某新型裝配式鋼結構設計

劉志強，曾潔穎

(1.昆明市建筑設計研究院股份有限公司，云南 昆明 650200；2.昆明市公共租賃住房開發建設管理有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概況

本項目位于昆明市官渡區矣六街道辦，屬于昆明市公共租賃住房漁村片區泓惠園項目，項目包含13棟20層住宅和 若干棟商業以及大底盤地下室。為了貫徹各級政府對裝配式建筑的建設要求，項目建設方在充分調研的基礎上決定在1號樓采用鋼管混凝土束剪力墻結構體系，并且達到AAA級裝配式建筑的建設目標。

1號樓地上20層，地下1層并帶一層夾層，標準層層高為2.90 m，建筑高度58.30 m，總建筑面積約10 970.9 m2，主要功能為住宅。標準層結構平面布置圖如圖1所示。

2 結構體系

典型鋼管混凝土束組合結構建筑體系組成模塊如圖2所示，主要由主體結構體系、樓(屋)面梁板體系、圍護結構體系、鋼結構的防腐與防火組成。其中主體結構體系由作為主要承重構件和抗側力構件的鋼管混凝土束組合剪力墻和鋼管混凝土柱組成，其中組合剪力墻由多個標準化、模數化的部件鋼管在工廠并排焊接連接在一起形成鋼管束，待施工現場安裝完成后再內部澆筑混凝土形成鋼管束組合結構構件，典型的L型、T型和Z型鋼管束墻體截面如圖3所示，可以根據結構布置和計算需要選擇相應的組合形式和截面尺寸(本項目中選用的是厚度150 mm的鋼管束)。實際現場施工時，鋼管束豎向采用三層為一截的安裝拼接方式，施工時不需要設置模板，極大的減少了豎向鋼構件的施工周期。樓面梁采用H型鋼梁，可采用高頻焊接H型鋼、普通焊接H型鋼或熱軋H型鋼，截面尺寸靈活配置，可充分發揮材料承載力。樓面板采用裝配式鋼筋桁架樓承板，鋼筋桁架在加工廠加工完成后，再將鋼筋桁架與鍍鋅鋼板現場用連接件裝配成一體，其上澆筑混凝土，形成鋼筋桁架混凝土樓板，下表面平整，底模可以重復利用。標準層結構分析模型見圖4。鋼管混凝土束剪力墻結構體系，構件各方向尺度比例以及整體結構的受力性能與剪力墻結構相似，構件的材料組成和零件構造又與約束鋼管混凝土一致。該類型結構在結構整體抗側剛度上比常規相同尺寸設計的鋼結構大，在結構整體延性上又比混凝土結構更好，相關的整體指標的控制可以參照鋼結構確定。因此，這種新型的結構體系綜合了鋼與混凝土的優勢，是一種新型的構件形式。同時，其豎向構件和樓面水平構件施工時均不需要設置模板，極好的滿足了相關規范對裝配式結構的要求。

3 結構計算分析

本項目設計時，按照規范要求進行了小震和大震下的結構分析，同時也對關鍵節點進行了有限元模擬分析，以驗證該類型結構在地震作用下的可靠性。

3.1 多遇地震下結構分析

多遇地震下，本項目設計采用PKPM軟件和YJK軟件進行了主體結構彈性分析。計算模型中將鋼管混凝土束墻采用雙鋼板組合剪力墻的形式輸入，并且在鋼管混凝土束墻構件壓彎承載力分析時考慮如下假定：1)不考慮混凝土的抗拉強度；2)不考慮鋼管束對混凝土的約束增強作用；3)不考慮鋼管束的冷彎處的截面變化和應力強化；4)鋼板與墻體內部混凝土黏結良好，彈性階段，鋼板和混凝土不產生滑移(管徑小、混凝土采用自密實混凝土)；5)鋼管壁不發生局部屈曲(通過限制板件寬厚比來符合要求)；6)符合平截面假定(通過限制墻體寬厚比來符合要求)；7)符合邊緣屈服準則，并考慮一定的截面塑性發展系數；8)對于工字形、L形、Z字形和槽形墻體，簡化為單片一字形墻進行計算。項目位于昆明市官渡區，抗震設防烈度為8度(0.2g)，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，小震下結構主要分析結果如表1所示。

表1 小震下結構主要計算結果

從表1可以看出，小震下結構各項指標均滿足規范要求，最大層間位移角滿足GB 50011—2010建筑抗震設計規范[1]和JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規程的規定[2]。

3.2 大震下結構動力彈塑性分析

3.2.1 分析方法

如前面所述，此類新結構構件或結構體系，介于鋼結構和混凝土剪力墻結構之間，為了更準確的分析結構在大震下的塑性變形特征、構件的塑性和損傷模式、結構整體的屈服機制等，同時尋找結構存在的薄弱層或者薄弱部位，有必要補充分析結構在大震下的性能。結構整體動力彈塑性分析采用的是ABAQUS軟件，其中梁柱單元采用的是軟件自帶的B31纖維單元進行模擬，鋼管束剪力墻采用的是四邊形縮減積分分層殼單元模擬。分層殼共三層，中間層為混凝土，兩側兩層為鋼材，各層厚度與形心位置與構件截面構造完全一致。軟件計算分析時鋼材采用雙線性隨動硬化模型(見圖5)，考慮包辛格效應，在循環過程中，無剛度退化。混凝土材料采用彈塑性損傷模型(見圖6)，能夠考慮混凝土材料拉壓強度差異、剛度及強度退化以及拉壓循環裂縫閉合呈現的剛度恢復等特性。

計算時，未考慮鋼管對混凝土的約束作用，該約束作用對混凝土強度有增強作用，不考慮時計算結果是偏安全的。ABAQUS和PKPM模型對比結果如表2所示，兩者差值較小，模型具有一致性。

