李 慧， 覃祚威， 陳 忠， 范曉偉， 周榮富

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構(gòu)件(partially-encased composite steel and concrete member，簡稱PEC構(gòu)件)是在H型鋼腔體內(nèi)填充混凝土，并按照構(gòu)造及受力要求配置一定數(shù)量的連桿及縱筋形成的新型組合結(jié)構(gòu)[1]，PEC構(gòu)件的典型截面形式如圖1所示。相比傳統(tǒng)純鋼結(jié)構(gòu)受力方式，PEC構(gòu)件受力具有顯著優(yōu)勢，如圖2所示。圖2a為純鋼結(jié)構(gòu)的板件失穩(wěn)模態(tài)，在主鋼構(gòu)件內(nèi)填充混凝土后，腹板失穩(wěn)被抑制，翼緣失穩(wěn)模態(tài)改變，構(gòu)件穩(wěn)定性能提升，如圖2b所示；當(dāng)在截面中采用連桿拉結(jié)翼緣時(shí)，翼緣失穩(wěn)進(jìn)一步被抑制，構(gòu)件穩(wěn)定承載力更加提高，如圖2c所示。

圖1 PEC構(gòu)件截面形式

圖2 PEC構(gòu)件受力特點(diǎn)

相比鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)，部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系是融合框架-支撐結(jié)構(gòu)及PEC結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)體系，具有良好的剛度、承載能力和抗震性能，因此構(gòu)件截面尺寸有所減小，進(jìn)而增加建筑空間利用率；同時(shí)PEC構(gòu)件內(nèi)填充混凝土可減少H型鋼外露面積，有利于提高防火、防腐性能[2]，降低成本。PEC柱、PEC梁的鋼筋綁扎、混凝土澆筑為工廠預(yù)制加工，現(xiàn)場裝配式施工，具有質(zhì)量可靠、施工便捷、建設(shè)周期短、裝配性能良好等優(yōu)勢，同時(shí)腹板內(nèi)填充混凝土與內(nèi)外墻一體化裝修，避免腹板未填充混凝土的純鋼結(jié)構(gòu)隔聲、隔熱性能差問題，因此該體系具有較好的性能指標(biāo)。

在國外，Elnashai等團(tuán)隊(duì)對(duì)PEC結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量試驗(yàn)及理論研究[3-6]，并取得大量研究成果。目前已在加大拿蒙特利爾市1棟51層辦公樓1 000 De La Gauchetiere項(xiàng)目中應(yīng)用[7]。在國內(nèi)，PEC結(jié)構(gòu)處于推廣階段，應(yīng)用工程案例不多，尚未涉及PEC框架結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐設(shè)計(jì)方面[8]。本文以采用部分包覆鋼-組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的裝配式成套技術(shù)體系的東升和府10號(hào)樓住宅項(xiàng)目為例，介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)踐情況。

1 工程概況

東升和府10號(hào)樓項(xiàng)目為浙江省湖州市首個(gè)裝配式部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的住宅建筑，地下2層、地上17層。地上建筑面積1.1萬m2， 屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為53.800m，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層由2個(gè)對(duì)稱單元組成，首層層高5.9m，其余各層層高3m。根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，采用PC預(yù)制樓梯，外墻系統(tǒng)為PC墻板+保溫巖棉+ALC條板體系，內(nèi)墻系統(tǒng)為ALC條板及局部砌筑，廚衛(wèi)系統(tǒng)為集成衛(wèi)浴、集成廚房，并采用智能家居，結(jié)合全生命周期智慧管理平臺(tái)，即正向設(shè)計(jì)平臺(tái)與BIM協(xié)同管理平臺(tái)，打造裝配率為94%、AAA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的綠色二星裝配式建筑。

2 計(jì)算分析假定及計(jì)算模型

T/CECS 719—2020《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]于2021年1月1日實(shí)施，但相關(guān)設(shè)計(jì)軟件并未開發(fā)對(duì)應(yīng)模塊，可采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 構(gòu)件建模要點(diǎn)

