黃 璇，姚麗莉

（1.福州理工學(xué)院 應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350000；2.福建省建筑輕紡設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一所,福建 福州 350000）

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何在有限的土地資源上建造出更加環(huán)保經(jīng)濟(jì)實(shí)用且可持續(xù)發(fā)展的新型建筑，在建筑建造領(lǐng)域備受關(guān)注，近年來，在部分建筑結(jié)構(gòu)中有所采用[1-6]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)使用寬扁梁后，可有效改善結(jié)構(gòu)在重力荷載和地震作用等施加下的受力狀況，提高了建筑的綜合效益[7-12]。

本文以鋼管輕骨料混凝土框剪結(jié)構(gòu)實(shí)用性研究項(xiàng)目為背景，基于實(shí)際工程建立PKPM結(jié)構(gòu)模型，對新型的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行力學(xué)性能及熱工性能方面的計(jì)算和分析，論證鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)體系的可行性及實(shí)用性，研究成果可為同類結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程結(jié)構(gòu)基本信息

1.1 工程概況

某高層實(shí)驗(yàn)辦公樓，位于福建省福州市中心地段，主樓共10層，其中地下2層，地上8層，占地面積2 987.04 m2，建筑面積24 419.11 m2，其中地上建筑面積18 579.11 m2，地下建筑面積5 840.0 m2；建筑總高度從門廳室外地面到屋面女兒墻上皮結(jié)構(gòu)標(biāo)高為30.20 m。建筑設(shè)計(jì)使用年限分類3類，設(shè)計(jì)使用年限50 a。建筑防火等級：地上部分二級耐火等級，地下部分一級耐火等級。

1.2 計(jì)算模型

實(shí)用PKPM軟件，建立3個不同的建筑模型分別對其力學(xué)性能指標(biāo)、建筑節(jié)能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)其各自的材料用量，結(jié)合市場價(jià)格，比較三種模型的經(jīng)濟(jì)效益，分析三者在技術(shù)效益，社會效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)劣性。

（1）模型1為地下2層，地上8層，建筑總高為31.9 m的普通鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)；

（2）模型2為地下2層，地上8層，建筑總高為31.9 m的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)。本模型將框架柱替換為鋼管輕骨料混凝土柱，將梁高超過400 mm的框架梁和次梁替換為梁高400 mm的寬扁梁，所有的混凝土部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件建筑材料全部等強(qiáng)度替換為輕骨料混凝土；

（3）模型3為地下2層，地上9層，建筑總高為31.9 m的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)，為保持與前兩個模型相同的建筑總高度，降低了本模型每層的層高。

PKPM三維模型分別如下圖1、圖2、圖3所示。

圖1 模型一Fig.1 Model one

圖2 模型2Fig.2 Model two

圖3 模型3Fig.3 Model three

模型2和模型3采用鋼管輕骨料混凝土柱和輕骨料混凝土剪力墻，使得建筑物的自保溫能力大大提高，因此，屋面及剪力墻部分的保溫材料厚度小于模型1，而鋼管輕骨料混凝土柱部分甚至不需要用到其他的保溫材料，利用主體結(jié)構(gòu)建材本身自保溫即能夠滿足規(guī)范要求。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)總信息

三種建筑結(jié)構(gòu)模型總信息如表1所示。

表1 建筑結(jié)構(gòu)總信息對比表Tab.1 Comparison of total information of building structure

表格中，恒載產(chǎn)生的總質(zhì)量為外加恒載及結(jié)構(gòu)自重；結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量和活載產(chǎn)生的總質(zhì)量為折減后的活載；結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為活載產(chǎn)生的質(zhì)量、恒載產(chǎn)生的質(zhì)量及附加質(zhì)量。

由表1可知，模型2與模型1相比，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量及恒載產(chǎn)生的總質(zhì)量均有下降，二者分別下降了19.7%及17.8%；而模型3與模型1相比，恒載產(chǎn)生的總質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量均有下降，二者分別下降了16.7%和14.4%。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)振動周期比

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[13]規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)的第一自振周期T3和第一自振周期T1的比值必須滿足一個限值，A級高度的結(jié)構(gòu)物不應(yīng)大于0.9。一般設(shè)計(jì)情況下，只取第1到第3振型進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的振動周期(秒)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)、X，Y方向的平動系數(shù)Tab.2 Consider the vibration period(s),torsional coefficient,and translational coefficient in X and Y directions

從表2，可知：3個模型結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比分別為0.746 6、0.710 6、0.704 6，均符合A級高度建筑不應(yīng)大于0.9的規(guī)范要求。

