帶鋼管混凝土柱的框支剪力墻結(jié)構(gòu)分析及梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

陸 烜

上海保利城市發(fā)展有限公司，上海 200232

1 工程概況

連云港某綜合商住項(xiàng)目總建筑面積為28600m2，其為一幢帶裙房的高層塔樓。該項(xiàng)目地下1層為車(chē)庫(kù)，地上塔樓有20層，總高75.3m，第1～3層用于大開(kāi)間商場(chǎng)，柱網(wǎng)尺寸為8.0m×7.2m，層高5.0～5.8m；第4層以上為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3.5m，用于酒店客房；裙房有4層，總高度為17m，用于商業(yè)。

建筑設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35s。基本風(fēng)壓為0.6kN/m2，基本雪壓為0.4kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑功能需求，該工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。第1～3層平面大空間區(qū)域設(shè)框支柱，框支框架和落地剪力墻抗震等級(jí)均為一級(jí)；緊鄰第3層設(shè)置2.2m高的技術(shù)層（即轉(zhuǎn)換層），第4層以上為純剪力墻體系，其中第4～5層屬底部加強(qiáng)區(qū)，第6層及以上抗震等級(jí)均為三級(jí)。

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層平面布置如圖1所示。由圖1可知，底層框支柱共10根，其中位于平面中心區(qū)的6根框支柱設(shè)計(jì)軸力較大，達(dá)到14000～16600kN。此框支柱抗震等級(jí)為一級(jí)，軸壓比限值為0.6，如果采用混凝土柱，則截面過(guò)大會(huì)影響建筑使用，因此6根柱采用鋼管混凝土柱，直徑Φ1000mm，鋼管壁厚20mm。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

轉(zhuǎn)換層框支梁和所承托上部剪力墻共同工作，同層樓板也承受一定拉力，因此按將框支轉(zhuǎn)換層及上層樓板參與抗震計(jì)算并作加強(qiáng)處理，厚度分別取180mm和150mm，樓板鋼筋采取雙層雙向拉通配置。該單體主要構(gòu)件基本信息如表1所示。

表1 該單體主要構(gòu)件基本信息 單位：mm

按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 3—2010）有關(guān)抗震性能化設(shè)計(jì)要求，該工程抗震性能目標(biāo)為D級(jí)。依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要程度，“關(guān)鍵構(gòu)件”為框支柱、轉(zhuǎn)換梁和底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻；“普通豎向構(gòu)件”為一般框架柱、非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻；“耗能構(gòu)件”為一般框架梁和連梁。

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 多遇地震作用下的整體分析

多遇地震下的整體彈性分析采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法并進(jìn)行比較。時(shí)程分析時(shí)選用2條天然波和1條人工波，時(shí)程分析所得的基底剪力大于規(guī)范反應(yīng)譜所得基底剪力的65%，所得的平均基底剪力大于反應(yīng)譜所得的基底剪力的80%，滿(mǎn)足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)前3階的振型和自振周期依次為X向平動(dòng)t1=2.09s、Y向平動(dòng)t2=1.79s、扭轉(zhuǎn)t3=1.63s。多遇地震作用下整體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 多遇地震作用下主要計(jì)算結(jié)果

由表2結(jié)果可知，2種分析方法的總體指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求且較接近。設(shè)計(jì)時(shí)將時(shí)程分析所得的各樓層剪力包絡(luò)值與反應(yīng)譜結(jié)果進(jìn)行比較，如果反應(yīng)譜所得剪力相對(duì)小則做放大處理，放大系數(shù)取兩者相應(yīng)樓層剪力之比。

3.2 罕遇地震作用下的整體彈塑性分析

為了保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性，采用Pushover做靜力彈塑性分析，了解結(jié)構(gòu)變形和塑性鉸開(kāi)展情況，評(píng)估罕遇地震作用下的性能。

根據(jù)罕遇地震作用下的能力譜和需求譜曲線，X向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為37020kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的4.5倍，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移348.4mm；Y向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為38320kN，約為多遇地震作用下的3.6倍，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移283.7mm。X向最大層間位移角為1/164（第6層），Y向最大層間位移角為1/207（第12層），均滿(mǎn)足罕遇地震下的層間位移角小于1/100的要求，達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。

整個(gè)推覆過(guò)程顯示，結(jié)構(gòu)總體出鉸順序依次為連梁→框架梁→中部剪力墻→轉(zhuǎn)換層上部剪力墻底，符合一般預(yù)期規(guī)律，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有較好的延性。隨著加載增大，X向塑性鉸從中部朝上下兩端擴(kuò)展，Y向塑性鉸從中上部朝下端擴(kuò)展，達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，約1/3的框架梁柱屈服，框支梁端已屈服但處于確保生命安全的狀態(tài)；轉(zhuǎn)換層以下無(wú)論是鋼筋混凝土框支柱還是鋼管混凝土框支柱均未屈服。此外，轉(zhuǎn)換層下Y向④軸（見(jiàn)圖1）的落地剪力墻受壓區(qū)出現(xiàn)屈服，因此過(guò)了性能點(diǎn)后Y向結(jié)構(gòu)抗側(cè)力顯著降低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)此薄弱部位予以加強(qiáng)，增加該墻體鋼筋，并提高端柱的縱筋配筋率和體積配箍率。