PEC梁、PEC柱構(gòu)件的截面剛度采用疊加法，計(jì)算如下：

EA=Ec·Ac+Ea·Aa

(1)

GA=Gc·Ac+Ga·Aa

(2)

EI=Ec·Ic+Ea·Ia

(3)

式中：EA為截面軸向剛度(N)；Ec為混凝土彈性模量(N/mm2)；Ac為混凝土截面面積(mm2)；Ea為鋼材彈性模量(N/mm2)；Aa為主鋼件截面面積(mm2)；GA為抗剪剛度(N)；Gc為混凝土剪切模量(N/mm2)；Ga為鋼材剪切模量(N/mm2)；EI為抗彎剛度(N/mm2)；Ic為混凝土慣性矩(mm4)；Ia為主鋼件慣性矩(mm4)。

型鋼混凝土的截面剛度采用疊加法，故矩形PEC柱采用設(shè)計(jì)軟件的型鋼混凝土柱模塊進(jìn)行定義，混凝土外輪廓與型鋼輪廓尺寸一致。盈建科PEC柱截面定義截面總寬度B為200mm，截面總高度H為600mm，工形腹板厚度U為10mm，工形腹板總高度T為600mm，工形翼緣寬度D為200mm，工形翼緣厚度F為18mm。

PEC梁在計(jì)算整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時(shí)，剛度按式(1)考慮，但現(xiàn)有軟件未支持PEC梁構(gòu)件驗(yàn)算，可采用保守方法，即僅考慮外包混凝土放大鋼梁剛度和混凝土對(duì)梁防火包覆的有利作用，不參與構(gòu)件承載力計(jì)算。

計(jì)算模型按照純鋼梁，PEC梁剛度根據(jù)式(1)計(jì)算，得到PEC梁剛度EIPEC，通過剛度放大系數(shù)，將PEC梁剛度等效到鋼梁上，即等效放大系數(shù)α=EIPEC/(Ea·Ia)，再根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，分析結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力時(shí)，等效放大系數(shù)α=EIPEC/(Ea·Ia)，對(duì)邊框架PEC梁的EIPEC放大1.5倍，即對(duì)等效放大系數(shù)α放大1.5倍、中梁取2倍。PEC梁內(nèi)部填充混凝土自重作為附加恒荷載施加在鋼梁上。

2.2 計(jì)算軟件選擇及分析方法

為獲得可靠的計(jì)算分析結(jié)果，宜用≥2個(gè)適合的不同力學(xué)模型，分析比較技術(shù)結(jié)構(gòu)。采用盈建科YJK(V1.9.1)和ETABS(V16.2.0)軟件分析結(jié)構(gòu)小震，模型如圖4所示。

2.3 阻尼比的確定

根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，部分包覆鋼-混凝土組合抗震計(jì)算的阻尼比在多遇地震作用下，房屋高度>50m且<200m時(shí)可取0.03；風(fēng)荷載作用下樓層位移驗(yàn)算和構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，阻尼比可取0.02～0.04，此處取0.03；舒適度驗(yàn)算時(shí)的阻尼比可取0.01～0.02，此處取0.015。

3 整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3.1 周期和陣型

小震作用下，兩款計(jì)算軟件周期結(jié)果如圖5,6所示。YJK模型計(jì)算結(jié)構(gòu)周期比為0.75，ETABS模型周期比為0.73，均小于限值0.9，滿足規(guī)范要求。

圖6 ETABS模型計(jì)算結(jié)果

3.2 質(zhì)量分析

YJK軟件及ETABS軟件計(jì)算樓層總質(zhì)量如表1所示，總質(zhì)量相差幅度絕對(duì)值為0.24%，差異較小。

表1 樓層總質(zhì)量分析

3.3 位移比與層間位移比

考慮偶然偏心規(guī)定，水平力作用下層間水平位移比分析結(jié)果如圖7所示，層間位移比分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 層間水平位移比分析

