徐向東

摘 要：地狹人稠是都市快速發(fā)展的現(xiàn)狀，所以中高樓層建筑物十分普遍，其中填充型箱型鋼柱因具有良好的結(jié)構(gòu)行為與耐震性能而被廣泛使用。在有關柱構(gòu)件于火害情況下耐火性能的相關規(guī)范及研究中，載重比為一重要考慮參數(shù)，其定義為柱構(gòu)件所承受的需求強度與柱的極限強度的比值。歷年來國內(nèi)外研究文獻皆顯示載重比大小與柱構(gòu)件的耐火性能有顯著相關性，載重比越低，耐火性能將越良好。此外，相關的填充型箱型鋼柱構(gòu)件火害研究成果顯示，填充型箱型鋼柱構(gòu)件承受載重比為0.15以及0.2的軸向壓力時，分別可達兩小時以及一小時的防火時效。

關鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 建設 工程 質(zhì)量 檢測

中圖分類號：TU712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0054-02

1 質(zhì)量檢測分析規(guī)劃

柱構(gòu)件于建筑結(jié)構(gòu)中，因其所位在樓層高度及位置的不同受力狀況將不同，亦會因建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或高度不同導致受力行為有所差異。本研究搜集兩棟已于國內(nèi)興建完成的建筑結(jié)構(gòu)案例，分別為12層樓以及21層樓，柱構(gòu)件皆為填充型箱型鋼柱，使用結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS依照結(jié)構(gòu)計算書建立此兩實際案例的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測模型。為驗證此分析模型的正確性，亦采國內(nèi)相關規(guī)范檢測。

2 建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測模型

本研究依循既有的建筑結(jié)構(gòu)案例設計施工結(jié)果建立質(zhì)量檢測模型，同時與該案例的計算書比對總重量、分析所得的結(jié)構(gòu)周期、應力比檢測結(jié)果等，并將分析模型修正至與計算書內(nèi)容趨近一致。

3 12層樓建筑結(jié)構(gòu)案例

3.1 案例簡介

本案例工程為地上12層（總樓高49.95m），屋突二層、地下4層的辦公大樓。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)X向及Y向皆采韌性立體抗彎構(gòu)架系統(tǒng)，并于1～11樓各層的Y向設置7處耐震間柱，與梁、柱、鋼構(gòu)架形成二元系統(tǒng)提升耐震能力。

3.2 構(gòu)件質(zhì)量檢測標準概述

建筑結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件類型可分為柱、梁、樓板、墻，以下將對主要構(gòu)件簡要介紹及描述。

柱為填充型箱型鋼柱，依位處樓層填充不同抗壓強度的混凝土，8樓以上填充的強度為350kgf/cm，8樓（不包含）以下填充強度為420kgf/cm的混凝土；鋼材皆為（Fy=3300kgf/cm）。耐震間柱為H型鋼柱。

大梁及小梁：2F以上皆為鋼梁，大梁的鋼材采用CNSSN490B（Fy=3300kgf/cm），小梁為ASTMA36（Fy=2500kgf/cm）；地面層室內(nèi)為SRC梁，室外采RC梁；地下室則皆為RC梁。

樓板：各層樓板均為鋼承板與混凝土灌漿的復合樓板，板厚17cm，混凝土的強度為280kgf/cm。

墻：所有地面層以上的墻均為非結(jié)構(gòu)墻，其中外墻采帷幕墻，樓梯間、電梯間以及隔間皆為輕質(zhì)隔間墻。

3.3 結(jié)構(gòu)平面、立面及3D模型

此案例的標準層X方向七跨，Y方向三跨至四跨；平面為一稍不規(guī)則矩形，因主要作為辦公室使用，需要較寬敞無遮蔽的空間，故取消Y向其中一跨的內(nèi)柱，在此取案例的標準層（3F-12F）為例，結(jié)構(gòu)立面標準層樓高為3.9m，一樓挑高6.45m，地下室共4層12.8m，取網(wǎng)格X向-D軸為例。

3.4 靜載重與活載重質(zhì)量檢測

一般建筑物需承受的垂直載重包括靜載重及活載重。靜載重即為結(jié)構(gòu)體本身的重量，包含柱、梁、板、墻等；活載重則作用于樓板面上，其設計施工值會依設計施工時建筑物每層樓用途而不同。建模所用的鋼筋混凝土單位體積自重采2.4tf/m，鋼骨為7.85tf/m，標準檢測。

3.5 水平地震力靜力質(zhì)量檢測分析

水平地震力計算系依照建筑物設計施工耐震規(guī)范及解說[1]，利用分析得到結(jié)構(gòu)體的周期后，依照規(guī)范進行水平地震力的豎向分配[2]。

4 21層樓建筑結(jié)構(gòu)案例

4.1 案例簡介

本案例為地下3層、地上21層以及屋突3層的集合住宅，總高度為66.8m（不含屋突）。整棟建筑采用韌性立體抗彎構(gòu)架系統(tǒng)，但于Y方向軸線C、F設置低降伏鋼板剪力墻，使其兼具二元系統(tǒng)的耐震特性。地下室的外墻為70cm的連續(xù)壁，可承擔上部結(jié)構(gòu)所造成的側(cè)向剪力。

4.2 構(gòu)件概述

此案例因樓層高度較高，并具有特殊的剪力墻構(gòu)件，主要構(gòu)件類型亦大致分為柱、梁、樓板、墻，以下簡要介紹及描述主要的構(gòu)件。

柱：2F-21F為填充型箱型鋼柱，其內(nèi)皆填充抗壓強度為420kgf/cm的混凝土；鋼料為CNSSN490B（Fy=3300kgf/cm）；屋突層采箱型鋼柱；地下層則采用較大斷面的鋼筋混凝土柱或SRC柱。

