型鋼混凝土柱在高架庫結構設計中的應用

鄺鐘月

(中國輕工業成都設計工程有限公司，四川成都610015)

1 工程概況

甘肅煙草工業公司新建高架庫位于蘭州市七里河區馬灘，南濱河中路。地上1層，局部2層，建筑長90.5 m，寬31.7 m(柱距24.9 m，屋面懸挑6.8 m)，高度23.350 m。主體結構采用型鋼混凝土框架結構，屋面采用輕型鋼屋面。基礎采用人工挖孔樁基礎，樁基采用1 100 mm，1 300 mm，1 500 mm等直徑的人工挖孔樁，柱長7 m，以中密卵石層(中密-密實，未穿透，參考變形模量Eo=45.0 MPa)為樁尖持力層，樁端土的極限端阻力為3 800 kPa。基礎沉降計算值為0。上部結構，柱800 mm×1 100 mm,C40混凝土。柱中型鋼Q345B：H800×500×14×24。本工程設計使用年限50 a，結構安全等級二級，抗震設計烈度8度(0.2g)，第三組。場地類別Ⅱ類，特征周期0.45 s，抗震設防類別丙類，結構抗震等級為：二級。基本風壓值W0=0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2 整體結構體系形成和具體措施

2.1 整體結構體系

本工程為高架庫建筑，為滿足工藝的要求，此類建筑形式呈現出空曠、屋面跨度大、單層高度較高的特點，通常采用排架結構形式來計算。本工程高架庫高度(23.35 m)，跨度較大(24.9 m)，若采用門鋼形式，鋼柱平面內長細比較大，穩定性差。為了滿足此要求，鋼柱截面較大(大約1 200 mm)，建設方也不同意采用鋼結構，因為與原有建筑外立面不好統一處理，整體看起來不協調。而且采用鋼結構，其內部裝修亦困難。從抗震受力角度考慮，該工程位于地震高烈度、高風荷載地區，若仍采用排架結構，其質量和剛度均不規則，空間整體性能差，從而導致其抗震性能較差。

上述從結構整體的抗震性能角度分析。下面從單個構件的計算來分析：若僅采用鋼筋混凝土柱，則柱頂與鋼梁的連接通常只能做成鉸接，削弱了屋面系統與主體混凝土結構的連接，也減弱了結構的整體性，進而影響整體結構的抗側剛度。又由于柱子底端固接頂端鉸接，其計算長度系數增大，截面也會隨之變大。有鑒于此，考慮高架庫主體結構采用型鋼混凝土框架結構，由型鋼混凝土柱和周圍幾層鋼筋混凝土聯系梁構成主體，屋面采用輕鋼屋蓋系統。如此處理，型鋼混凝土柱在屋面處便可與鋼梁作成剛接，即與屋蓋系統剛接，從而可形成一個整體的單層純框架結構體系。

2.2 具體計算處理措施

采用PKPM來計算整體結構，按框架結構指標來控制。為了加強結構的整體性和空間剛度，采取下列措施。

2.2.1 控制結構空間的整體剛度

沿著整個結構外圍沿高度每隔4 m左右設置一圈鋼筋混凝土聯系梁，連接鋼骨混凝土柱，以增強主體結構的整體剛度。同時用聯系梁承受外墻磚和屋面女兒墻的荷載；鋼結構屋面滿布剛性支撐，以增強屋面的剛性和整體性。

2.2.2 控制結構抗側剛度(滿足位置限制要求)

采用SPSS 18.0軟件對研究數據進行統計學分析。計量資料以± s表示，率的比較用χ2檢驗。對高代謝病灶的SUVmax值與病理及隨訪確診結果進行秩和檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。根據表1診斷結果計算18F-FDG PET/CT的診斷效能（a、b、c和d分別代表其標注的患者數），敏感度（%）＝a/（a＋c）×100%，特異度（%）＝d/（b＋d）×100%，準確率（%）＝（a＋d）/（a＋b＋c＋d）×100%，假陽性率（%）＝b/（b＋d）×100%，假陰性率（%）＝ c/（a＋c）×100%，陽性預測值（%）＝a/（a＋b）×100%，陰性預測值（%）＝d/（c＋d）×100%。

在柱頂處鋼骨混凝土柱與屋面鋼梁進行剛性連接，尤其是懸挑處的鋼梁與鋼骨柱的剛性連接更需加強；整個屋面布置剛性屋面支撐，尤其是懸挑部分的屋面也設置屋面剛性支撐。

2.2.3 控制扭轉不規則

由于整個廠房Y方向較長，在地震作用或風荷載作用下容易在長方向產生扭轉位移，尤其長方向的中部，其扭轉位移較大，比較難調整，因此為滿足整體結構的扭轉位移限制要求，適當調整建筑物周圍一圈中間各層鋼筋混凝土聯系梁的截面大小，尤其是增大截面寬度來使扭轉位移滿足規范限制要求。

