壓彎剪扭型鋼混凝土柱在實際工程中的運用

何葉 劉清穎 馬江萍 張奎

摘 要：隨著建筑外形復雜化，功能多樣化，為了外立面的造型效果，大跨度懸挑結構越來越常見。考慮到此類結構在懸挑部位通常抗震不利，容易破壞，通過對比受力性能好的型鋼混凝土柱與傳統大截面的鋼筋混凝土柱，選擇抗震性能良好、截面相對較小的型鋼柱。對受力復雜的壓彎剪扭型型鋼混凝土柱進行了受力分析，使用有限元軟件對結構進行了彈性時程分析及動力彈塑性損傷分析，罕遇地震下能量耗散規律分析，結果表明結構能夠滿足三水準的抗震要求，對其安全性、合理性進行了驗證。本文通過實際工程案例，對受力復雜的壓彎剪扭型鋼柱，大跨度懸挑，單榀結構，樓板開大洞等重難點問題，提出相對安全可靠的加強措施，增加結構的安全儲備。

關鍵詞：型鋼混凝土柱;工程運用;彈塑性分析;壓彎剪扭

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0106-05

Abstract：With the complex appearance of buildings and diversified functions， large-span cantilever structures are becoming more and more common for the modeling effect of the facade. Considering that this type of structure is usually unfavorable for earthquake resistance and easy to damage at the overhanging part， by comparing the steel concrete column with good mechanical performance and the traditional large-section reinforced concrete column， the steel column with good seismic performance and relatively small section is selected. The force analysis of the compression bending shear torsion steel concrete column with complex forces is carried out， the elastic time-history analysis and dynamic elastoplastic damage analysis of the structure are carried out using finite element software， and the law of energy dissipation under rare earthquakes is analyzed. The results show that The structure can meet the three-level seismic requirements， and its safety and rationality have been verified. Based on actual engineering cases， this paper proposes relatively safe and reliable strengthening measures to increase the safety reserve of the structure for difficult problems such as the complicated compression bending shear torsion steel column， the large span cantilever， the single structure， and the large hole in the floor.

Key words：steel reinforced concrete column; engineering application; elastoplastic analysis; bending， shear and torsion

現代生活中，人們對于建筑物造型要求越來越高，形式越來越復雜，造型需要更加的“奪人眼球”，大跨度懸挑結構越來越多，本工程為超長多層單榀結構形式，建筑兩端為單柱布置，單柱外懸挑6.7m，6段標準層建筑圖，4段、5段、6段建筑效果圖，6段結構模型圖分別如圖1～3所示。

本工程的設計使用年限為50年，采用鋼筋混凝土結構，結構的安全等級為二級，安全重要性系數采用1.0，抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度值為0.20g，地震分組為第二組，場地設計特征周期為0.55s，標準設防類，工程場地類別為Ⅲ類，場地未發現不良地質作用，屬于建筑抗震一般地段，基礎形式為柱下條形基礎，場地為Ⅰ級非自重濕陷性黃土場，按《濕陷性黃土地區建筑標準》 [1]規范6.1.5規定，在非自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為Ⅰ級（輕微）的多層丙類建筑，地基處理厚度不應小于1m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100kPa，經計算復核，地基處理方案為1.5m厚的3∶7灰土進行濕陷性處理，承載力不小于200kPa，墊層的壓實系數不小于0.97。

1 建筑造型特點及結構設計難點

本工程為多層單榀的結構形式，結構單體平面布置為矩形布置，平面尺寸為12.4m×328.2m，橫向為跨度8.1m的單跨結構，單跨兩端各懸挑2.1m、1.8m的走道，考慮到本項目長度超長，用抗震縫將單體分為6段，按照《建筑抗震設計規范》 [2]6.1.4條計算，各段之間的抗震縫寬度取150mm，本文從左到右依次按1段～6段簡稱，各段的層數分別為4層，4層，2層，5層，6層，6層;第6段的標準層結構布置如圖4所示、剖面如圖5所示;為重點研究型鋼混凝土柱，下文以第6段單體為研究對象。

