本文通過綠寶廣場(chǎng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)介型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，著重說明其在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路，以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和有關(guān)施工技術(shù)要求。
一、工程概況
由混凝土包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)被稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)（也稱勁性混凝土結(jié)構(gòu)），因?yàn)樾弯摶炷恋某休d力高、剛性大并且具有良好的延性和耗能性能，在歐美和日本等國(guó)家被廣泛應(yīng)用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)稱為SRC結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已和鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并列為五大結(jié)構(gòu)之一。其中實(shí)腹式型鋼混凝土構(gòu)件具有較好的抗震性能、節(jié)約鋼材、提高混凝土利用系數(shù)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)的工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。本文將主要介紹型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求，通過綠寶廣場(chǎng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，具體說明其計(jì)算和使用，供類似工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。
綠寶廣場(chǎng)位于蘇州市高新區(qū)長(zhǎng)江路與鄧蔚路口，一期工程總建筑面積約13.8萬m2。該建筑通過設(shè)置抗震兼沉降縫分為結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的三部份，分別為不夜城商場(chǎng)、帶酒店式公寓的商場(chǎng)及商場(chǎng)三部份。不夜城及商場(chǎng)為地下二層地上4～5層建筑，總高約為25m；帶公寓的商場(chǎng)為地下二層地上商場(chǎng)（裙房）4層，商場(chǎng)上公寓為9層，總高約為50m。在不夜城與商場(chǎng)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)跨度31米的連廊，該連廊由型鋼混凝土柱、鋼梁和組合樓板組成，平面布置見圖1。
二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及理論計(jì)算方法
型鋼混凝土柱是鋼柱和鋼筋混凝土柱二者的組合結(jié)構(gòu)，實(shí)腹式型鋼通常采用工字形、口字形，截面材料的選用主要是依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）”和“高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ99-98）”，保證構(gòu)件具有足夠的塑性變形能力，其屈服強(qiáng)度不宜過大，伸長(zhǎng)率應(yīng)大于20%；鋼筋混凝土按照“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）”要求實(shí)施。
在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，我國(guó)原冶金工業(yè)部和建設(shè)部分別于1998年和2002年制定了兩部相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)�！朵摴腔炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB9082－97）的特點(diǎn)是以日本規(guī)范模式為基礎(chǔ)，忽略了型鋼和混凝土之間的粘結(jié)作用，按疊加原理建立承載能力和剛度的計(jì)算公式，工程實(shí)際應(yīng)用比較方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，帶有濃厚的“設(shè)計(jì)”氣息，但計(jì)算結(jié)果偏于保守，容易造成浪費(fèi)。《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138―2001）的特點(diǎn)也是以鋼筋混凝土理論為基礎(chǔ)、以試驗(yàn)研究成果為依據(jù)建立的，在這套規(guī)程中引入了平截面假定，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，基本上反映了我國(guó)目前對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究的最新成果，并且其設(shè)計(jì)思路基本上與我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法相一致，該規(guī)程理論依據(jù)較為充分、考慮因素全面、計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但計(jì)算公式復(fù)雜，帶有較濃厚的“學(xué)院”氣息。目前設(shè)計(jì)人員常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是建研院開發(fā)的PKPM系列，它在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算中采用的是《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的公式和參數(shù)。