圖8 層間位移比分析

3.4 層間位移角

根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架-支撐結(jié)構(gòu)的多層及高層結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/400，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，均滿足限值要求。

圖9 層間位移角分析

3.5 樓層側(cè)向剛度比及剪重比分析

根據(jù)JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架-支撐結(jié)構(gòu)、樓層與相鄰上層側(cè)向剛度比γ2，考慮修正的樓層側(cè)向剛度比，本層與相鄰上層比γ2宜≥0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高1.5倍時(shí)，宜≥1.1；結(jié)構(gòu)底部嵌固層比宜≥1.5。首層及2層剛度與層高如表2所示。

表2 首層及2層剛度與層高

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，1層為底部嵌固層，剛度比如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(8.33×105×3)=1.62≥1.5，滿足規(guī)范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.03×106×3)=1.66≥1.5，滿足規(guī)范要求。

YJK軟件輸出結(jié)果算法如下：①x向剛度比值 (6.85×105×5.9)/(1.5×8.33×105×3)=1.08≥1.0，滿足規(guī)范要求；②y向剛度比值 (8.68×105×5.9)/(1.5×1.03×106×3)=1.105≥1.0，滿足規(guī)范要求。各樓層側(cè)向剛度比如圖10所示。

圖10 樓層側(cè)向剛度比分析

YJK和ETABS模型的樓層剪力及剪重比分析結(jié)果如圖11所示。剪重比均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》最小剪重比0.8%的要求。

圖11 剪重比分析

4 構(gòu)件驗(yàn)算

4.1 PEC梁驗(yàn)算

部分包覆鋼-混凝土組合梁截面中，主鋼件截面應(yīng)滿足寬厚比限值要求，如表3所示。

表3 梁主鋼件的截面分類和寬厚比限值

梁截面受彎承載力應(yīng)符合下式：

M≤Mu

(1)

(2)

式中：M為彎矩設(shè)計(jì)值(N·mm)；Mu為截面受彎承載力設(shè)計(jì)值(N·mm)。fcw為梁主鋼件腹部混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；x為組合截面中和軸至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；bf，ha，tf，tw分別為構(gòu)件翼緣寬度、截面高度、翼緣厚度、腹板厚度(mm)；α1為受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C50時(shí)，取值1.0；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，取0.94，中間按線性內(nèi)插法確定；fy,f′y分別為鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；fa，f′a分別為鋼材抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；As，A′s分別為縱向受拉、受壓鋼筋截面面積(mm2)；Aa，Aac分別為梁主鋼件截面、梁主鋼件受壓區(qū)截面面積(mm2)；as，as分別為受拉區(qū)鋼筋合力作用點(diǎn)至混凝土受拉邊緣的距離，受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)至混凝土受壓邊緣的距離(mm)；Sat，Sac分別為受拉區(qū)梁主鋼件截面、受壓區(qū)梁主鋼件截面對(duì)組合截面塑性中和軸的面積矩(mm3)；h0是混凝土截面有效高度(mm)，即混凝土截面受壓區(qū)的外邊緣至梁主鋼件受拉翼緣與受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離；ES為鋼筋彈性模量(N/mm2)。

部分填充組合梁僅考慮外包混凝土放大梁剛度(用于整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算)，及混凝土對(duì)梁防火包覆的有利作用，不參與構(gòu)件承載力計(jì)算。根據(jù)YJK計(jì)算得到的梁應(yīng)力比不超過限值1，按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，得到結(jié)構(gòu)梁的最大應(yīng)力比為0.85，撓度不超過規(guī)范限值，PEC梁的最大撓度限值如表4所示。

表4 部分包覆鋼-組合梁最大撓度限值

4.2 PEC柱驗(yàn)算

YJK軟件計(jì)算整體模型后，得到對(duì)應(yīng)構(gòu)件信息的內(nèi)力組合，然而目前軟件對(duì)PEC柱構(gòu)件并未有相應(yīng)模塊驗(yàn)算截面。根據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，PEC柱驗(yàn)算如下。