依據《建筑抗震設計規范》 [2]第6.1.5條，高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構，第6段結構為高度23.85m的單跨結構，采用框架-剪力墻的結構形式，充分滿足建筑的使用功能與外立面外凸的造型要求，且能形成具有兩道防線的抗震體系;結構計算中，依據《建筑抗震設計規范》 [2]表6.1.2條及6.1.3條規定，且在規定的水平力作用下，底層框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于10%，小于50%，故將框架抗震等級采用3級，抗震墻的抗震等級采用2級。從配筋率及節約造價兩個因素考慮，混凝土標號采用：1～2層墻柱混凝土標號為C45，梁板混凝土標號為C35;3～4層墻柱混凝土標號為C40，梁板混凝土標號為C35;5～6層墻柱混凝土標號為C35，梁、板混凝土標號為C30，型鋼鋼號均為Q235，型鋼混凝土柱中型鋼截面采用1200×700×26×26，型鋼混凝土梁中型鋼截面采用600×300×20×20。

根據《建筑抗震設計規范》 [2]第5.1.1條，8°時的大跨度結構應計算豎向地震，在設計中將6段懸挑部分的型鋼混凝土梁、柱進行豎向地震的計算，并對其抗震構造措施的抗震等級按照提高一度進行加強。

建筑在45～46軸處有大開洞，功能為觀景臺，導致局部樓板不連續，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》 [3]第3.4.6條，樓板有效寬度不宜小于該層樓面寬度的50%，開洞總面積不宜超過樓面面積的30%，故此處要求建筑開洞進深不大于6.0m，且參考《高層建筑混凝土結構技術規程》 [3]3.4.8條，洞口周邊樓板板厚為150mm，雙層雙向配筋，最小配筋率按照0.3%進行控制。

2 不同形式的框架柱計算模型結果對比分析

本項目為滿足造型要求，在47～48軸處采用懸挑結構，考慮到懸挑部分的型鋼混凝土柱受力復雜，為壓彎剪扭復合型，故對46軸、47軸的柱也采用型鋼混凝土柱;懸挑部分米字型梁采用型鋼混凝土梁，為方便施工及外立面造型要求，懸挑走道采用鋼筋混凝土梁，高度為300mm×700mm，封邊梁為250mm×700mm;采用相同截面的型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土柱計算結果對比如表1所示。

從表1可以看出，采用不同材料形式的柱對結構的位移角等整體性參數影響不大，但型鋼混凝土的軸壓比及配筋率遠遠優于鋼筋混凝土柱，性能表現更佳，結構安全性以及構件尺寸使用性更好，且鋼筋混凝土柱軸壓比超過規范限值。從受力角度分析，型鋼柱的受力為典型的壓彎剪扭型復合受力，柱底軸力及剪力相差不大的情況下，受彎能力是普通柱的3倍。由上述分析可以得出，采用型鋼混凝土柱更加適用于本段單體的懸挑結構，結構也更安全，形式更合理。

3 兩個結構分析軟件計算結果對比分析

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》 [3]第5.1.12條，體型復雜、結構布置復雜的建筑結構應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。本段結構采用兩個結構分析軟件YJK與Midas Building對型鋼混凝土梁、柱模型進行了多遇地震下的補充驗算，周期、周期比、位移角等計算指標結果如表2所示。

從表2計算結果對比分析可知，型鋼混凝土柱模型在兩種不同計算軟件下的結構動力特性基本一致，兩個結構計算軟件得到的位移比、周期比、周期、位移角指標相差不大，均滿足《建筑抗震設計規范》 [2]的限值要求，兩種軟件所得到的計算結果表明6段懸挑結構部分采用型鋼混凝土梁、柱后的模型結果安全可靠。

4 彈性時程計算分析與動力彈塑性時程分析

依據《建筑抗震設計規范》 [2]第5.1.2條第三款，特別不規則的建筑應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算;本工程第6段結構有大開洞不利布置，大懸挑結構部分，故采用YJK軟件對第6段結構進行了多遇地震下的彈性時程分析，選取2條天然波（Imperial Valley-06 _NO _172，Coyote Lake _ NO_ 151），1條人工波（ArtWave-RH3TG040）。其中單條時程曲線以及多條時程曲線計算所得的結構底部剪力均滿足規范規定的不小于振型分解反應譜法65%與80%的規定要求。3組地震波下的底層剪力與彈塑性層間位移角如表3、表4所示。

