第10章 高层混合结构设计

1第10章高层混合结构设计10.1混合结构体系及布置10.2混合结构设计的有关规定10.3钢骨（型钢）混凝土框架10.4钢骨（型钢、钢板）混凝土剪力墙10.5圆钢管混凝土柱210.1混合结构体系及布置混合结构——由钢框架(框筒)、型钢(钢骨)混凝土框架(框筒)、钢管混凝土框架(框筒)、钢筋混凝土核心筒体及钢-混凝土组合楼板所组成的共同承受水平和竖向作用的建筑结构。一、混合结构构件类型(一)型钢混凝土构件—在型钢周围配置钢筋并浇筑混凝土的结构构件，又称钢骨混凝土构件，简称SRC.型钢混凝土课用于梁(型钢混凝土梁)、柱(型钢混凝土柱)，剪力墙(型钢混凝土剪力墙)（图10-1）3（二）钢管混凝土构件—钢管混凝土构件是在钢管内部充填浇筑混凝土的结构构件，钢管内部一般不再配置钢筋，简称CFST。钢管截面有圆钢管、方管、矩形管等（图10-2）圆钢管内的混凝土受到钢管的有效约束，可显著提高其抗压强度和极限压应变；方管、矩形管对混凝土约束效果较小，一般不考虑混凝土抗压强度提高；混凝土可增强钢管的稳定性，使钢材的强度得以充分发挥；钢管混凝土柱是一种比较理想的受压构件形式，具有良好的抗震性能，主要用于高层建筑中的柱。4（三）型钢混凝土剪力墙(钢板混凝土剪力墙）——在混凝土剪力墙的边缘构件中布置型钢，中部可以布置钢板（图10-3）。剪力墙两端的暗柱和翼柱中设置型钢后，承载力和变形能力大幅度提高；剪力墙端部设有型钢后，使钢梁与剪力墙的连接更方便；剪力墙中设置钢板后可增强抗侧移能力，减小墙的厚度。（四）钢-混凝土组合楼盖——一般由钢梁+压型钢板+混凝土板组成（图10-4）。利用钢材(钢梁和压型钢板)承受构件截面上的拉力、混凝土承受压力，使钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分别用。组合梁板中的钢梁可以承担施工荷载，而压型钢板则可直接作为楼板混凝土的横板，加快施工进度，减轻楼板自重。5二、钢—混凝土混合结构体系我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》和《高层民用建筑钢结构技术规程》中钢—混凝土混合结构体系有。钢框架—钢筋混凝土核心筒(或剪力墙)；钢框架—型钢混凝土核心筒(或剪力墙)；型钢混凝土框架—钢筋混凝土核心筒(或剪力墙)；型钢混凝土框架—型钢混凝土核心筒(或剪力墙)；钢框筒—混凝土核心筒；钢框筒—型钢混凝土核心筒；…………6三、高层建筑混合结构的结构布置和概念设计（一）结构总体布置高层混合结构房屋的总体布置原则与高层建筑混凝土结构基本相同。混合结构房屋平面的外形宜简单规则：宜采用方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形等规则对称的平面；尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合；建筑的开间、进深宜统一；筒中筒结构体系中，当外围钢框架柱采用H形截面时，宜将柱截面强轴方向布置在外围筒体平面内；角柱宜采用十字形、方形或圆形截面；楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。7混合结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件截面宜由下至上逐渐减少，无突变。混合结构的外围框架柱沿高度宜采用同类结构构件；当采用不同类型和材料的构件时，应设置过渡层。对于刚度突变的楼层，如转换层、加强层、空旷的顶层、顶部突出部分、型钢混凝土框架与钢框架的交接层及邻近楼层，应采取可靠的过渡加强措施。钢框架部分设置支撑时，宜采用偏心支撑和耗能支撑，支撑宜连续布置，且在相互垂直的两个方向均宜布置，并相互交接；支撑框架在地下部分宜延伸至基础。混合结构中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接；楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接可采用刚接或铰接。楼盖体系应具有良好的水平刚度和整体性。