浅析型钢混凝土的构件和节点设计研究【摘要】本文主要简述了型钢混凝土中空腹桁架转换结构的一些基本特性，并介绍了其节点设计应该注意的问题，可供同行参考。
【关键词】混凝土；转换结构；力学性能；楼板；计算；分析
1.工程概况
某工程建筑面积为5万多平方米,主楼抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为6度。
结构体系为钢筋混凝土框架，由主楼和附楼两部分组成。
主楼地下1层,地上11层,从室外地坪至大屋面高度54.5m。
主楼平面尺寸为99m×31m。
框架柱网为9.0m×8.5m,剪力墙墙厚沿高度分段减薄,从下到上为400~300mm,混凝土强度等级从下到上为c50~c40,底层主要的普通框架柱截面尺寸为800mm×
800mm。
主楼主入口处建筑要求1~3层为大空间,有2根框架柱被抽除,形成转换桁架。
结构设计中为满足建筑平面和立面要求在4,5层之间采用27m跨2层高叠层空腹桁架来承托上部结构。
框支柱采用抗震性能良好的型钢混凝土柱,并按规范对其地震作用进行放大。
空腹桁架杆件也采用了型钢混凝土,截面按拉弯和压弯构件设计配筋。
转换层以上钢筋混凝土框架的抗震等级为四级;转换层以下钢筋混凝土框架的抗震等级为三级,其中,框支柱和转换桁架的抗震
等级为二级。
全楼钢筋混凝土剪力墙的结构抗震等级为三级。
2.转换结构的选型和力学性能分析
本工程转换结构跨度27m,转换层上部层数较多荷载较大,普通
的宽扁梁转换不能满足承载力要求;斜柱转换和桁架转换传力明确、布置灵活、地震反应较小,是受力较为合理的转换形式。
建筑立面要求不能采用斜向构件,因此设计中否定了斜柱转换和带斜腹杆桁架转换方案,选取了空腹桁架转换。
经分析计算,最终选取了2层共9m高的叠层空腹桁架,而杆件选取了型钢混凝土以提高结构的延性和抗震性能。
叠层空腹桁架由弦杆及直腹杆组成,其杆件除承受弯矩和剪力外,还承受较大的轴力。
空腹桁架转换结构的上、下水平杆件具有相对较大的轴向压力和轴向拉力,其值随转换结构的结构布置形式的不同而有所不同。
在荷载作用下,空腹桁架受力均匀、传力明确、结构合理并经济性良好;其杆件截面较小,能有效避免梁式转换层
常见的“强梁弱柱”现象,有较大的延性和耗能能力,抗震性能优越。
设计空腹桁架时,按satwe作整体结构计算中将和空腹桁架相邻的楼板设为弹性楼板;同时,采用etabs对整体结构模型进行复核。
为了更明确地分析桁架构件的内力分布情况,还从整体模型中取出单榀模型,采用sap2000对单榀模型进行复核分析可以得到,空腹桁架下弦的弯矩、剪力和轴拉力最大。
3.转换结构的整体计算分析
转换结构上下层竖向构件不连续,竖向刚度发生变化而沿楼层
抗侧刚度的突变是影响高层建筑动力反应和引起局部破坏的主要
因素,因此计算时必须将转换结构作为整体结构的重要组成部分来进行整体计算分析。
结构分析分别采用了satwe和etabs两种软件,采用扭转耦联振型分解法,考虑p-△效应及双向地震作用。
整体计算分析时包括地下室。
主要计算结果见表1,结构的各项指标能满足规范要求。
表1主要计算结果
结构各层的侧向刚度均大于相邻上1层侧向刚度的70%以及其上相邻3层平均侧向刚度的80%,刚度比满足要求,塔楼无明显结构软弱层。
由于转换层设置在3层,按jgj3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)附录e.0.2的要求,其转换层上部与下部结构的抗侧刚度比?酌■宜接近1,抗震设计时不应大于1.3。
?酌■=?驻■h■/?驻■h■ (1)
对应satwe计算中,采用“剪弯刚度”方法计算,得到x方向刚度比为0.8596,y方向刚度比为0.8721,均小于1.3且接近1,满足规范要求。
同时,转换层设置在3层及以上时,按《高规》要求,其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。
对应satwe计算中需采用“层间剪力比层间位移算法”来计算层刚度,从而进行转换层侧向刚度比60%的下限控制。
经计算,转换层本层侧向刚度与相邻上一层楼层侧向刚度之比为1.14(x向)、1.25(y向),大于60%,满足规范要求。
空腹桁架构件采用型钢混凝土,框支柱采用型钢混凝土柱,框支柱及空腹转换桁架的抗震等级提高到二级,并将框支柱轴压比控制