從表3中可以得出，多波包絡值全樓放大系數取1.130。在后期的計算中，將全樓統一地震作用放大系數取1.130來進行后期的構件配筋，施工圖繪制;從表4可以得出，在3組地震波作用下，結構的彈塑性層間位移角滿足規范要求，即表明結構能夠實現“大震不倒”的目標要求。

5 罕遇地震下能量耗散規律分析

罕遇地震下地震波產生的能量持續不斷的輸入建筑結構，一部分作為動能和彈性應變能（可以恢復）儲存在結構構件中，其余的大部分能量是由結構的阻尼和構件本身的塑性變形消耗。當阻尼耗能和塑性變形耗能之和與總的地震輸入能量相平衡，結構就不會因為地震作用而發生倒塌[4]。本工程結構在罕遇地震狀況下動能、勢能和阻尼耗能與地震動總輸入能量的比值如圖6所示。

從圖6可得出以下結論：結構在罕遇地震作用下逐漸進入彈塑性狀態，吸收的地震能量逐漸增多，而與此同時在能量耗散的過程中結構的動能和勢能，并且隨著時間的推移能量所占的比例逐漸減小。這說明結構要保持安全穩定，主要依靠阻尼耗能，從圖6也可以看出，阻尼耗能的比例隨時間逐漸增大。通過以上的能量分析可知，罕遇地震作用下彈塑性狀態的本工程結構，能夠通過阻尼耗能消耗大部分地震能量，也進一步說明本工程在材料選擇、結構布置、配筋設計等方面準確合理，能夠在地震狀況下擁有較好的延性和承載能力。

6 動力彈塑性下的損傷分析

本工程第6段結構復雜，需要設計人員注意的難點較多，故利用有限元軟件對齊進行動力彈塑性的損傷分析;選擇拉伸模型下的受拉損傷云圖，如圖7所示。從圖中可知，結構中容易受到損壞的部位是Y向的剪力墻之間的梁，損傷因子接近0.9，在設計中應引起足夠的重視，對相應的易損傷部位采取加強措施，保證結構的安全性。

7 結論

本文對第6段多層單榀的結構的難點進行了分析，通過不同材料形式框架柱計算結果對比，以及不同結構軟件對第6段結構的反應譜法計算分析，彈性時程計算分析，罕遇地震下能量耗散規律分析，得出以下4條結論，希望為今后類似的項目提供可以借鑒的經驗與深入研究的可能性。

（1） 通過兩個不同的結構計算軟件（Midas，YJK）進行了整體分析計算，二者計算所得的位移比、周期等參數指標接近，表明懸挑結構部分使用型鋼混凝土柱的安全、可靠性;通過對比型鋼混凝土柱鋼筋混凝土柱的柱底彎矩、軸力、剪力，表明了壓彎剪扭型鋼混凝土柱的延性更佳，在保證安全的前提下更能滿足建筑造型要求。

（2） 對于第6段結構，右端懸挑長度6.7m，且局部樓板開大洞，設計中進行了彈性時程分析，計算出多條地震波包絡下全樓的地震作用放大系數，保證結構的安全，給相似結構提供寶貴的設計經驗。

（3） 對單榀結構采取設置剪力墻來增加結構抗震防線，對樓板開大洞的周邊樓板采取加強措施，對大懸挑結構部分提高抗震等級并進行相應的豎向地震計算等多條措施有效的提高保證結構的安全性。

（4） 通過有限元軟件的動力彈塑性分析，以及罕遇地震下能量耗散規律分析，結果表明本設計滿足抗震設計要求，驗證了結構在大震下擁有良好的延性性能，找到了結構設計中容易忽視的薄弱點，為今后相似的建筑設計提供了新的設計方法。

參考文獻

[1]GB 50025-2018， 濕陷性黃土地區建筑標準[S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2018.

[2]GB 50011-2010（2016版）， 建筑抗震設計規范[S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2016.

[3]JGJ 3-2010， 高層建筑混凝土結構技術 規程[S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2011.

[4]徐廣洋. 多高層鋼筋混凝土建筑結構地震能量分析[D]. 沈陽：沈陽工業大學，2014.