劉志強(qiáng)，曾潔穎

(1.昆明市建筑設(shè)計(jì)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(fā)建設(shè)管理有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于昆明市官渡區(qū)矣六街道辦，屬于昆明市公共租賃住房漁村片區(qū)泓惠園項(xiàng)目，項(xiàng)目包含13棟20層住宅和 若干棟商業(yè)以及大底盤地下室。為了貫徹各級(jí)政府對(duì)裝配式建筑的建設(shè)要求，項(xiàng)目建設(shè)方在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上決定在1號(hào)樓采用鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并且達(dá)到AAA級(jí)裝配式建筑的建設(shè)目標(biāo)。

1號(hào)樓地上20層，地下1層并帶一層夾層，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)體系

典型鋼管混凝土束組合結(jié)構(gòu)建筑體系組成模塊如圖2所示，主要由主體結(jié)構(gòu)體系、樓(屋)面梁板體系、圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)的防腐與防火組成。其中主體結(jié)構(gòu)體系由作為主要承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)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(xiàn)場(chǎng)安裝完成后再內(nèi)部澆筑混凝土形成鋼管束組合結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jù)結(jié)構(gòu)布置和計(jì)算需要選擇相應(yīng)的組合形式和截面尺寸(本項(xiàng)目中選用的是厚度150 mm的鋼管束)。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，鋼管束豎向采用三層為一截的安裝拼接方式，施工時(shí)不需要設(shè)置模板，極大的減少了豎向鋼構(gòu)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(fā)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(xiàn)場(chǎng)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?？梢灾貜?fù)利用。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)分析模型見圖4。鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)件各方向尺度比例以及整體結(jié)構(gòu)的受力性能與剪力墻結(jié)構(gòu)相似，構(gòu)件的材料組成和零件構(gòu)造又與約束鋼管混凝土一致。該類型結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度上比常規(guī)相同尺寸設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)大，在結(jié)構(gòu)整體延性上又比混凝土結(jié)構(gòu)更好，相關(guān)的整體指標(biāo)的控制可以參照鋼結(jié)構(gòu)確定。因此，這種新型的結(jié)構(gòu)體系綜合了鋼與混凝土的優(yōu)勢(shì)，是一種新型的構(gòu)件形式。同時(shí)，其豎向構(gòu)件和樓面水平構(gòu)件施工時(shí)均不需要設(shè)置模板，極好的滿足了相關(guān)規(guī)范對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的要求。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，按照規(guī)范要求進(jìn)行了小震和大震下的結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)也對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元模擬分析，以驗(yàn)證該類型結(jié)構(gòu)在地震作用下的可靠性。

3.1 多遇地震下結(jié)構(gòu)分析

多遇地震下，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用PKPM軟件和YJK軟件進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)彈性分析。計(jì)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(gòu)件壓彎承載力分析時(shí)考慮如下假定：1)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；2)不考慮鋼管束對(duì)混凝土的約束增強(qiáng)作用；3)不考慮鋼管束的冷彎處的截面變化和應(yīng)力強(qiáng)化；4)鋼板與墻體內(nèi)部混凝土黏結(jié)良好，彈性階段，鋼板和混凝土不產(chǎn)生滑移(管徑小、混凝土采用自密實(shí)混凝土)；5)鋼管壁不發(fā)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(zhǔn)則，并考慮一定的截面塑性發(fā)展系數(shù)；8)對(duì)于工字形、L形、Z字形和槽形墻體，簡(jiǎn)化為單片一字形墻進(jìn)行計(jì)算。項(xiàng)目位于昆明市官渡區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，小震下結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果如表1所示。

表1 小震下結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，小震下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，最大層間位移角滿足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定[2]。

3.2 大震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

3.2.1 分析方法

如前面所述，此類新結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系，介于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)之間，為了更準(zhǔn)確的分析結(jié)構(gòu)在大震下的塑性變形特征、構(gòu)件的塑性和損傷模式、結(jié)構(gòu)整體的屈服機(jī)制等，同時(shí)尋找結(jié)構(gòu)存在的薄弱層或者薄弱部位，有必要補(bǔ)充分析結(jié)構(gòu)在大震下的性能。結(jié)構(gòu)整體動(dòng)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(jìn)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(cè)兩層為鋼材，各層厚度與形心位置與構(gòu)件截面構(gòu)造完全一致。軟件計(jì)算分析時(shí)鋼材采用雙線性隨動(dòng)硬化模型(見圖5)，考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中，無剛度退化?；炷敛牧喜捎脧椝苄該p傷模型(見圖6)，能夠考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等特性。

計(jì)算時(shí)，未考慮鋼管對(duì)混凝土的約束作用，該約束作用對(duì)混凝土強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，不考慮時(shí)計(jì)算結(jié)果是偏安全的。ABAQUS和PKPM模型對(duì)比結(jié)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(jié)構(gòu)周期比較表

動(dòng)力彈塑性分析時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求選取了三條地震動(dòng)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(jì)算得到基底剪力與反應(yīng)譜法結(jié)果比值如表3所示，從計(jì)算結(jié)果可知所選地震波具有代表性，其頻譜特性滿足規(guī)范對(duì)時(shí)程分析所選地震波的相關(guān)要求。