2.3 有效質(zhì)量系數(shù)及計(jì)算振型數(shù)

《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》[13]指出，對于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，時，宜考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于15，對多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]第5.2.2條文說明也說明為使高柔建筑的分析精度有所改進(jìn)，其組合的振型個數(shù)適當(dāng)增加，振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)。本工程3種模型的計(jì)算振型數(shù)及有效質(zhì)量系數(shù)如表3所示，計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求。

表3 有效質(zhì)量系數(shù)及計(jì)算振型數(shù)Tab.3 Effective mass coefficient and calculated mode number

2.4 各層X，Y方向作用力（CQC）比較結(jié)果

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]指出，在進(jìn)行抗震驗(yàn)算時，每一結(jié)構(gòu)層的水平地震剪力應(yīng)符合下式要求：

3個模型的樓層水平地震剪力以及剪重比如表4所示。

表4 X，Y方向樓層水平地震剪力以及剪重比（均取地面第一層數(shù)據(jù)）Tab.4 Horizontal seismic shear force and shear weight ratio of floors in X and Y directions(data of the first floor of the ground are taken

表中，Vx為X向地震作用下結(jié)構(gòu)的樓層剪力；Vy為Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的樓層剪力；Mx為X向地震作用下結(jié)構(gòu)的彎矩；My為Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的彎矩。

如表3-4所示，兩個模型的X向樓層最小剪重比3.57%、2.87%和Y向樓層最小剪重比3.44%、2.99%均小于按抗震規(guī)范(5.2.5)條對7度抗震類別要求的樓層最小剪重比為1.60%。

2.5 地震作用下最大層間位移及層間位移角的比較

SATWE的計(jì)算結(jié)果中，關(guān)于位移的結(jié)果主要有兩個控制指標(biāo)，分別是：層間位移角和位移比。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件多用于主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或者是多高層建筑框架結(jié)構(gòu)房屋，其層間位移應(yīng)滿足以下要求：

不宜大于1/400（風(fēng)荷載作用）；

不宜大于1/300（多遇地震作用）；

不宜大于1/50（罕遇地震作用）。

對于位移的控制，主要抗側(cè)力構(gòu)件為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的多高層建筑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其樓層層間最大位移與層高之比Δu/h應(yīng)按《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[13]：

不宜大于1/800（高度不大于150 m的框架剪力墻高層建筑）。

本工程模型1、模型2和模型3在X、Y方向地震下樓層層間最大位移與層高之比均小于1/800，符合規(guī)范規(guī)定。3個模型在X，Y方向的地震作用下的樓層最大位移表5、表6所示。

表5 三個模型X方向的地震作用下的樓層最大位移Tab.5 Maximum floor displacement under seismic action in the X direction of the three models

表6 三個模型Y方向的地震作用下的樓層最大位移Tab.6 Maximum floor displacement under seismic action in the Y direction of the three models

表中，F(xiàn)loor為層號；Tower為塔號；Jmax為最大位移對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號；JmaxD為最大層間位移對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號；Max-(X)，Max-(Y)為X，Y方向的節(jié)點(diǎn)最大位移；Ave-(X)，Ave-(Y)為X，Y方向的層平均位移；Max-Dx，Max-Dy為X，Y方向的最大層間位移；Ave-Dx，Ave-Dy為X，Y方向的平均層間位移；Max-Dx/h，Max-Dy/h:X，Y方向的最大層間位移角；h為層高。

表5、表6所示的X，Y方向地震作用下的樓層最大位移結(jié)果可以看出，模型2和模型3雖然采用了寬扁梁結(jié)構(gòu)，梁高低于普通梁，使得剛度變小，但是由于采用了鋼管輕骨料混凝土柱，增加了整體模型的側(cè)向剛度，彌補(bǔ)了寬扁梁減小剛度的不足，因此位移比模型1要小。而模型3在模型2的基礎(chǔ)上保持建筑總高度不變但是增加了一個樓層，剛度比模型2更大，因此位移比模型2更小。

2.6 三種模型的熱學(xué)性能比較

根據(jù)規(guī)范《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]、《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》[16]的規(guī)定，計(jì)算本工程三種模型的屋面及外墻面的保溫隔熱特性指數(shù)。由于三種模型的外墻砌體均采用加氣混凝土砌塊，僅框架柱、剪力墻和梁部分的建筑材料發(fā)生變化替換成為了輕骨料混凝土，因此，僅列出了混凝土外墻部分的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)結(jié)果。

（1）屋面部分(卷材涂膜防水屋面)