在0.7以内,桁架截面按拉弯和压弯构件设计配筋。
型钢混凝土构件中钢骨采用满足抗震要求的钢材,强屈比大于1.2,并控制钢材屈服强度变化幅度。
空腹转换桁架所在楼层及其相邻下一层地震力按薄弱层要求放大1.15倍,并且空腹转换桁架传递给框支柱的地震内力放大1.25倍。
按照《高规》要求,每根框支柱所受的地震剪力至少取基底剪力的3%。
4.型钢混凝土的构件和节点设计
本工程转换结构跨度27m,为了提高结构的延性,构件材料选取了型钢混凝土,这种结构形式为结构设计提出了新的要求。
为了保证弯矩有效传递在和空腹桁架相邻普通混凝土梁内设置了一段钢骨;在空腹桁架上部混凝土柱中同样设置了构造钢骨。
桁架两侧转换柱中的型钢伸至基础底板。
空腹桁架下弦有很大的轴向拉力,型钢混凝土构件配筋和型钢截面均比中间层弦杆和上弦要大很多。
下弦的梁面钢筋配筋率为1.70%,梁底为1.47%,下弦的含钢率为3.7%。
型钢混凝土构件正截面承载力按照jgj138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》计算,型钢混凝土梁考虑轴力的作用,用拉弯和压弯构件计算,同时采用华东院自编的承载力计算软件进行复核。
此软件基于截面纤维模型的积分算法及截面的平截面假定,利用有限元原理,首先把截面离散成小单元,在每小个单元上根据材料本构关系由应变计算出应力,通过对每个单元应力的积分得出截面承载力参数及n-m相关曲线。
《型钢规程》中型钢混凝土压弯构件斜截面承载力公式为
v■≤■f■bh■+f■■h■+■f■t■h■+0.07n (2)
其混凝土部分抗剪承载力沿用旧的89混凝土规范,2002混凝土规范中斜截面受剪承载力已不用fc而改用ft,因此参考《型钢混凝土组合结构构造与计算手册》对型钢混凝土梁柱斜截面承载力用以下公式复核:
v■≤■f■bh■+f■■h■+■f■t■h■+0.07n (3)
5.转换层楼板的分析设计
结构中的楼板使竖向抗侧力构件协同工作,将作用在上部结构的水平力可靠传递到下部结构,起着非常重要的隔板作用。
（下转第75页）（上接第120页）因此,若楼板刚度模型选择不当,可导致结构整体计算精度不足、分析结果失真。
本工程中转换桁架水平力较大,在楼板平面内将产生较大的变形,这就要求转换桁架附近楼板按弹性楼板计算,即考虑楼板自身平面内的有限刚度。
桁架所在楼层相邻楼板厚度设计增加至180mm,并且双层双向加强配筋,而在计算中为了获得偏于安全的结果板厚取10mm。
标准层结构楼板长度100m,远远超过《混凝土结构设计规范》要求的伸缩缝最大间距。
为了减少温度和混凝土收缩的影响,并预防楼板在温度降低时受拉开裂而产生对转换桁架较为不利的影响,在板内配置预应力钢筋。
楼板混凝土强度等级为c40,板内配置直线束无粘结预应力筋,位于板厚中心位置。
无粘结预应力筋张拉端和固定端构造。
6.空腹桁架转换结构的设计原则
空腹桁架转换结构是整个建筑结构中的薄环节,应优先重视其抗震能力、耗能能力的设计叠层空腹桁架转换层的建筑结构抗震设计原则下所述。
(1)对于整个建筑结构的抗震设计,在满层间刚度比要求的前提下,应遵循“强转换”则,即强化转换层及其下部结构、弱化转换层部“结构”的原则,以保证转换结构及其下部大间结构有良好的强度、刚度、延性和抗震性能。
(2)对于转换结构本身,在满足杆件间合刚度比的前提下,应遵循强底梁、“强节点”原则底梁承受较大的拉力,应保持最底部水平杆件节点不形成破坏机构。
(3)转换结构上部的结构按强柱弱梁、强柱弱中柱!的原则,以使塑性铰优先在梁端产生确保柱有较高的安全储备,即有较高的承载能力以充分发挥弦杆的承载能力和变形能力。
(4)对于转换结构的截面设计,应遵循“强剪弱弯”的原则,以使构件发生延性较好的受弯破坏,避免发生延性较差的剪切破坏。
7.结语
该种转换体系结构合理、传力明确、结构承载力高,能够较好地满足建筑功能要求,型钢混凝土空腹桁架的承载能力和延性明显优于普通混凝土转换结构。
在设计中,须重视楼板计算模型对桁架受力的影响,重视叠层空腹桁架下弦型钢混凝土杆件在重力荷载下的控制以及其轴力的影响,适当加大下弦的含钢率和配筋率;考虑型
钢混凝土组合结构的特点,做好连接节点设计,保证节点构造合理可靠以满足受力性能的要求。