鋼--混凝土組合梁抗扭的研究基本信息

高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)十分復(fù)雜，而且扭轉(zhuǎn)效應(yīng)極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須從控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的角度出發(fā)，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使結(jié)構(gòu)布置既滿足建筑要求又使其計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范和規(guī)程的要求，同時(shí)采用基于性能的抗震思想來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下不發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。

1.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)理

根據(jù)材料力學(xué)可知，當(dāng)一個(gè)構(gòu)件受到扭矩作用時(shí)，離構(gòu)件剛度中心越遠(yuǎn)的地方剪應(yīng)力越

大，剪切變形也越大。而在整體建筑結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到扭矩作用時(shí)，豎向構(gòu)件將承受剪力。根據(jù)結(jié)構(gòu)理論可知，構(gòu)件的剪切破壞是脆性的。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均基于小震作用的組合內(nèi)力進(jìn)行配筋，中震和大震主要是通過(guò)良好結(jié)構(gòu)構(gòu)造如“強(qiáng)柱弱梁更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)剪弱彎”等構(gòu)造措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)延性以達(dá)到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下產(chǎn)生的扭矩作用將明顯增大豎向構(gòu)件的剪力，這將造成豎向墻柱構(gòu)件不足以抵抗水平剪力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向墻柱構(gòu)件發(fā)生脆性剪切破壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌的嚴(yán)重后果。也就是說(shuō)一旦由于扭轉(zhuǎn)作用而使得地震作用產(chǎn)生的水平剪力大于豎向墻柱構(gòu)件所能承擔(dān)的剪力，整個(gè)結(jié)構(gòu)將變成“弱剪強(qiáng)彎，弱柱強(qiáng)梁”的結(jié)構(gòu)體系。顯然這種體系的耗能性能極差，結(jié)構(gòu)將可能在瞬間發(fā)生脆性破壞而倒塌。因此，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采取有效措施嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并充分估計(jì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

2.引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的因素

1）地震波扭轉(zhuǎn)分量

實(shí)際地震波存在六個(gè)分量，即除了 X、Y、Z 三個(gè)水平分量外，還存在繞 X、Y、Z 軸的三個(gè)扭轉(zhuǎn)分量，其中繞 Z 軸的扭轉(zhuǎn)分量直接對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭矩。由于迄今為止，尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定地震波的扭轉(zhuǎn)分量，因此目前的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論一般都是僅考慮 X、Y 向水平地震作用，對(duì)于大跨度或者大懸臂結(jié)構(gòu)還需要考慮 Z 向豎向地震作用，而沒(méi)有考慮實(shí)際存在的地震波扭轉(zhuǎn)分量的作用。這必然對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成一定的隱患，甚至部分學(xué)者認(rèn)為地震波扭轉(zhuǎn)分量的作用是造成結(jié)構(gòu)破壞的最重要因素。

2）質(zhì)心與剛心不重合產(chǎn)生的偏心距

在假設(shè)樓板是剛性的前提下，對(duì)于單層建筑結(jié)構(gòu)，水平力通過(guò)某一點(diǎn)，不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，此點(diǎn)就稱為剛心。對(duì)于多層建筑，剛心與單層建筑情況不同，一般是水平荷載和剛度分布的函數(shù)，即具有不確定性。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段，結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件的剛度是變化的，也就是說(shuō)剛度中心也是變化的。

地震作用時(shí)，地震力可簡(jiǎn)化為集中在質(zhì)心處的集中力 F。當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心重合時(shí)，地震力 F 剛好通過(guò)剛心，這時(shí)候?qū)⒉划a(chǎn)生扭矩。而當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心不重合時(shí)，而是存在偏心距e，這時(shí)在水平地震作用下不僅產(chǎn)生地震力 F，而且還會(huì)產(chǎn)生扭矩 T=F×e。顯然偏心距e越大，扭矩T也越大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)越明顯。

除了客觀存在的偏心距外，《高規(guī)》還要求計(jì)算單向地震作用時(shí)應(yīng)考慮 5％L 的偶然偏心的影響。這主要是考慮由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭轉(zhuǎn)分量等引起的不利影響。5％L 不是一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值，它是國(guó)內(nèi)外通用的數(shù)據(jù)，是充分考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一種方法，有利于驗(yàn)證和提高結(jié)構(gòu)抗扭能力。

3）平動(dòng)－扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的放大效應(yīng)

設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮平動(dòng)－扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)反應(yīng)，因其對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有明顯的放大作用，尤其當(dāng)周期比Tt/T1大于0.8以后,結(jié)構(gòu)相對(duì)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)增大更快，為了控制耦聯(lián)反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的放大作用，《高規(guī)》-3.4.5條做了如下規(guī)定：

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、超過(guò)A級(jí)高度的混合結(jié)構(gòu)及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。

3.高層結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)的方法與措施

1）調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，減小結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距。

