鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構實用性分析

黃 璇，姚麗莉

（1.福州理工學院 應用科學與工程學院，福建 福州 350000；2.福建省建筑輕紡設計院結構設計一所,福建 福州 350000）

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高和科學技術的不斷進步，如何在有限的土地資源上建造出更加環保經濟實用且可持續發展的新型建筑，在建筑建造領域備受關注，近年來，在部分建筑結構中有所采用[1-6]。經研究發現，建筑結構使用寬扁梁后，可有效改善結構在重力荷載和地震作用等施加下的受力狀況，提高了建筑的綜合效益[7-12]。

本文以鋼管輕骨料混凝土框剪結構實用性研究項目為背景，基于實際工程建立PKPM結構模型，對新型的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構體系進行力學性能及熱工性能方面的計算和分析，論證鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構體系的可行性及實用性，研究成果可為同類結構工程項目方案設計提供參考。

1 工程結構基本信息

1.1 工程概況

某高層實驗辦公樓，位于福建省福州市中心地段，主樓共10層，其中地下2層，地上8層，占地面積2 987.04 m2，建筑面積24 419.11 m2，其中地上建筑面積18 579.11 m2，地下建筑面積5 840.0 m2；建筑總高度從門廳室外地面到屋面女兒墻上皮結構標高為30.20 m。建筑設計使用年限分類3類，設計使用年限50 a。建筑防火等級：地上部分二級耐火等級，地下部分一級耐火等級。

1.2 計算模型

實用PKPM軟件，建立3個不同的建筑模型分別對其力學性能指標、建筑節能指標進行計算，統計其各自的材料用量，結合市場價格，比較三種模型的經濟效益，分析三者在技術效益，社會效益和綜合經濟效益方面的優劣性。

（1）模型1為地下2層，地上8層，建筑總高為31.9 m的普通鋼筋混凝土框剪結構；

（2）模型2為地下2層，地上8層，建筑總高為31.9 m的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構。本模型將框架柱替換為鋼管輕骨料混凝土柱，將梁高超過400 mm的框架梁和次梁替換為梁高400 mm的寬扁梁，所有的混凝土部分結構構件建筑材料全部等強度替換為輕骨料混凝土；

（3）模型3為地下2層，地上9層，建筑總高為31.9 m的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構，為保持與前兩個模型相同的建筑總高度，降低了本模型每層的層高。

PKPM三維模型分別如下圖1、圖2、圖3所示。

圖1 模型一Fig.1 Model one

圖2 模型2Fig.2 Model two

圖3 模型3Fig.3 Model three

模型2和模型3采用鋼管輕骨料混凝土柱和輕骨料混凝土剪力墻，使得建筑物的自保溫能力大大提高，因此，屋面及剪力墻部分的保溫材料厚度小于模型1，而鋼管輕骨料混凝土柱部分甚至不需要用到其他的保溫材料，利用主體結構建材本身自保溫即能夠滿足規范要求。

2 計算結果分析

2.1 建筑結構總信息

三種建筑結構模型總信息如表1所示。

表1 建筑結構總信息對比表Tab.1 Comparison of total information of building structure

表格中，恒載產生的總質量為外加恒載及結構自重；結構的總質量和活載產生的總質量為折減后的活載；結構的總質量為活載產生的質量、恒載產生的質量及附加質量。

由表1可知，模型2與模型1相比，結構的總質量及恒載產生的總質量均有下降，二者分別下降了19.7%及17.8%；而模型3與模型1相比，恒載產生的總質量及結構的總質量均有下降，二者分別下降了16.7%和14.4%。

2.2 建筑結構振動周期比

按照《高層建筑混凝土結構技術規程》[13]規定：建筑結構的第一自振周期T3和第一自振周期T1的比值必須滿足一個限值，A級高度的結構物不應大于0.9。一般設計情況下，只取第1到第3振型進行分析，如表2所示。

表2 考慮扭轉耦聯時的振動周期(秒)、扭轉系數、X，Y方向的平動系數Tab.2 Consider the vibration period(s),torsional coefficient,and translational coefficient in X and Y directions

從表2，可知：3個模型結構扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比分別為0.746 6、0.710 6、0.704 6，均符合A級高度建筑不應大于0.9的規范要求。