三、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
采用型鋼混凝土是解決大跨度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要技術(shù)措施，綠寶廣場(chǎng)設(shè)計(jì)采用型鋼混凝土柱的截面為1200x800mm，在風(fēng)荷載作用下的最大彈性層間位移角為1/649，如果采用鋼筋混凝土柱，在滿足規(guī)范最大彈性層間位移角1/550的前提下，計(jì)算柱截面需2000x1200mm，無法滿足建筑設(shè)計(jì)的空間要求。型鋼柱的計(jì)算首先應(yīng)確定型鋼的截面形式（在本次設(shè)計(jì)中型鋼柱采用的是實(shí)腹式十字型鋼），預(yù)定型鋼柱的型鋼含鋼率，帶入SATWE程序中進(jìn)行整體計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整含鋼率。在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的幾個(gè)問題如下：
3.1、型鋼的含鋼率
關(guān)于型鋼混凝土構(gòu)件的最小和最大含鋼率，目前沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但當(dāng)計(jì)算型鋼含鋼率小于2%時(shí)，可以采用鋼筋混凝土構(gòu)件，而沒有必要采用型鋼混凝土構(gòu)件。當(dāng)型鋼含鋼率太大時(shí)，型鋼與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發(fā)揮，且混凝土澆注施工也有困難。因此，在冶金部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB9082-97）中將型鋼含鋼率定為2%～15%。一般說來，較為合理的含鋼率為5%～8%。而在建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2001）中將型鋼含鋼率定為4%～10%。在綠寶廣場(chǎng)型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)中，考慮到建設(shè)單位盡量節(jié)約鋼材，控制造價(jià)的要求，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，型鋼柱的含鋼率確定為5%。
3.2、型鋼的寬厚比
鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm以上，腹板16mm以上，但當(dāng)鋼板厚度大于36mm時(shí)，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》（GB5313-85）中的Z15級(jí)的規(guī)定。這是因?yàn)楹穸容^大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時(shí)容易引起層狀撕裂，焊接質(zhì)量不易保證。型鋼的寬厚比應(yīng)滿足規(guī)范的要求，本設(shè)計(jì)中柱內(nèi)型鋼的斷面尺寸如圖2。
3.3、型鋼的混凝土保護(hù)層厚度
根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)型鋼柱，混凝土最小保護(hù)層厚度不宜小于120mm，對(duì)型鋼梁則不宜小于100mm。
3.4、要重視型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構(gòu)造連接上的配合協(xié)調(diào)問題
綠寶廣場(chǎng)設(shè)計(jì)中，因連廊下有兩層混凝土結(jié)構(gòu)地下室，型鋼混凝土柱在地下室范圍存在與鋼筋混凝土梁的連接，梁內(nèi)鋼筋遇柱內(nèi)型鋼錨固需要特殊處理，本文中僅列出地下一層中一個(gè)較為復(fù)雜的梁柱節(jié)點(diǎn)作為示例，具體梁柱節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造要求詳見《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9章內(nèi)容(圖3)。
四、型鋼的制作與構(gòu)造措施
4.1、型鋼的制作
型鋼的制作必須采用機(jī)械加工，并宜由鋼結(jié)構(gòu)制作廠家承擔(dān)。型鋼的切割、焊接、運(yùn)輸、吊裝、探傷檢驗(yàn)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）、《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）、《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50221-1995）的規(guī)定，鋼材、焊接材料、螺栓等應(yīng)有質(zhì)量證明書，質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。焊接前應(yīng)將構(gòu)件焊接面除油、除銹，焊工應(yīng)持證上崗。施工中應(yīng)確保施工現(xiàn)場(chǎng)型鋼柱拼接和梁柱節(jié)點(diǎn)連接的焊接質(zhì)量，型鋼鋼板的制孔，應(yīng)采用工廠車床制孔，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)用氧氣切割開孔，在型鋼制作完成后，建設(shè)單位不可隨意變更，以免引起孔位改變?cè)斐墒┕だщy。
4.2、型鋼混凝土中設(shè)置抗剪拴釘?shù)囊?nbsp;
