域和QR法,通过子域之间边界力和位移协调条件,可以建立一种钢—混凝土混合结构体系新的分析方法(图3、4)。

利用样条边界元法—QR法或样条无限元—QR法导出混合结构体系地基—基础—上部结构共同作用的计算格式。

先用QR法(样条子域法)建立上部结构的控制方程,其次用QR法(或样条子域法)建立基础的控制方程,再其次用QR法(或样条子域法)建立地基的控制方程,最后利用交界面上的协调关系,将上部结构、基础及地基的控制方程藕合起来求解。

3 高层钢—混凝土混合结构存在的问题和研究动态
钢—混凝土混合结构是由钢构件或组合构件和钢筋混凝土构件共同组成的结构体系,因为这两类构件物理性质的差异,当它们受力而又协同工作时,会引起构件之间力的分配、结构体系的抗火性能和重力荷载下竖向构件之间差异缩短等问题。

(l)地震力在两类构件之间分配,应考虑不同时段两类构件抗推刚度相对比值的变化。

钢—混凝土混合结构中现在采用的主要结构体系为钢框架—混凝土剪力墙(内筒)体系,其中钢筋混凝土内筒为主要抗侧力结构,钢框架主要承担重力荷载,承担较小的水平剪力。

为符合结构裂而不倒的要求,需要调整钢框架部分的承担的水平剪力,并采取措施提高混凝土内筒的延性。

(2)研究由组合柱和钢梁形成的钢框架的抗火性能。

一方面,钢管混凝土组合构件由于管内混凝土的吸热效应,使其抗火性能大大优于纯钢构件;另一方面,对于由组合构件和钢构件形成的框架其整体抗火
性能与单一组合构件的抗火性能有很大的差异。

(3)解决混凝土内筒的施工误差和竖向构件差异缩短问题。

现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏差常大于施工规范的规定,而混凝土施工规范规定的误差限值也大于钢结构施工规范规定。

当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连接时,这些预埋件在平面和竖向标高的位置,不仅受混凝土墙体偏移的影响,而且受预埋件移位的影响,其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围。

因此,宜在设计上采用适应性较好的连接方法。

参考文献
[1] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3] 周向明,李国强.高层钢—混凝土混合结构弹塑性地震反应简化分析模型[J].建筑结构,2002(5).
[4] 李国强.高层建筑钢—混凝土混合结构分区耦合分析模型及开裂层位移参数分析[J].建筑结构,2002(2).
[5] 刘坚.基于超级单元的钢—混凝土结构动力特性及地震反应研究[J].地震工程与工程振动,2003(l).。