調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性一般是在初步計(jì)算分析以后，從計(jì)算結(jié)果文件中找出結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心位置，從而判斷結(jié)構(gòu)的剛度分布情況。然后再根據(jù)具體情況適當(dāng)增加或者減少離質(zhì)心較遠(yuǎn)處的剪力墻，從而達(dá)到減小質(zhì)心和剛心偏心率，改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。

2）調(diào)整結(jié)構(gòu)抗扭剛度與抗側(cè)剛度之比，控制結(jié)構(gòu)周期比。

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，除了調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性減小相對(duì)偏心距外，還應(yīng)該更加重視減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比。因?yàn)楫?dāng)兩者接近時(shí)，由于振動(dòng)耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。

調(diào)整結(jié)構(gòu)抗扭剛度與抗側(cè)剛度之比一般采取以下措施：

（1）在建筑允許的情況下，盡量加長(zhǎng)或加厚周邊剪力墻尤其是離剛心最遠(yuǎn)處的剪力墻，提高抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期Tt。

（2）減少核心筒的剪力墻厚度或采用弱連梁連接剪力墻，從而減少核心筒剛度，削弱結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度，加大第一平動(dòng)周期T1。

（3）在結(jié)構(gòu)周邊加設(shè)拉梁，加強(qiáng)周邊連梁剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期Tt。

（4）結(jié)構(gòu)剛心附近的剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗扭剛度貢獻(xiàn)不大，但對(duì)側(cè)移剛度貢獻(xiàn)較大，因此削弱剛心附近的剪力墻，可以加大第一平動(dòng)周期T1。

（5）在既不能加強(qiáng)周邊剪力墻也不能削弱中部剪力墻的情況下，可以適當(dāng)加強(qiáng)周邊框架梁的剛度，從而對(duì)結(jié)構(gòu)整體形成套箍效應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期Tt。顯然這種方法是不經(jīng)濟(jì)的，只有在以上辦法都行不通的情況下才迫不得已采用。

3）適當(dāng)提高周邊抗扭構(gòu)件的抗剪能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭能力安全度。

目前關(guān)于結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)破壞的機(jī)理研究還不是很深入，地震波的扭轉(zhuǎn)分量作用目前也不能定量分析，關(guān)于結(jié)構(gòu)周期比及位移比的限值也是基于結(jié)構(gòu)彈性分析得出的結(jié)論，對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)下整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)形態(tài)的研究還相當(dāng)不成熟。在這種情況下，僅僅依靠調(diào)整結(jié)構(gòu)布置使其滿足規(guī)范對(duì)周期比和位移比的要求并不能完全保證結(jié)構(gòu)在中震和大震作用下的安全。實(shí)際上當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段，在雙向水平地震作用下即使本來(lái)是對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，也會(huì)出現(xiàn)隨變形狀態(tài)而變化的偏心，如一角柱的變形進(jìn)入塑性狀態(tài)后，剛度與彈性階段完全不同，而其他角柱可能仍處于彈性狀態(tài)，這時(shí)，水平力會(huì)產(chǎn)生很大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

從基于性能的抗震思想出發(fā)，對(duì)于那些對(duì)抗扭效應(yīng)控制特別重要的構(gòu)件如周邊剪力墻等應(yīng)特別加強(qiáng)其抗剪能力，使其保證在中震作用仍然處于彈性狀態(tài)，從而達(dá)到保證結(jié)構(gòu)“中震不壞，大震不倒”的目標(biāo)。

4.工程實(shí)例分析

某公寓樓有一層地下室，地上為26層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.0米，總高度80米，結(jié)構(gòu)體系采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。該工程按7度抗震烈度設(shè)防，建筑抗震等級(jí)為二級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖1.5.4-1。結(jié)構(gòu)貌似規(guī)則，但實(shí)際左右兩邊不對(duì)稱，造成一定偏心，而且結(jié)構(gòu)平面多處開洞。同時(shí)建筑大面積開窗，周邊不能設(shè)置太多剪力墻，造成結(jié)構(gòu)抗扭剛度很小，初步結(jié)構(gòu)方案時(shí)出現(xiàn)周期比和位移比均超出規(guī)范要求。

公寓樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

在分析結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，采取了以下措施：

（1）在滿足建筑的要求下，在結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置了四片剪力墻 W1、W2、W3、W4，明顯提高了結(jié)構(gòu)抗扭剛度；

（2）將筒體剪力墻開洞后采用弱連梁將其連接，明顯降低其抗側(cè)剛度；

（3）根據(jù)建筑要求四周開大面積飄窗，將周邊大部分梁高做到1000mm，明顯提高周邊梁剛度，從而對(duì)結(jié)構(gòu)整體形成套箍效應(yīng)，從另一途徑提高了結(jié)構(gòu)抗扭剛度；