型鋼混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別之一是型鋼與混凝土的粘結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)，大約只相當(dāng)于光面鋼筋粘結(jié)力的45%。因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中認(rèn)為鋼筋與混凝土是共同工作的，直至構(gòu)件破壞。而在型鋼混凝土中，由于粘結(jié)滑移的存在，將影響到構(gòu)件的破壞形態(tài)、計(jì)算假定、構(gòu)件承載能力及剛度、裂縫。通�？捎脙煞N方法解決，一是在構(gòu)件上另設(shè)剪切連接件(栓釘)，并按照計(jì)算確定其數(shù)量，即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔(dān)，稱為完全剪力連接。這樣可以認(rèn)為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計(jì)算中考慮粘結(jié)滑移對(duì)承載力的影響，同時(shí)在型鋼的一定部位：如（1）柱腳及柱腳向上一層范圍內(nèi)；（2）與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處；（3）結(jié)構(gòu)過渡層范圍內(nèi)的型鋼翼緣處加設(shè)抗剪栓釘作為構(gòu)造要求。構(gòu)件中設(shè)置的栓釘應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《電弧螺柱焊用園柱頭焊釘》（GB/T 10433―2002）的規(guī)定，栓釘直徑一般為?19,長(zhǎng)度不宜小于4倍栓釘直徑，間距不宜小于6倍栓釘直徑，且不宜大于200mm，并采用特制的栓釘槍進(jìn)行焊接，焊接質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求。
4.3、型鋼的拼接
型鋼柱的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)鋼材的生產(chǎn)和運(yùn)輸長(zhǎng)度限制及建筑物層高綜合考慮，一般每二層為一根，其工地拼接接頭宜設(shè)于框架梁頂面以上1～2m處。型鋼柱的工地拼接一般有三種形式：（1）全焊接連接；（2）全螺栓連接；（3）栓、焊混合連接。設(shè)計(jì)施工中多采用第三種形式，即型鋼柱翼緣采用全溶透的剖口對(duì)接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，本工程設(shè)計(jì)中的型鋼柱工地拼接也采用第三種形式(圖5)。
4.4、型鋼柱的柱腳構(gòu)造
1、型鋼柱的柱腳分為埋入式和非埋入式兩種，在抗震區(qū)宜采用埋入式柱腳，柱腳型鋼的混凝土最小保護(hù)層厚度為：中間柱：不得小于180mm，邊柱和角柱：不得小于250mm。
2、型鋼柱埋入式柱腳的埋入深度不應(yīng)小于3倍型鋼柱截面高度，在柱腳部位和柱腳向上一層的范圍內(nèi)，型鋼柱翼緣外側(cè)設(shè)置栓釘，栓釘直徑不小于19，間距不大于200mm,且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50mm。
3、在本工程的型鋼柱設(shè)計(jì)中，考慮采用埋入式柱腳的埋深太大，而連廊傳遞的上部荷載較小，經(jīng)與施工單位及建設(shè)單位多次研究，決定型鋼柱柱腳采用鉸接形式與地下室大底板連接，簡(jiǎn)化了施工難度，也加快了建設(shè)進(jìn)度(圖5)。
4.5、型鋼柱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
框架梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不允許有過大的變形。在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，梁、柱節(jié)點(diǎn)包括以下幾種形式：（1）型鋼混凝土梁―型鋼混凝土柱的連接；（2）鋼梁―型鋼混凝土柱的連接；（3）鋼筋混凝土梁―型鋼混凝土柱的連接。在本工程設(shè)計(jì)中我們同時(shí)遇到了第二和第三種情況。
規(guī)范規(guī)定，節(jié)點(diǎn)區(qū)型鋼部分的連接構(gòu)造應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接相一致，在柱內(nèi)型鋼的鋼牛腿翼緣水平位置處應(yīng)設(shè)置加勁肋，其構(gòu)造應(yīng)便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實(shí)。柱內(nèi)型鋼和主筋的布置應(yīng)為梁中主筋貫穿留出通道，梁中主筋不應(yīng)穿過型鋼翼緣，未經(jīng)設(shè)計(jì)同意也不得與柱中型鋼直接焊接，型鋼腹板部分設(shè)置鋼筋貫穿孔時(shí)，截面缺損率不宜超過腹板面積的25%(圖6)。
五、總結(jié)與回顧
通過此次工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我有如下體會(huì)：
1、在鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系中，局部采用型鋼砼結(jié)構(gòu)構(gòu)件是可行的，特別是大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，型鋼柱結(jié)合鋼梁的采用，可有效提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小水平和豎向變形值，節(jié)約了結(jié)構(gòu)占用的空間，其效果比純鋼筋砼結(jié)構(gòu)好。
2、型鋼砼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)是型鋼構(gòu)件及其節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，施工單位應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，做好施工配合，密切注意鋼筋與型鋼的連接，型鋼與砼柱的連接，通過優(yōu)良的施工品質(zhì)來保證設(shè)計(jì)效果的達(dá)成。