2.3 有效質量系數及計算振型數

《高層建筑混凝土技術規程》[13]指出，對于復雜高層建筑結構抗震計算，時，宜考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數不應小于15，對多塔樓結構的振型數不應小于塔樓數的9倍，且計算振型數應使各振型參與質量不小于總質量的90%?！督ㄖ拐鹪O計規范》[14]第5.2.2條文說明也說明為使高柔建筑的分析精度有所改進，其組合的振型個數適當增加，振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量90%所需的振型數。本工程3種模型的計算振型數及有效質量系數如表3所示，計算結果符合規范要求。

表3 有效質量系數及計算振型數Tab.3 Effective mass coefficient and calculated mode number

2.4 各層X，Y方向作用力（CQC）比較結果

《建筑抗震設計規范》[14]指出，在進行抗震驗算時，每一結構層的水平地震剪力應符合下式要求：

3個模型的樓層水平地震剪力以及剪重比如表4所示。

表4 X，Y方向樓層水平地震剪力以及剪重比（均取地面第一層數據）Tab.4 Horizontal seismic shear force and shear weight ratio of floors in X and Y directions(data of the first floor of the ground are taken

表中，Vx為X向地震作用下結構的樓層剪力；Vy為Y向地震作用下結構的樓層剪力；Mx為X向地震作用下結構的彎矩；My為Y向地震作用下結構的彎矩。

如表3-4所示，兩個模型的X向樓層最小剪重比3.57%、2.87%和Y向樓層最小剪重比3.44%、2.99%均小于按抗震規范(5.2.5)條對7度抗震類別要求的樓層最小剪重比為1.60%。

2.5 地震作用下最大層間位移及層間位移角的比較

SATWE的計算結果中，關于位移的結果主要有兩個控制指標，分別是：層間位移角和位移比。

鋼管混凝土結構構件多用于主要抗側力結構為鋼結構的鋼管混凝土結構或者是多高層建筑框架結構房屋，其層間位移應滿足以下要求：

不宜大于1/400（風荷載作用）；

不宜大于1/300（多遇地震作用）；

不宜大于1/50（罕遇地震作用）。

對于位移的控制，主要抗側力構件為鋼筋混凝土結構的多高層建筑鋼管混凝土結構，其樓層層間最大位移與層高之比Δu/h應按《高層混凝土結構技術規程》規定[13]：

不宜大于1/800（高度不大于150 m的框架剪力墻高層建筑）。

本工程模型1、模型2和模型3在X、Y方向地震下樓層層間最大位移與層高之比均小于1/800，符合規范規定。3個模型在X，Y方向的地震作用下的樓層最大位移表5、表6所示。

表5 三個模型X方向的地震作用下的樓層最大位移Tab.5 Maximum floor displacement under seismic action in the X direction of the three models

表6 三個模型Y方向的地震作用下的樓層最大位移Tab.6 Maximum floor displacement under seismic action in the Y direction of the three models

表中，Floor為層號；Tower為塔號；Jmax為最大位移對應的節點號；JmaxD為最大層間位移對應的節點號；Max-(X)，Max-(Y)為X，Y方向的節點最大位移；Ave-(X)，Ave-(Y)為X，Y方向的層平均位移；Max-Dx，Max-Dy為X，Y方向的最大層間位移；Ave-Dx，Ave-Dy為X，Y方向的平均層間位移；Max-Dx/h，Max-Dy/h:X，Y方向的最大層間位移角；h為層高。

表5、表6所示的X，Y方向地震作用下的樓層最大位移結果可以看出，模型2和模型3雖然采用了寬扁梁結構，梁高低于普通梁，使得剛度變小，但是由于采用了鋼管輕骨料混凝土柱，增加了整體模型的側向剛度，彌補了寬扁梁減小剛度的不足，因此位移比模型1要小。而模型3在模型2的基礎上保持建筑總高度不變但是增加了一個樓層，剛度比模型2更大，因此位移比模型2更小。

2.6 三種模型的熱學性能比較

根據規范《公共建筑節能設計標準》[15]、《福建省居住建筑節能設計標準實施細則》[16]的規定，計算本工程三種模型的屋面及外墻面的保溫隔熱特性指數。由于三種模型的外墻砌體均采用加氣混凝土砌塊，僅框架柱、剪力墻和梁部分的建筑材料發生變化替換成為了輕骨料混凝土，因此，僅列出了混凝土外墻部分的建筑節能設計結果。