8（二）概念设计保证钢筋混凝土筒体的承载力及延性——地震时高层建筑混合结构破坏主要集中于混凝土筒体，表现为混凝土筒体底部混凝土受压破坏以及暗柱和角柱的纵筋压屈。增强外围框架的刚度及承载力——混合结构高层建筑中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接，以增强外围框架的侧向刚度及水平承载力。设置外伸桁架加强层——采用外伸桁架加强层可以将筒体剪力墙的部分弯曲变形转换成框架柱的轴向变形，以减小水平荷载作用下的侧移。（三）混合结构高层建筑适用的最大高度(表10-1)CECS230:2008《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》规定的最大高度见pp312表10-1。（四）混合结构高层建筑的最大高宽比(表10-2)(五)丙类建筑混合结构的抗震等级(表10-3)(pp316表10-5)910.2混合结构设计的有关规定一、结构计算1、弹性分析时，宜考虑钢梁与现浇混凝土楼板的共同作用，梁的刚度可取钢梁刚度的1.5～2.0倍，但应保证钢梁与楼板有可靠连接。弹塑性分析时，可不考虑楼板与梁的共同作用。2、结构弹性阶段的内力和位移计算时构件刚度取值型钢混凝土构件、钢管混凝土柱的刚度：10无端柱型钢混凝土剪力墙可近似按相同截面的混凝土剪力墙计算其轴向、抗弯和抗剪刚度——不计端部型钢对截面刚度的提高作用；有端柱型钢混凝土剪力墙可按H形混凝土截面计算其轴向和抗弯刚度，端柱内型钢可折算为等效混凝土面积计入H形截面的翼缘面积，墙的抗剪刚度可不计入型钢作用；钢板混凝土剪力墙可将钢板折算为等效混凝土面积计算其轴向、抗弯和抗剪刚度。3、竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土(钢管混凝土)柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、徐变、沉降及施工调整等因素的影响.4、混合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为0.04。风荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取为0.02～0.04。11二、内力及位移要求1、高层建筑混合结构框架部分的最小地震层剪力标准值应满足下式的要求，同时也不应小于按结构整体分析得到的框架部分的地震层剪力。Vfi≤ViVfi——第i楼层框架部分的地震层剪力；Vi——第i楼层的总地震层剪力；——框架部分的地震层剪力分担率(表10-4)。当框架部分的地震层剪力按上式调整时，由地震作用产生的该楼层各构件的剪力、弯矩和轴力标准值均应进行相应调整。对于非双重抗侧力体系，剪力墙或核心筒应承担100％的地震剪力。122、在风荷载和多遇地震作用下，其结构最大弹性层间位移角不宜大于(表10-5)的限值。3、罕遇地震作用下高层建筑混合结构的弹塑性层间位移角，混合框架结构不应大于1／50，其余结构不应大于1／100。4、地震设计状况下，型钢(钢管)混凝土构件的承载力抗震调整系数RE（表10-6）。地震设计状况下，钢构件的承载力抗震调整系数RE（表10-7）。1310.3钢骨（型钢）混凝土框架一、一般规定和构造要求常用实腹式钢骨混凝土梁、柱的截面形式如（图10-5）。当在外包混凝土中配置一定量的构造钢筋时，钢骨与外包混凝土能较好地协调变形，共同承受荷载作用.（一）截面构造及纵筋配置钢骨混凝土梁、柱的构造要求见(图10-6)。钢筋的混凝土保护层厚度按《混凝土规范》采用，梁、柱钢骨的保护层厚度不小于100mm和150mm。钢骨混凝土梁受拉纵向钢筋配筋率不少于0.2％。14梁的受压侧角部应各配置一根16以上的纵筋。梁的受拉侧和受压侧纵筋均不宜超过两排，梁中纵向钢筋尽量避免穿过柱中钢骨翼缘。当梁的腹板高度大于600mm时，在梁的两个侧面沿高度配置纵向构造钢筋(腰筋)。纵向构造钢筋的间距不大于300mm(图10-7)。钢骨混凝土柱受压侧纵向钢筋的配筋率不应小于0.2％，全部纵向钢筋的配筋率不应小于0.6％，在四角各配置一根直径不小于16mm的纵向钢筋。