3.3 主要構(gòu)件受力情況

結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在不同地震力作用下的計(jì)算結(jié)果如表3所示，各構(gòu)件可滿(mǎn)足預(yù)期的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)及分析

4 柱梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 普通樓層鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

第1～3層鋼管混凝土柱與普通框架梁相交，鑒于四周框架梁傳來(lái)荷載不大，節(jié)點(diǎn)采用外加強(qiáng)環(huán)板形式，上下鋼板加強(qiáng)環(huán)板之間焊接放射狀排布豎向加勁肋板。水平加強(qiáng)環(huán)傳遞彎矩，豎向加勁肋板傳遞剪力，兩者組成了環(huán)形牛腿。框架梁端縱筋焊于上下加強(qiáng)環(huán)板，牛腿的抗剪承載力受以下五個(gè)因素影響：（1）牛腿支承面上的混凝土局部承壓強(qiáng)度；（2）肋板的抗剪強(qiáng)度；（3）肋板與鋼管壁連接的焊縫強(qiáng)度；（4）牛腿上部混凝土直剪強(qiáng)度；（5）加強(qiáng)環(huán)板的抗彎強(qiáng)度。按照經(jīng)驗(yàn)，牛腿的抗剪承載力由肋板自身抗剪強(qiáng)度決定，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 第1～3層鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

4.2 轉(zhuǎn)換層鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目鋼管混凝土柱為框支柱，若柱頂僅伸至轉(zhuǎn)換梁底，柱對(duì)梁的約束不強(qiáng)，與計(jì)算假定存在一定偏差。考慮到轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，將鋼管混凝土柱伸過(guò)轉(zhuǎn)換梁至第4層框架梁底，既可增加轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點(diǎn)的剛性，又可起到延性過(guò)渡作用。

經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)換層與鋼管混凝土柱相交的兩個(gè)方向梁傳來(lái)荷載相差較大，轉(zhuǎn)換梁端最大豎向剪力為2020kN，而與之正交的普通梁端剪力僅為334KN。若節(jié)點(diǎn)仍采用環(huán)形牛腿，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)方向的鋼管壁受力嚴(yán)重不均，容易使鋼管壁和混凝土之間出現(xiàn)黏結(jié)破壞，使鋼管環(huán)向作用削弱。

轉(zhuǎn)換層梁柱節(jié)點(diǎn)采用穿心形式，此構(gòu)造相對(duì)非穿心形式雖較復(fù)雜，但穿心腹板和上下翼緣板組成的承重銷(xiāo)傳遞剪力更加明確，剪力可直達(dá)核心混凝土且兩個(gè)方向的受力相互影響小。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路：轉(zhuǎn)換梁方向采用雙穿心牛腿，普通框架梁方向采用單穿心牛腿，如圖3所示；轉(zhuǎn)換梁的縱筋一部分直接穿過(guò)鋼管貫通，另一部分縱筋借用變寬度梁的方法繞過(guò)鋼管，繞筋斜度不大于1/6，梁端部局部加寬，并在變寬度處增設(shè)附加箍筋；非轉(zhuǎn)換框架梁上部縱筋焊于加強(qiáng)環(huán)板。轉(zhuǎn)換層柱梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)換層鋼管與穿心牛腿連接構(gòu)造（單位：mm）

圖4 轉(zhuǎn)換層鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

4.3 鋼管混凝土柱頂與梁連接設(shè)計(jì)

鋼管混凝土柱收頭處頂面焊環(huán)形蓋板，尺寸滿(mǎn)足框架梁混凝土抗壓強(qiáng)度。考慮剛度過(guò)渡和鋼筋搭接，節(jié)點(diǎn)區(qū)域水平和豎向做加腋處理，內(nèi)部配置構(gòu)造鋼筋和抗剪螺旋箍筋。上部剪力墻的豎向鋼筋穿過(guò)環(huán)形蓋板插入鋼管混凝土內(nèi)，實(shí)現(xiàn)承載力的有效過(guò)渡，構(gòu)造如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土柱頂與四層梁節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

5 結(jié)論

（1）框支剪力墻高層結(jié)構(gòu)如框支柱軸力較大不適合采用普通混凝土柱時(shí)，可考慮采用鋼管混凝土柱，充分利用鋼管對(duì)核心混凝土三向受壓的優(yōu)勢(shì)控制柱的截面尺寸。

（2）對(duì)高位轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)采用抗震性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，了解結(jié)構(gòu)不同地震作用下的抗震性能。重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)換層等關(guān)鍵部位是否滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)薄弱部位采取必要加強(qiáng)措施。

（3）鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)與普通混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，應(yīng)針對(duì)不同部位的受力特點(diǎn)選擇適宜的節(jié)點(diǎn)形式和構(gòu)造，尤其應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁與柱的連接可靠性，節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。