淺議多層鋼砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

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自1996年起，我國鋼年產(chǎn)量已經(jīng)超過1億噸，居世界首位，國家采取積極鼓勵和引導(dǎo)在建筑業(yè)使用鋼材的政策。鋼砼結(jié)構(gòu)體系作為一種新興的結(jié)構(gòu)體系，兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，符合國家的政策導(dǎo)向。在1997年11月建設(shè)部發(fā)布的新的《中國建筑技術(shù)政策》和建設(shè)部、國家冶金工業(yè)局頒布的《建筑用鋼技術(shù)政策》中，特別將鋼砼結(jié)構(gòu)列為要大力推廣的建筑新技術(shù)。可以預(yù)見，這種結(jié)構(gòu)在土木工程特別是多層建筑中將有著光明的應(yīng)用前景。

　　1.鋼砼結(jié)構(gòu)的特點分析

　　鋼砼結(jié)構(gòu)體系通常指的是鋼框架砼核心筒或剪力墻體系，抗側(cè)移剛度很大的混凝土核心筒或剪力墻主要抵抗風(fēng)荷載和地震作用，而鋼框架主要承受豎向荷載。

　　1.1降低用鋼量

　　鋼砼結(jié)構(gòu)體系兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。與全鋼結(jié)構(gòu)相比，可以降低用鋼量40%——55%，而施工速度與之相當(dāng)，能夠減少現(xiàn)場焊接工作量、降低防火處理費用；與混凝土結(jié)構(gòu)相比，可減輕結(jié)構(gòu)自重，增加建筑使用面積，縮短施工工期。因此是一種符合我國國情的較好的多層建筑結(jié)構(gòu)形式。

　　1.2抗壓承載力高，擴大了建筑使用空間

　　由于鋼砼柱的承載力高，柱子載面小，還可采用大柱網(wǎng)、大空間的框架結(jié)構(gòu)體系。所以在多層建筑中采用鋼砼柱比采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)增加使用面積3%-6%.

　　1.3柱子截面減小對抗震有利

　　和全鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼砼結(jié)構(gòu)柱的自重小，地震作用引起的地震反應(yīng)也將減小。據(jù)有關(guān)資料分析，多層建筑中采用鋼砼結(jié)構(gòu)體系比采用全鋼結(jié)構(gòu)，柱自重可以減少1/3～1/2，地震作用可以減少一半，相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一度。

　　2.多層鋼砼結(jié)構(gòu)的幾種常用體系

　　2.1多層鋼砼框架（或剪力墻）體系

　　多層鋼砼框架（或剪力墻）體系由外圍鋼框架和混泥土內(nèi)筒（或剪力墻）構(gòu)成，鋼框架與內(nèi)筒間的跨度一般為8—12m，并采用兩端餃接的鋼梁，或一端與鋼框架柱剛接相連另一端與內(nèi)筒餃接相連的鋼梁。典型工程實例包括深圳發(fā)展中心大廈，北京國貿(mào)中心二期塔樓。

　　2.2多層帶伸臂桁架的鋼砼框架體系

　　多層帶伸臂桁架的鋼砼框架體系在鋼框架混泥土內(nèi)筒體系的基礎(chǔ)上增加伸臂桁架，目的是提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，減少水平側(cè)移和內(nèi)筒承擔(dān)的傾覆力矩等。典型工程實例為深圳地王商業(yè)大廈。

　　2.3多層巨柱框架砼內(nèi)筒體系

　　多層巨柱框架砼內(nèi)筒體系通過設(shè)置巨型柱，使帶伸臂桁架的鋼框架砼內(nèi)筒體系的測向剛度得以進一步提高，巨型柱往往采用鋼管或鋼骨混泥土制成。典型工程實例包括北京冠城園A樓，上海金茂大廈，美國休斯頓西南銀行大廈等。

　　3.多層鋼砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的問題

　　3.1目前多層建筑、商住樓開發(fā)較多。隨著實心粘土磚的禁用，多層磚混結(jié)構(gòu)體系的逐漸退出，純框架體系更成為了大多數(shù)設(shè)計院首選的結(jié)構(gòu)體系，但純框架體系畢竟是柔性體系，抗震設(shè)計中只有一道梁柱框架抗震防線，強震下較易破壞甚至倒塌，可靠度較低；隨著層靈敏的增加，執(zhí)受力和變形工需要較大的柱，以致較難滿足用戶對柱、梁斷面盡量的要求?？蚣芰骸⒅浣盍吭龃?，結(jié)構(gòu)造價逐漸增加。

　　3.2建議五層以上的多層建筑優(yōu)先采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在分散、均勻、對稱和周邊的布置原則下利用樓、電梯間、分戶墻或允許落地的墻位合理布置長短適中，數(shù)量適當(dāng)?shù)目v、橫剪力墻，在保證樓板與剪力墻間傳遞水平力的可靠性下，可收到良好的抗震、使用及經(jīng)濟效果，主要如下：