模型1屋面保溫構(gòu)造：鋼筋混凝土屋面+20厚1∶3水泥砂漿找平層+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽層（G5）+最薄處30厚LC5.0輕集料混凝土2%找坡層+25厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+兩道SBS高聚物改性瀝青防水卷材（卷材總厚度不小于4+3）+10厚低標(biāo)號砂漿隔離層。其屋面保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表7。

表7 模型1屋面保溫隔熱驗(yàn)算Tab.7 Model 1 roof insulation check calculation

模型2、模型3屋面保溫結(jié)構(gòu)做法：輕骨料混凝土屋面板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽層（G5）+最薄處30厚LC5.0輕集料混凝土2%找坡層+25厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂漿找平層+兩道SBS高聚物改性瀝青防水卷材（卷材總厚度不小于4+3）+10厚低標(biāo)號砂漿隔離層。模型2、模型3的屋面保溫層所采用的擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度僅為20 mm，與模型1相比減少了5 mm。其屋面保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表8。

表8 模型2、模型3屋面保溫隔熱驗(yàn)算Tab.8 Model 2,model 3 roof thermal insulation check calculation

經(jīng)計(jì)算，3種模型屋面保溫層總熱阻值R0分別為：1.631、1.58、1.58，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K分別為：0.613、0.66、0.66，熱惰性指標(biāo)D分別為：3.109、3.386、3.386。據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K及熱惰性指標(biāo)D的限值分別小于0.9[W/（m2·K）]和2.5，故K、D均滿足規(guī)范要求。

（2）剪力墻及框架柱部分

由于本工程3種模型的外墻砌體均采用加氣混凝土砌塊，僅框架柱改為鋼管輕骨料混凝土框架柱，剪力墻和梁部分僅僅是將建筑材料替換成為了輕骨料混凝土，因此，只列出了混凝土外墻及框架柱部分的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)結(jié)果。

1）混凝土外墻

模型1外墻構(gòu)造作法：外飾面+250厚鋼筋混凝土+界面劑+30厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5 mm厚抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布一層+內(nèi)飾面。其外墻保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表9。

表9 模型1外墻保溫隔熱驗(yàn)算Tab.9 Model 1 external wall thermal insulation check calculation

模型2、模型3外墻保溫構(gòu)造做法如下：外飾面+250厚輕骨料混凝土+界面劑+20厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5厚抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布一層+內(nèi)飾面[]。與模型1相比，模型2、3的外墻所采用的膠粉聚苯顆粒保溫砂漿的厚度要減少10 mm，這在一定程度上減少了施工的工序，降低了施工難度。其外墻保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表10。

經(jīng)計(jì)算，3種模型外墻部分總熱阻值R0分別為：0.875、0.887、0.887，外墻傳熱系數(shù)K分別為：1.14、1.13、1.13，熱惰性指標(biāo)D分別為：3.857、4.103、4.103。據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，外墻傳熱系數(shù)K應(yīng)小于1.5[W/（m2·K）]，熱惰性指標(biāo)D應(yīng)大于3，故K、D均滿足規(guī)范要求。

2）框架柱

模型1框架柱保溫構(gòu)造做法：外飾面+400厚鋼筋混凝土+界面劑+30厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿+5厚抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布一層+內(nèi)飾面。其框架柱保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表11。

表11 模型1鋼筋混凝土框架柱保溫隔熱驗(yàn)算Tab.11 Model 1 reinforced concrete frame column thermal insulation check calculation

模型2、模型3的鋼管輕骨料混凝土柱部分保溫構(gòu)造做法如下：外飾面+5厚水泥砂漿抹灰+10厚鋼管+380厚輕骨料混凝土+10厚鋼管+防火防銹漆一道+2厚水泥砂漿內(nèi)抹灰。與模型1相比，模型2、模型3的鋼管輕骨料混凝土柱部分的保溫構(gòu)造沒有采用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿保溫，而是混凝土材料自保溫，這樣做不僅可以減少施工工序、降低施工難度，在很大程度上也降低了施工成本，一舉多得。其外墻保溫隔熱計(jì)算匯總表參見表12。

表12 模型2、模型3鋼管輕骨料混凝土柱保溫隔熱驗(yàn)算Tab.12 Model 2,model 3 steel tube lightweight aggregate concrete column thermal insulation check calculation

2.7 三種模型節(jié)能（空調(diào)、照明）等方面比較分析

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，公共建筑年耗電量約占我國全國經(jīng)計(jì)算，三種模型框架柱部分總熱阻值R0分別為：0.962、0.725、0.725，框架柱傳熱系數(shù)K分別為：1.04、1.3、1.3，熱惰性指標(biāo)D分別為：5.326、5.605、5.605。據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，外墻傳熱系數(shù)K應(yīng)小于1.5[W/（m2·K）]，熱惰性指標(biāo)D應(yīng)大于3，故K、D均滿足規(guī)范要求。