1)主鋼件鋼貢獻(xiàn)率如下：

(3)

式中：0.3≤δ≤0.9。截面主鋼件鋼貢獻(xiàn)率為0.6，滿足規(guī)范限值。同時(shí)，PEC柱截面中，主鋼件截面與縱筋面積率為0.12，滿足<0.2規(guī)范要求。

2)軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定驗(yàn)算如下：

N≤φNu

(4)

式中：Nu為軸向壓力設(shè)計(jì)值；Mu為截面受壓承載力設(shè)計(jì)值(N)；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

3)采用《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》驗(yàn)算單向壓彎構(gòu)件承載力，符合要求。

4)單向壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力采用《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行驗(yàn)算，符合要求。

5)雙向壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力按照《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行驗(yàn)算，符合要求。

4.3 鋼支撐驗(yàn)算

該結(jié)構(gòu)體系采用箱形鋼截面中心支撐，箱形鋼支撐呈平面對(duì)稱布置，即支撐1(支撐4)、支撐2(支撐3)、支撐5(支撐6)，首層支撐尺寸為B250×350×16×16，支撐1～6的應(yīng)力比分別為0.39,0.47,0.53,0.3,0.55,0.55。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，建筑結(jié)構(gòu)以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震設(shè)防目標(biāo)。鋼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)非常大，故對(duì)鋼支撐補(bǔ)充中震彈性分析，鋼支撐構(gòu)件1～9的應(yīng)力比分別為0.98,0.98,0.66,0.62,0.57,0.545,0.36,0.29,0.23，均≤1.0，滿足中震彈性要求。

5 PEC構(gòu)件加工及安裝

5.1 構(gòu)件加工

PEC構(gòu)件的鋼構(gòu)件及填充混凝土均為工廠預(yù)制。工廠通過深化部門提供的構(gòu)件深化圖紙，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠房依據(jù)構(gòu)件尺寸加工鋼骨部分，再流轉(zhuǎn)到PC加工廠房，綁扎鋼筋后澆筑混凝土，構(gòu)件加工后粘貼二維碼標(biāo)識(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)至堆場區(qū)待運(yùn)往施工現(xiàn)場。PEC梁加工過程如圖12所示。PEC柱加工過程如圖13所示。

圖12 PEC梁加工過程

圖13 PEC柱加工過程

5.2 現(xiàn)場安裝

施工現(xiàn)場PEC柱利用連接耳板為吊裝孔，進(jìn)行兩點(diǎn)起吊，根據(jù)柱身標(biāo)注的安裝方向及平面定位，吊到就位上方200mm時(shí)緩慢下落，就位后進(jìn)行測量校正，使柱中心線與下面一段柱的中心線吻合，兼顧各端面。活動(dòng)雙夾板平穩(wěn)插入下節(jié)柱對(duì)應(yīng)的安裝耳板上，穿好連接螺栓，連接臨時(shí)連接夾板。臨時(shí)固定柱后進(jìn)行初校，復(fù)測與梁連接的牛腿標(biāo)高，以便梁的安裝，以牛腿作為標(biāo)高基準(zhǔn)進(jìn)行定位。完成柱對(duì)接后，上下兩節(jié)PEC柱腹板及翼緣焊接后割除臨時(shí)連接板，完成柱的安裝，再澆筑拼接段混凝土。梁柱連接節(jié)點(diǎn)如圖14所示。

圖14 梁柱連接節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)語

以采用部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)的住宅項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)計(jì)算模型分析假定、PEC構(gòu)件在計(jì)算軟件中的建模方法、整體指標(biāo)計(jì)算、構(gòu)件驗(yàn)算要點(diǎn)進(jìn)行說明，闡明構(gòu)件工廠全預(yù)制化生產(chǎn)過程、現(xiàn)場全裝配化施工流程，再使用BIM建筑信息化技術(shù)、全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)推廣部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐結(jié)構(gòu)體系建筑設(shè)計(jì)提供參考。