大梁及小梁：大梁的材料采CNSSN490B（Fy=3300kgf/cm），小梁材料則為ASTMA36（Fy=2500kgf/cm），且從2F以上皆為鋼梁；地面層為SRC梁；地下室則皆為RC梁。

樓板：各樓層的樓板皆為鋼筋混凝土樓板，厚度介于15～25cm，其中混凝土的抗壓強度隨樓層數(shù)增高而降低，從350kgf/cm逐漸減至210kgf/cm。

墻：包含電梯間、樓梯間、車道、隔戶及外墻均采用鋼筋混凝土墻，內(nèi)隔間墻則采用輕質(zhì)隔間墻；鋼板剪力墻的鋼板采LYS-100，為低降伏強度制震鋼板。

4.3 平面、立面及3D模型

此案例平面為一規(guī)則矩形，標準層X方向五跨，Y方向三跨；于軸線C及F上的中間跨皆設有低降伏鋼板剪力墻。因作為住宅使用，柱位較密集，跨度亦較小，并設有許多梯廳以及隔間墻。在此取案例的標準層（3F-19F）為例，結(jié)構(gòu)立面標準層樓高為3.2m，屋突層3m；地下室總共3層，地下1樓為4.5m外，其余皆3.2m，結(jié)構(gòu)立面取網(wǎng)格X向軸為例。

4.4 載重質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

此案例的用途為集合住宅，故施工活載重較12F案例的辦公大樓低，但因外墻皆為RC墻，且住宅的隔間較多，會導致施工標準靜載重較高。

4.5 水平地震力靜力以及反應譜動力分析

建筑物施工[2]中提及，高于50m的建筑結(jié)構(gòu)于施工時需進行動力分析，此案例總樓高為66.8m，故除水平地震力的豎向分配以外，尚須執(zhí)行動力反應譜分析[3-4]。

5 柱梁檢測

為確保于地震力作用下柱構(gòu)件不會相較梁構(gòu)件提前破壞，建筑結(jié)構(gòu)模型中所有梁柱接頭皆須滿足公式（1），即為強柱弱梁標準。

普遍而言，會優(yōu)先對地面層的柱構(gòu)件頂端接頭處進行強柱弱梁檢測，因其所承受的靜載重大，軸向力相對高，較容易有檢測不通過的情形。此外，一般建筑結(jié)構(gòu)設計施工上考慮到同一柱斷面的連續(xù)性問題，常將柱斷面設計施工為隨著高度愈高，每3層或4層樓逐漸縮減尺寸，梁亦會設計施工為配合其樓層一并改變縮減尺寸，縮減后因柱構(gòu)件本身的強度下降，較有可能無法通過檢測，故其次會選擇柱與梁尺寸變化的該層檢測。其余再視建筑結(jié)構(gòu)本身的情形或平面特殊形狀處檢測。

5.1 側(cè)向位移檢測

建筑結(jié)構(gòu)于地震力作用之下，每一樓層與其上、下相鄰樓層的相對側(cè)向位移除以層高，即所謂的層間相對位移角，限制其值不得超過0.005；此外，計算位移時所施加的設計施工地震力，若基本震動周期系依結(jié)構(gòu)力學方法計算，所得的振動周期不必受小于經(jīng)驗公式1.4倍的限制。

依照以上規(guī)定，故可不必依法規(guī)調(diào)整總橫力而檢測本研究兩案例于自然震動周期下所得的層間相對位移角；且因角柱位于平面位置最邊緣，側(cè)向變位一般最大，故選擇角柱作為檢測對象。

5.2 應力比檢測

應力比的計算方法為鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的受壓軸力與彎矩互制方程式，其最后設計施工檢測基準為各構(gòu)件的應力比皆不得大于1，否則代表其需求超過構(gòu)件所能提供的設計施工容量；應力比過低代表設計施工有過度保守的情況，故應力比值為可充分檢測建筑結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果的標準。本研究的實際案例皆以填充型箱型鋼柱為主要柱構(gòu)件，屬于SRC構(gòu)造，于建構(gòu)模型時轉(zhuǎn)換斷面將的轉(zhuǎn)換為純鋼構(gòu)造，主要的梁構(gòu)件則均為鋼梁，模型最后檢測。

以下將本研究兩案例的建筑結(jié)構(gòu)模型依照規(guī)范檢測所得的應力比整理并繪制其分布中可清楚了解各層樓的梁、柱構(gòu)件應力比大小分布狀況，并對其進行檢測。其中，因所采用的模型為實際建筑案例，一般皆會設置小梁，然而小梁通常兩端為鉸接并僅承受垂直方向的載重，會與樓板共同承受垂直載重所造成的彎矩，分析檢測上常將其與樓板合成一并檢測，故不將其納入鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的應力比檢測中。

6 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)于使用性狀態(tài)下，僅需承受靜載重及活載重，使得國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)柱構(gòu)件的極限強度甚大于使用性狀態(tài)下所承受的載重，造成柱構(gòu)件的載重比分布范圍偏低，可望具有良好的耐火性能。除軸向載重，偏心載重亦影響柱構(gòu)件的耐火性能，可知彎矩亦將影響柱構(gòu)件的防火性能。有鑒于此，探討國內(nèi)既有建筑結(jié)構(gòu)實際案例的填充型箱型鋼柱的載重比分布范圍確實有其必要。此外，為增加探討范圍的全面性及深入性，應該分析載重比細分為軸壓比、彎矩比以及載重比三種類型，分別為柱構(gòu)件承受的軸向壓力、彎矩以及軸壓與彎矩交互作用與其分別的極限強度比值檢測。

參考文獻

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