　?。?）增加了一道抗震防線，使剪力墻成為第一道防線，框架成為第二道防線，較好地實現(xiàn)抗震設(shè)計多道設(shè)防的設(shè)計概念。

　?。?）設(shè)置剛度較框架大許多的剪力墻，提高了結(jié)構(gòu)的承載力，減少了層間變形，在常遇地震下的結(jié)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均不易開裂、破壞；在強震下，剪力墻不易剪切破壞，大大提高了結(jié)構(gòu)的防倒塌能力及可靠度。有關(guān)專家綜合日本震害調(diào)查得出結(jié)論：剪力墻的數(shù)量宜取每平方米樓面50mm長以上。

　?。?）剪力墻厚一般同填充墻厚，不會外露，剪力墻承受了大部分地震剪力及較大部分的地震傾覆力矩。這樣框架基本上以承受豎向荷載為主，柱、梁斷面均較小，配筋也較少，特別是框架梁的主筋減少較多。對于非大柱網(wǎng)的多層建筑，梁寬可取200mm，也不外露。對于建筑有較好的使用效果。

　?。?）一般墻量合理不太多的情況下，框剪結(jié)構(gòu)的混泥土工程量略小于純框架結(jié)構(gòu)，框剪結(jié)構(gòu)墻、柱基本都是構(gòu)造配筋，框架梁基本由豎向荷載控制配筋，鋼筋工程量小于純框架結(jié)構(gòu)，故多層建筑采用框剪結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益優(yōu)于純鋼框架結(jié)構(gòu)。

　　4.多層鋼砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計體系典型問題的處理

　　4.1對砼結(jié)構(gòu)裂縫的修補

　　采用表面密封法用于修補不再發(fā)展的裂縫，其縫隙寬度不大于0.2mm.具體做法為：在裂縫處用鋼絲刷將砼表面打毛，并用清水洗凈，然后噴涂或涂刷一層涂敷材料、丙烯酸橡膠、聚酯樹脂，或在裂縫上先鋪放玻璃絲布，再用修補材料涂刷。

　　4.2對砼結(jié)構(gòu)受損傷部位的修補

　　采用涂抹砂漿法或化學(xué)灌漿方法對于淺表面損傷，可采用涂抹砂漿法或化學(xué)灌漿法。其具體做法是先將受損表面清洗干凈，然后涂一層界面劑或低黏度環(huán)氧樹脂，再涂抹環(huán)氧樹脂砂漿或聚合物水泥砂漿進行修補。

　　4.3對砼結(jié)構(gòu)的加固

　　對砼結(jié)構(gòu)加固的目的是要在恢復(fù)中提高結(jié)構(gòu)的承載力，使結(jié)構(gòu)能繼續(xù)使用或改作其他用途。加固的方法，大致有以下幾種：

　?。?）采用增大截面加固方法，這是一種加大原結(jié)構(gòu)截面和配筋量的加固方法，用于提高構(gòu)件的抗彎強度、抗剪強度和剛度，也可用來修補砼的裂縫。這種方法的優(yōu)點是適用面廣，可用于加固梁、柱、墻、基礎(chǔ)、屋架弦、腹桿以及連接節(jié)點等。新澆砼標(biāo)號宜比原構(gòu)件砼標(biāo)號提高一級。施工工藝簡單，但是作業(yè)量大，減少了建筑的使用面積，施工中必須保證新老砼的粘結(jié)。必要時可采用砼界面劑。

　?。?）采用粘鋼加固方法。在鋼筋砼結(jié)構(gòu)表面用結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，以提高結(jié)構(gòu)承載力。這種方法的優(yōu)點是施工簡單、快捷。加固時，基本上不影響使用，主要用于梁的加固。鋼板應(yīng)延伸出需要加固部位外，延伸的長度應(yīng)滿足加固鋼板傳力的需要，如果鋼板的錨固長度受到限制，則需要采用錨拴或型箍板加固粘結(jié)。加固法至關(guān)重要的是處理好粘結(jié)處的砼表面和粘結(jié)鋼板的表面，選配好粘結(jié)的膠。黏膠后再加固加壓，膠固化后才能受力。

　?。?）采用增設(shè)支點加固方法。增設(shè)支點以減少結(jié)構(gòu)計算跨度，從而能較大幅度地提高承載能力，并能減少和限制梁、板的撓曲變形。該法的優(yōu)點是簡單，但使用空間受到限制。這種加固方法，應(yīng)核算增設(shè)支點后結(jié)構(gòu)受力情況的改變，該法多用于框架梁和一般梁的加固。

　　針對鋼砼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑中會遇到的一些具體問題，我們展開了一系列基礎(chǔ)性及應(yīng)用性的理論研究與工程實踐。研究的結(jié)果表明，鋼砼結(jié)構(gòu)可以用于多層建筑的建設(shè)，同時也為鋼砼結(jié)構(gòu)在建筑建設(shè)中的推廣應(yīng)用打下堅實的理論基礎(chǔ)。