（4）施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到四片剪力墻 W1、W2、W3、W4對(duì)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)特別重要，基于性能的抗震思想適當(dāng)加強(qiáng)了剪力墻的水平筋以提高其抗剪能力，提高了結(jié)構(gòu)在中震和大震作用下的安全度。經(jīng)過(guò)上述結(jié)構(gòu)調(diào)整后，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如表。

某公寓樓SATWE計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)自振特性十分理想，第一周期和第二周期都是平動(dòng)，且兩周期十分

接近，更理想的是前三周期沒(méi)有出現(xiàn)振型耦聯(lián)的混合型振型；第一扭轉(zhuǎn)周期T3與第一平動(dòng)

周期T1之比T3/T1=0.825<0.85，滿足規(guī)范要求。在考慮偶然偏心的情況下，地震作用下X

向及Y向樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與該樓層水平位移平均值的比值分別為1.11和1.20

地震作用下，X方向和Y方向最大值層間位移角分別為1/1182 和1/1407。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，通過(guò)上述結(jié)構(gòu)調(diào)整后，不僅結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，而且達(dá)到較理想的結(jié)果，從而使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

鋼-混凝土組合梁的優(yōu)點(diǎn)：

當(dāng)樓層采用鋼筋混凝土板和鋼梁時(shí)，宜按鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼-混凝土組合梁是指通過(guò)抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連成整體的橫向承重構(gòu)件。

（1）組合梁截面中混凝土主要受壓，鋼梁受拉，充分發(fā)揮材料特性，承載力高。承載力相同時(shí)，比非組合梁節(jié)約鋼材達(dá)15%-25%.

（2）混凝土板參加梁的工作，梁的剛度增大。樓蓋結(jié)構(gòu)的剛度要求相同時(shí)，采用組合梁可比非組合梁減小截面高度26%-30%.組合梁用于高層建筑，不僅降低樓層結(jié)構(gòu)高度，且顯著減輕對(duì)地基的荷載。

（3）組合梁的翼緣板較寬大，提高了鋼梁的側(cè)向剛度，提高了穩(wěn)定性。改善了鋼梁受壓區(qū)的受力狀態(tài)，增強(qiáng)抗疲勞性能。

（4）可以利用鋼梁的剛度和承載力承擔(dān)懸掛模板、混凝土板及施工荷載，無(wú)需設(shè)置支撐，加快施工速度。

（5）抗震性能好。

（6）在鋼梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撐室內(nèi)管線用，不需埋設(shè)預(yù)埋件。 鋼-混凝土組合梁的主要缺陷是鋼材易于銹蝕及防火性能不如鋼筋混凝土。

解決鋼材銹蝕問(wèn)題：

①采用低合金鋼材，這種鋼材表面銹蝕后可形成保護(hù)層，阻斷銹蝕繼續(xù)向內(nèi)部發(fā)展；

②采用高質(zhì)量的防銹蝕油漆。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。

鋼—混凝土組合梁的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

組合梁由于能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的力學(xué)性能，在國(guó)內(nèi)外獲得廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。20年代初，在加拿大和英國(guó)進(jìn)行了最早的研究，至30年代組合梁結(jié)構(gòu)體系得到了一些試驗(yàn)成功，并建立了組合梁按彈性理論的設(shè)計(jì)方法，60年代后出現(xiàn)了按塑性理論的設(shè)計(jì)方法。我國(guó)從50年代初期開始研究組合梁結(jié)構(gòu)，之后在公路、鐵路橋梁方面得到應(yīng)用。在房屋建筑方面，早在50年代，北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討和研究。組合梁結(jié)構(gòu)除了能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料受力特點(diǎn)外，與非組合梁結(jié)構(gòu)比較，具有下列一系列的優(yōu)點(diǎn)：

1. 節(jié)約鋼材：以某工程冶煉年間為例。該車間標(biāo)高16.9m的平臺(tái)，原設(shè)計(jì)是鋼梁上澆灌混凝土板，按鋼筋混凝土板不參與鋼梁共同工作，后在施工現(xiàn)場(chǎng)將其修改成鋼筋混凝土板與鋼梁共同工作的組合梁，節(jié)約鋼材17%—25%.

2. 降低梁高：組合梁較非組合梁不僅節(jié)約鋼材，降低造價(jià)，而同時(shí)降低了梁的高度，這在建筑或工藝限制梁高的情況下，采用組合梁結(jié)構(gòu)特別有利。

3. 增加梁的剛度：在一般的民用建筑中，鋼梁截面往往由剛度控制，而組合梁由于鋼梁與混凝土板共同工作，大大地增強(qiáng)了梁的剛度。

4. 增加梁的承載力。

5. 降低沖擊系數(shù)。

6. 抗震性能好，抗疲勞強(qiáng)度高。

7. 局部受壓穩(wěn)定性能良好。

8. 使用壽命長(zhǎng)。