（1）屋面部分(卷材涂膜防水屋面)

模型1屋面保溫構造：鋼筋混凝土屋面+20厚1∶3水泥砂漿找平層+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽層（G5）+最薄處30厚LC5.0輕集料混凝土2%找坡層+25厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+兩道SBS高聚物改性瀝青防水卷材（卷材總厚度不小于4+3）+10厚低標號砂漿隔離層。其屋面保溫隔熱計算匯總表參見表7。

表7 模型1屋面保溫隔熱驗算Tab.7 Model 1 roof insulation check calculation

模型2、模型3屋面保溫結構做法：輕骨料混凝土屋面板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽層（G5）+最薄處30厚LC5.0輕集料混凝土2%找坡層+25厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+兩道SBS高聚物改性瀝青防水卷材（卷材總厚度不小于4+3）+10厚低標號砂漿隔離層。模型2、模型3的屋面保溫層所采用的擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度僅為20 mm，與模型1相比減少了5 mm。其屋面保溫隔熱計算匯總表參見表8。

表8 模型2、模型3屋面保溫隔熱驗算Tab.8 Model 2,model 3 roof thermal insulation check calculation

經計算，3種模型屋面保溫層總熱阻值R0分別為：1.631、1.58、1.58，屋面傳熱系數K分別為：0.613、0.66、0.66，熱惰性指標D分別為：3.109、3.386、3.386。據《公共建筑節能設計標準》[15]，屋面傳熱系數K及熱惰性指標D的限值分別小于0.9[W/（m2·K）]和2.5，故K、D均滿足規范要求。

（2）剪力墻及框架柱部分

由于本工程3種模型的外墻砌體均采用加氣混凝土砌塊，僅框架柱改為鋼管輕骨料混凝土框架柱，剪力墻和梁部分僅僅是將建筑材料替換成為了輕骨料混凝土，因此，只列出了混凝土外墻及框架柱部分的建筑節能設計結果。

1）混凝土外墻

模型1外墻構造作法：外飾面+250厚鋼筋混凝土+界面劑+30厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5 mm厚抗裂砂漿+耐堿網格布一層+內飾面。其外墻保溫隔熱計算匯總表參見表9。

表9 模型1外墻保溫隔熱驗算Tab.9 Model 1 external wall thermal insulation check calculation

模型2、模型3外墻保溫構造做法如下：外飾面+250厚輕骨料混凝土+界面劑+20厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5厚抗裂砂漿+耐堿網格布一層+內飾面[]。與模型1相比，模型2、3的外墻所采用的膠粉聚苯顆粒保溫砂漿的厚度要減少10 mm，這在一定程度上減少了施工的工序，降低了施工難度。其外墻保溫隔熱計算匯總表參見表10。

經計算，3種模型外墻部分總熱阻值R0分別為：0.875、0.887、0.887，外墻傳熱系數K分別為：1.14、1.13、1.13，熱惰性指標D分別為：3.857、4.103、4.103。據《公共建筑節能設計標準》[15]，外墻傳熱系數K應小于1.5[W/（m2·K）]，熱惰性指標D應大于3，故K、D均滿足規范要求。

2）框架柱

模型1框架柱保溫構造做法：外飾面+400厚鋼筋混凝土+界面劑+30厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5厚抗裂砂漿+耐堿網格布一層+內飾面。其框架柱保溫隔熱計算匯總表參見表11。

表11 模型1鋼筋混凝土框架柱保溫隔熱驗算Tab.11 Model 1 reinforced concrete frame column thermal insulation check calculation

模型2、模型3的鋼管輕骨料混凝土柱部分保溫構造做法如下：外飾面+5厚水泥砂漿抹灰+10厚鋼管+380厚輕骨料混凝土+10厚鋼管+防火防銹漆一道+2厚水泥砂漿內抹灰。與模型1相比，模型2、模型3的鋼管輕骨料混凝土柱部分的保溫構造沒有采用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿保溫，而是混凝土材料自保溫，這樣做不僅可以減少施工工序、降低施工難度，在很大程度上也降低了施工成本，一舉多得。其外墻保溫隔熱計算匯總表參見表12。

表12 模型2、模型3鋼管輕骨料混凝土柱保溫隔熱驗算Tab.12 Model 2,model 3 steel tube lightweight aggregate concrete column thermal insulation check calculation