15（二）箍筋配置(1)钢骨混凝土梁的箍筋钢骨混凝土梁的最小面积配箍率不小于0.3％(特一级)、0.25％(一、二级)和.2％(三、四级和非抗震)；箍筋直径和间距应符合（表10-8）(pp20表10-7)的要求，箍筋间距不应大于梁高的1／2。抗震设计的框架钢骨混凝土梁端部箍筋应加密，在距梁端1.5倍梁高的范围内，箍筋直径和间距应符合（表10-8）(pp20表10-7)的要求；当梁净跨小于梁截面高度的4倍时，全跨箍筋按加密要求配置。16(2)钢骨混凝土柱的箍筋抗震设防的钢骨混凝土柱两端1.5倍截面高度范围内箍筋应加密；当柱净高小于柱截面高度的4倍时，柱全高箍筋应加密。柱箍筋加密区的最小体积配箍率应符合(式10-1)的要求；其最小体积配箍特征值v(表10-9)，非加密区的体积配箍率不应小于加密区体积配箍率的一半。箍筋直径、间距应符合（表10-10）要求(pp321表10-10)箍筋的无支长度a(纵筋间距)(图10-8)不宜大于200mm(一级)，250mm(二、三级)，300mm(四级及非抗震)；(3)箍筋弯钩抗震设防的结构，RC梁端、柱端箍筋加密区的箍筋末端应做成135弯钩，弯钩平直段长度不小于10d(d为箍筋直径)或50mm，也可采用焊接封闭箍筋。17（三）钢骨(型钢)(1)含钢率钢骨混凝土梁、柱及钢骨混凝土剪力墙(筒体)边缘构件范围内的钢骨含钢率：非抗震和三、四级抗震结构不小于2％；一、二级抗震结构不小于4％；特一级抗震结构不小于6％；含钢率不宜大于15％。(2)板件厚度和宽厚比钢骨板材的厚度不应小于6mm；宽厚比应满足（表10-11）的要求(pp321表10-10)。钢骨制作时需预留纵筋和箍筋贯通孔的位置。18二、钢骨混凝土构件正截面承载力计算（一）计算方法目前，世界各国对型钢混凝土构件正截面承载力计算可归纳为三种方法：①考虑外包混凝土对型钢刚度的提高作用，按钢结构稳定理论计算；②假定构件内的型钢与外包混凝土协同工作，采用钢筋混凝土构件正截面承载力计算方法计算；③叠加法，即型钢混凝土构件的正截面承载力等于型钢与外包混凝土的正截面承载力之和。19（二）叠加法(教材介绍的方法)以平截面假定为基础，受压区混凝土仍然可采用等效矩形应力图形；钢骨截面的应力分布与钢骨在截面中的位置有关；对于钢骨基本对称配置的情况，可采用钢骨截面承载力与混凝土截面承载力叠加形式计算。N≤Nyss+NurcM≤Myss+MurcNyss、Myss—分别为钢骨部分承担的轴力及相应的受弯承载力(塑性理论)；Nurc、Murc——分别为钢筋混凝土部分承担的轴力及相应的受弯承载力(极限状态设计法)。20（三）钢骨混凝土梁计算（1）应力图形（图10-9）。（2）基本公式：M≤Myss+MurcMyss—钢骨部分的受弯承载力：：持久、短暂设计状况：Myss=s.Wss.fssy地震设计状况：Myss=Wss.fssy/RE•Wss—钢骨截面的抵抗矩，当钢骨截面有孔洞时应取净截面的抵抗矩；•s—截面塑性发展系数，对工字形钢骨截面，s取1.05；•fssy—钢骨的抗拉、压、弯强度设计值；•RE—抗震承载力调整系数，取0.8。Murc—钢筋混凝土部分的受弯承载力，按《混凝土规范》的方法计算，有地震作用组合时需考虑抗震承载力调整系数RE。21（四）钢骨混凝土柱计算1、钢骨混凝土柱弯矩设计值调整——强柱弱梁等(1)除顶层和轴压比小于0.15者外，一、二、三级框架柱和中间层框支柱：Mc≥cMbc——对框架结构，一、二、三级抗震等级分别取为1.7、1.5、1.3；对其它结构中的框架，一、二、三、四级分别取1.4、1.2、1.1和1.1。(2)特一级和9度时的框架柱、框支柱，以及一级框架结构的框架柱：Mc≥1.2Mbua(3)特一、一、二、三级框架，以及框支柱的底层柱下端截面、和转换层相连的框支柱上端截面，其弯矩设计值应分别乘以2.0、1.7、1.5、1.3的增大系数。22(4)对于角柱，其弯矩设计值应按以上各计算值再乘以不小于1.1的增大系数。(5)非抗震结构、不需进行抗震验算的结构和四级抗震结构中框架柱上、下端截面的弯矩设计值取组合的弯矩值（不调整）。2、钢骨混凝土柱正截面承载力计算——近似考虑轴力—弯矩相关作用，钢骨部分承担的轴力Ncss可按下式确定：bbsscsscNNNNNN00Nssc0—钢