由表7～表12可以看出，模型2、模型3由于采用了自保溫性能更加優(yōu)良的輕骨料混凝土做為結(jié)構(gòu)主材料，相比于采用普通混凝土的模型1而言，無論是屋面還是外墻所需要的保溫材料都減少了，在鋼管輕骨料混凝土柱部分，甚至自保溫既能達(dá)到規(guī)范要求。這樣模型2、模型3與模型1相比施工工藝更加簡單，保溫材料用量也有一定程度的減少，節(jié)約了工程造價(jià)，該結(jié)論與相關(guān)研究結(jié)果一致[17]。

城鎮(zhèn)總耗電量的22%，公共建筑每平方米耗電量是普通居住建筑的10～20倍[18]，是日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家同類建筑的2倍[19]，由此可見，大型公共建筑的節(jié)能效率是我國建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)所在。而建筑室內(nèi)熱環(huán)境的控制最直觀的是通過控制空調(diào)系統(tǒng)的能耗來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑總能耗的50%～65%[20]。

利用PBECA軟件內(nèi)的采暖、電氣模塊對本工程的三個模型進(jìn)行動態(tài)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能綜合指標(biāo)條件如下所示：

1）室內(nèi)計(jì)算溫度：定義了房間就是定義了房間的使用功能，也就是定義了房間的使用溫度，本項(xiàng)目是公共建筑，主要房間為辦公室，因此夏季全天控制到26℃，冬季20℃。

2）采用典型氣象年數(shù)據(jù)作為室外氣象參數(shù)，空調(diào)換氣次數(shù)是1.0次/h。

冬季的福州地區(qū)主要能耗為電能，所以能耗都轉(zhuǎn)化為耗電量，單位轉(zhuǎn)化為kW·h。3個模型的空調(diào)照明等耗能匯總表如表13所示，其中，年花費(fèi)電費(fèi)按0.53元/kWh進(jìn)行計(jì)算。

表13 三種模型耗能匯總表Tab.13 Summary of the energy consumption of the three models

可以看出，采用輕骨料混凝土以后，由于建筑熱橋部分的保溫性能好，在一定程度上減少了空調(diào)部分的年耗電量，但是一般公共建筑的使用年限為50 a，那么根據(jù)上表結(jié)果可以計(jì)算出，如果采用模型2在電費(fèi)方面的花銷將比模型1減少（105.8-103.6）×50=110萬元，可見在相同建筑層高及建筑總高情況下，模型2在很大程度上實(shí)現(xiàn)了空調(diào)季節(jié)節(jié)約能耗的目的；而模型3因?yàn)樵黾恿艘粋€樓層，在電費(fèi)方面的花銷將比模型1增加（109.5-105.8）×50=185萬元，但是其每平方米耗電量較模型1低9%，因此，鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)在節(jié)約能耗方面較優(yōu)秀。

3 結(jié)論

本章通過PKPM軟件分別計(jì)算同樣建筑設(shè)計(jì)條件下的普通鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)和鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)以及保持建筑總高度不變增加一個樓層的鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)三種模型，對比三個模型的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁結(jié)構(gòu)的恒載產(chǎn)生的總質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量比起普通鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)均有明顯下降，在相同層高和樓層數(shù)的情況下二者分別下降了19.7%及17.8%（模型2與模型1相比）；即使在保持建筑總高度不變增加了一個樓層的情況下，二者依然分別下降了16.7%和14.4%（模型3與模型1相比）；

（2）3種模型各項(xiàng)指標(biāo)，如剪重比、X和Y方向的平動系數(shù)、振動周期、扭轉(zhuǎn)系數(shù)等均符合現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；

（3）3種結(jié)構(gòu)在位移較方面的比較結(jié)果可以看出：模型2與模型1相比，雖然采用了由于梁高降低而減少了部分剛度的寬扁梁，但是因?yàn)椴捎娩摴茌p骨料混凝土框架柱，提高了結(jié)構(gòu)整體剛度，X和Y方向地震作用下的樓層最大位移均小于模型1。在均為鋼管輕骨料混凝土框剪寬扁梁體系的情況下，由于模型3比模型2在建筑總高保持不變的情況下增加了一個樓層，房屋的剛度更大，位移更小。

（4）采用輕骨料混凝土替換普通混凝土，實(shí)現(xiàn)了大量建筑節(jié)能的目標(biāo)。