表2 ABAQUS模型和PKPM模型的結構周期比較表

動力彈塑性分析時，根據規范要求選取了三條地震動曲線，包含兩條天然波waven-1和waven-2，以及一條人工波wavea-1。三條波主方向波形如圖7所示，各條波計算得到基底剪力與反應譜法結果比值如表3所示，從計算結果可知所選地震波具有代表性，其頻譜特性滿足規范對時程分析所選地震波的相關要求。

表3 時程分析基底剪力與反應譜對比表

3.2.2 分析結果

通過動力彈塑性分析，得到各條地震波作用下，結構最大層間位移角如表4所示。從表4中可知在大震作用下，結構樓層最大層間位移角均滿足不大于1/70的要求，滿足規范限值要求。圖8為在天然波waven-1作用下結構彈塑性層間位移角曲線圖。

表4 大震下結構樓層最大彈塑性層間位移角

大震下鋼管束剪力墻混凝土損傷情況如圖9所示，圖9為在天然波waven-2作用下結構在最后時刻的損傷結果。分層殼單元中兩側鋼板的塑性應力和應變結果見圖10。

通過圖9大震下墻體分層殼中間混凝土受壓和受拉損傷可以看出，大震下墻體混凝土受壓損傷主要發生在底部加強區，局部墻肢受壓損傷較大，但是主承重墻墻肢受壓損傷系數超過0.90的面積不大于墻體寬度的1/2，上部樓層混凝土的受壓損傷很小。大震下下部部分墻體受拉損傷比較嚴重，中上部小墻肢也出現受拉損傷的情況，這主要是因為墻體混凝土抗拉強度較低，出現稍大一點的變形就會開裂導致的。

從圖10鋼板墻的外層鋼板的應力分析結果顯示，鋼板整體的最大拉應力沒超過215 MPa,沒超過鋼板抗拉強度設計值，結構整體性能依舊滿足要求，混凝土的受拉損傷屬于正常現象。同時，從應力分布情況來看，大震下除嵌固端底部附近部分墻肢鋼板應力較大外，上部各樓層總體應力較小。從圖10右側鋼板應變圖可以看出，嵌固端僅局部鋼板發生塑性應變，鋼管束組合剪力墻鋼板出現的最大等效塑性應變為0.014 2，小于鋼材的最大塑性應變0.025，且發生塑性應變的范圍相對該墻肢占比較小。

大震下選取了不同樓層的樓面鋼梁的Mises應力圖，分析大震下樓面梁的損傷情況，其中圖11為第一層結果，圖12為第八層的結果。

從圖中可以看出一層在地震作用下由于側移變形相對較小，基本未有鋼梁梁端進入屈服并形成塑性鉸，第八層層間變形相對較大，較多梁端形成塑性鉸，發揮了較好的耗能作用。

由上述大震下墻體和樓面梁損傷情況可以看出，鋼管束組合剪力墻結構在罕遇地震作用下，大量的框架梁梁端出現塑性鉸，發揮較好的耗能作用；鋼管束組合剪力墻僅底部加強區附近局部墻肢鋼板進入塑性屈服狀態，但塑性變形不大，鋼板整體應力較低，墻肢整體損傷情況不大，依舊具備較好的承受豎向荷載的能力，可以實現“大震不倒”的設防目標。

3.3 關鍵節點分析

鋼管束組合剪力墻結構中，鋼管束壁厚相對樓面框架梁較薄，大震下墻梁節點部位的可靠性也是保證結構整體抗震性能實現的關鍵。為驗證連接的可靠性，須對相關節點進行應力分析，圖13為樓面框架梁和鋼管束剪力墻面內剛性連接節點大樣做法及節點有限元分析模型，圖14為主要計算結果。

鋼管束組合剪力墻與鋼梁連接節點計算單元選用三維實體單元Solid45，模型邊界條件為：對墻體截面約束三個方向的自由度，對墻頂截面約束面內和面外自由度，同時考慮管內混凝土和鋼管內壁的接觸作用，另外通過在墻體和側板之間增加單元來模擬焊縫。圖14有限元計算結果顯示，在鋼梁按照極限承載力加載下，鋼管束壁板以及連接板應力均小于鋼板屈服應力，節點區鋼管束相對變形也較小，節點可以滿足承載力要求。

綜上，通過對鋼管混凝土束剪力墻結構體系的介紹，以及對實施案例在小震和大震下結構性能的分析，以及關鍵節點的有限元分析，證明了這一結構體系的可行性以及優越的抗震性能。通過該案例也證明了該類型結構具有良好的承載力、抗側剛度、延性、耗能能力，是一種抗震性能優越的組合結構，可以實現我們對一般民用建筑“三階段、兩水準”的設防目標要求。

4 結語

鋼管束混凝土剪力墻結構中，梁為H型純鋼梁、柱為鋼管混凝土柱、墻為鋼管混凝土束剪力墻，所有構件在現場施工時均為免模體系，屬于裝配式建筑，根據《云南省裝配式建筑評價標準》的規定[3]，項目主體結構可以得到滿分50分。同時，由于其建設周期短、施工質量有保障、布局空間實現個性化需求、得房率高、節約建造能源和運行能源等優點，讓其成為高烈度地區建造裝配式建筑時的一種選擇。項目實施前通過了省級主管部門組織的新技術論證審查，同時項目中圍護墻和內隔墻、裝修和設備管線等按照裝配式要求進行了設計施工。項目現已完成初步驗收，最終綠建裝配率評分為94分，達到AAA級綠色建筑的要求，并通過了省級主管部門組織的“裝配式建筑科技創新工程”終驗，是一種高烈度地區今后值得推廣的新型裝配式結構型式。