2.7 三種模型節能（空調、照明）等方面比較分析

據不完全統計，公共建筑年耗電量約占我國全國經計算，三種模型框架柱部分總熱阻值R0分別為：0.962、0.725、0.725，框架柱傳熱系數K分別為：1.04、1.3、1.3，熱惰性指標D分別為：5.326、5.605、5.605。據《公共建筑節能設計標準》[15]，外墻傳熱系數K應小于1.5[W/（m2·K）]，熱惰性指標D應大于3，故K、D均滿足規范要求。

由表7～表12可以看出，模型2、模型3由于采用了自保溫性能更加優良的輕骨料混凝土做為結構主材料，相比于采用普通混凝土的模型1而言，無論是屋面還是外墻所需要的保溫材料都減少了，在鋼管輕骨料混凝土柱部分，甚至自保溫既能達到規范要求。這樣模型2、模型3與模型1相比施工工藝更加簡單，保溫材料用量也有一定程度的減少，節約了工程造價，該結論與相關研究結果一致[17]。

城鎮總耗電量的22%，公共建筑每平方米耗電量是普通居住建筑的10～20倍[18]，是日本、歐洲等發達國家同類建筑的2倍[19]，由此可見，大型公共建筑的節能效率是我國建筑節能工作的重點所在。而建筑室內熱環境的控制最直觀的是通過控制空調系統的能耗來實現的，因為空調系統的能耗約占建筑總能耗的50%～65%[20]。

利用PBECA軟件內的采暖、電氣模塊對本工程的三個模型進行動態能耗數據統計分析。建筑結構節能綜合指標條件如下所示：

1）室內計算溫度：定義了房間就是定義了房間的使用功能，也就是定義了房間的使用溫度，本項目是公共建筑，主要房間為辦公室，因此夏季全天控制到26℃，冬季20℃。

2）采用典型氣象年數據作為室外氣象參數，空調換氣次數是1.0次/h。

冬季的福州地區主要能耗為電能，所以能耗都轉化為耗電量，單位轉化為kW·h。3個模型的空調照明等耗能匯總表如表13所示，其中，年花費電費按0.53元/kWh進行計算。

表13 三種模型耗能匯總表Tab.13 Summary of the energy consumption of the three models

可以看出，采用輕骨料混凝土以后，由于建筑熱橋部分的保溫性能好，在一定程度上減少了空調部分的年耗電量，但是一般公共建筑的使用年限為50 a，那么根據上表結果可以計算出，如果采用模型2在電費方面的花銷將比模型1減少（105.8-103.6）×50=110萬元，可見在相同建筑層高及建筑總高情況下，模型2在很大程度上實現了空調季節節約能耗的目的；而模型3因為增加了一個樓層，在電費方面的花銷將比模型1增加（109.5-105.8）×50=185萬元，但是其每平方米耗電量較模型1低9%，因此，鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構在節約能耗方面較優秀。

3 結論

本章通過PKPM軟件分別計算同樣建筑設計條件下的普通鋼筋混凝土框剪結構和鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構以及保持建筑總高度不變增加一個樓層的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構三種模型，對比三個模型的各項力學性能指標后發現，鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構與普通鋼筋混凝土框剪結構相比具有以下優點：

（1）鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結構的恒載產生的總質量及結構的總質量比起普通鋼筋混凝土框剪結構均有明顯下降，在相同層高和樓層數的情況下二者分別下降了19.7%及17.8%（模型2與模型1相比）；即使在保持建筑總高度不變增加了一個樓層的情況下，二者依然分別下降了16.7%和14.4%（模型3與模型1相比）；

（2）3種模型各項指標，如剪重比、X和Y方向的平動系數、振動周期、扭轉系數等均符合現行結構設計規范的要求；

（3）3種結構在位移較方面的比較結果可以看出：模型2與模型1相比，雖然采用了由于梁高降低而減少了部分剛度的寬扁梁，但是因為采用鋼管輕骨料混凝土框架柱，提高了結構整體剛度，X和Y方向地震作用下的樓層最大位移均小于模型1。在均為鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁體系的情況下，由于模型3比模型2在建筑總高保持不變的情況下增加了一個樓層，房屋的剛度更大，位移更小。

（4）采用輕骨料混凝土替換普通混凝土，實現了大量建筑節能的目標。