3 設計規范、規程

本設計按現行的規范規定外，并遵守有關鋼混組合結構的規范規程：

(1)YB9082-2006 鋼骨混凝土結構設計規程；

(2)04G523型鋼混凝土組合結構構造；

(3)型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊。

4 結構計算分析

針對本工程結構特點，采用兩個計算模型：

(1)在整體計算時，按照框架計算，右側部分鋼梁作為懸挑考慮，外端柱不參與工作。由于懸挑較大(6.8 m)，所以除計算水平地震力外，也進行豎向地震力計算。阻尼比0.04。

(2)設計屋面鋼梁時，形成PK文件計算，加入右端柱參與工作，一并計算。

4.1 整體計算

如圖1，結構彈性整體抗震分析，采用SATWE程序計算結構的地震力、結構的彈性層間位移角、扭轉位移角、構件的內力變形等。結構跨度24.9 m，8度區，按抗震規范，大跨度結構，同時計算豎向地震力。

圖1 整體計算模型

整體計算時，將屋面右側鋼梁作為懸挑考慮，不計入右側鋼柱的作用。整體結構在STS鋼框架下建模，輸入鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土聯系梁及屋面鋼梁和剛性支撐，以及屋面右側懸挑的鋼梁屋面剛性支撐。然后進入SATWE程序進行整體結構的分析。

通過上述計算，本工程的所有計算參數指標均滿足相應規范要求。例如：X方向的偶然偏心地震作用下的樓層最大位移為1/550，對應的扭轉位移為1.34，均滿足規范要求的鋼筋混凝土框架結構的位移限制要求。X方向的有效質量系數：98.46%，樓層最小剪重比：8.56%；Y方向的有效質量系數：98.75%，樓層最小剪重比：11.53%。

4.2 PK文件

用于計算屋面鋼梁、鋼柱。前面所述均是整體結構的計算。但本工程中最右端鋼梁下還增設了墻架鋼柱直至地面(圖2)，并沿廠房高度每隔4 m左右設置一道鋼拉梁，與混凝土拉梁的標高一致。此部分沒有參與整體結構的計算，該墻架柱只對上部鋼梁起豎向支撐的作用，與屋面鋼梁為鉸接連接。

圖2 框架立面圖(KLM.T)

為了設計屋面鋼梁、鋼柱，我們就從整體結構中取出一榀框架形成PK文件，再在PK里面輸入墻架鋼柱，柱頂和底均為鉸接，對該榀框架進行PK平面計算，可得屋面鋼梁、鋼柱的驗算結果。

5 其他構造措施

5.1 樁位布置

基礎采用人工挖孔樁，樁承臺之間設置基礎拉梁。而在跨度方向，由于跨距較大(跨距24.9 m)，難以直接設置鋼筋混凝土拉梁，因此沿Y方向在柱間增設一根樁和承臺，與上下兩根樁成三角形布置，在三樁承臺之間用拉梁相連，進而增加了樁基承臺的穩定性，滿足《建筑抗震設計規范》第6.1.11.5條的要求。

5.2 墻架鋼柱(最右端)

在屋面鋼梁最右端處增設了落地的墻架鋼柱作支撐。由于該鋼柱位置離原有建筑物很近，已無法做單獨的樁基礎，因此只能采用梁抬柱，即在基礎拉梁上做鋼筋混凝土短柱(600 mm×500 mm)，然后再預埋鋼柱螺栓。為了增強短柱的穩定性，在短柱三個方向各增設了一小段鋼筋混凝土翼緣墻。

鋼柱上部每隔一定高度在Y方向設置鋼拉梁以保證鋼柱的穩定性。鋼拉梁標高與主體部分鋼筋混凝土拉梁的標高一致，鋼拉梁兩端均采用鉸接。在山墻墻面上，鋼拉梁一端與鋼骨柱鉸接，另一端與墻架鋼柱鉸接，可形成鋼骨架便于金屬復合板的搭設。

5.3 地梁的處理

主要是與原建筑物地梁的連接。。我們查看了原有建筑物的圖紙，基礎也是人工挖孔樁，承臺之間有拉梁，300 mm×900 mm，核對其拉梁配筋大小及標高位置后，可以讓新做的拉梁一端搭在原有建筑物拉梁上，視為鉸接連接。有些地方緊挨著原有建筑物的樁基承臺，采取植筋的方式連接。基礎拉梁另一端與原地梁連接處也采取了一些構造和穩定措施。經核算，原地梁結構安全。

6 結束語

綜上所述，本工程為滿足高烈度地區抗震性能較好及使用和外觀的要求，采用了型鋼混凝土柱加鋼屋蓋系統的框架 混合結構形式。對高烈度地區的高架庫建筑來說，是可以選擇的一種結構形式，突破了傳統高架庫(高度高、跨度大)結構一般采用的全鋼結構或鋼筋混凝土排架結構形式的各種缺點。通過本工程的實踐證明，將型鋼混凝土柱和鋼結構屋蓋系統有效的結合起來，既能滿足建筑結構的整體抗震安全又能滿足工藝功能要求及建筑物美觀的要求。本文僅對該結構體系進行初略的工程計算分析，對于該結構體系更為詳細的震害破壞分析，建議采用整體結構在罕遇地震下的彈塑性動力分析，或基于性能的抗震設計分析。

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[4] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]