表3 時(shí)程分析基底剪力與反應(yīng)譜對(duì)比表

3.2.2 分析結(jié)果

通過動(dòng)力彈塑性分析，得到各條地震波作用下，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角均滿足不大于1/70的要求，滿足規(guī)范限值要求。圖8為在天然波waven-1作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角曲線圖。

表4 大震下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在最后時(shí)刻的損傷結(jié)果。分層殼單元中兩側(cè)鋼板的塑性應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)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(fā)生在底部加強(qiáng)區(qū)，局部墻肢受壓損傷較大，但是主承重墻墻肢受壓損傷系數(shù)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(yán)重，中上部小墻肢也出現(xiàn)受拉損傷的情況，這主要是因?yàn)閴w混凝土抗拉強(qiáng)度較低，出現(xiàn)稍大一點(diǎn)的變形就會(huì)開裂導(dǎo)致的。

從圖10鋼板墻的外層鋼板的應(yīng)力分析結(jié)果顯示，鋼板整體的最大拉應(yīng)力沒超過215 MPa,沒超過鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)整體性能依舊滿足要求，混凝土的受拉損傷屬于正?，F(xiàn)象。同時(shí)，從應(yīng)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(yīng)力較大外，上部各樓層總體應(yīng)力較小。從圖10右側(cè)鋼板應(yīng)變圖可以看出，嵌固端僅局部鋼板發(fā)生塑性應(yīng)變，鋼管束組合剪力墻鋼板出現(xiàn)的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.014 2，小于鋼材的最大塑性應(yīng)變0.025，且發(fā)生塑性應(yīng)變的范圍相對(duì)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(yīng)力圖，分析大震下樓面梁的損傷情況，其中圖11為第一層結(jié)果，圖12為第八層的結(jié)果。

從圖中可以看出一層在地震作用下由于側(cè)移變形相對(duì)較小，基本未有鋼梁梁端進(jìn)入屈服并形成塑性鉸，第八層層間變形相對(duì)較大，較多梁端形成塑性鉸，發(fā)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(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，大量的框架梁梁端出現(xiàn)塑性鉸，發(fā)揮較好的耗能作用；鋼管束組合剪力墻僅底部加強(qiáng)區(qū)附近局部墻肢鋼板進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，但塑性變形不大，鋼板整體應(yīng)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(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

3.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

鋼管束組合剪力墻結(jié)構(gòu)中，鋼管束壁厚相對(duì)樓面框架梁較薄，大震下墻梁節(jié)點(diǎn)部位的可靠性也是保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為驗(yàn)證連接的可靠性，須對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，圖13為樓面框架梁和鋼管束剪力墻面內(nèi)剛性連接節(jié)點(diǎn)大樣做法及節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，圖14為主要計(jì)算結(jié)果。

鋼管束組合剪力墻與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元選用三維實(shí)體單元Solid45，模型邊界條件為：對(duì)墻體截面約束三個(gè)方向的自由度，對(duì)墻頂截面約束面內(nèi)和面外自由度，同時(shí)考慮管內(nèi)混凝土和鋼管內(nèi)壁的接觸作用，另外通過在墻體和側(cè)板之間增加單元來模擬焊縫。圖14有限元計(jì)算結(jié)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(yīng)力均小于鋼板屈服應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管束相對(duì)變形也較小，節(jié)點(diǎn)可以滿足承載力要求。

綜上，通過對(duì)鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)體系的介紹，以及對(duì)實(shí)施案例在小震和大震下結(jié)構(gòu)性能的分析，以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有限元分析，證明了這一結(jié)構(gòu)體系的可行性以及優(yōu)越的抗震性能。通過該案例也證明了該類型結(jié)構(gòu)具有良好的承載力、抗側(cè)剛度、延性、耗能能力，是一種抗震性能優(yōu)越的組合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì)一般民用建筑“三階段、兩水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)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(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)均為免模體系，屬于裝配式建筑，根據(jù)《云南省裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定[3]，項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)可以得到滿分50分。同時(shí)，由于其建設(shè)周期短、施工質(zhì)量有保障、布局空間實(shí)現(xiàn)個(gè)性化需求、得房率高、節(jié)約建造能源和運(yùn)行能源等優(yōu)點(diǎn)，讓其成為高烈度地區(qū)建造裝配式建筑時(shí)的一種選擇。項(xiàng)目實(shí)施前通過了省級(jí)主管部門組織的新技術(shù)論證審查，同時(shí)項(xiàng)目中圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻、裝修和設(shè)備管線等按照裝配式要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)施工。項(xiàng)目現(xiàn)已完成初步驗(yàn)收，最終綠建裝配率評(píng)分為94分，達(dá)到AAA級(jí)綠色建筑的要求，并通過了省級(jí)主管部門組織的“裝配式建筑科技創(chuàng)新工程”終驗(yàn)，是一種高烈度地區(qū)今后值得推廣的新型裝配式結(jié)構(gòu)型式。