刘志强，曾洁颖

(1.昆明市建筑设计研究院股份有限公司，云南 昆明 650200；2.昆明市公共租赁住房开发建设管理有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概况

本项目位于昆明市官渡区矣六街道办，属于昆明市公共租赁住房渔村片区泓惠园项目，项目包含13栋20层住宅和 若干栋商业以及大底盘地下室。为了贯彻各级政府对装配式建筑的建设要求，项目建设方在充分调研的基础上决定在1号楼采用钢管混凝土束剪力墙结构体系，并且达到AAA级装配式建筑的建设目标。

1号楼地上20层，地下1层并带一层夹层，标准层层高为2.90 m，建筑高度58.30 m，总建筑面积约10 970.9 m2，主要功能为住宅。标准层结构平面布置图如图1所示。

2 结构体系

典型钢管混凝土束组合结构建筑体系组成模块如图2所示，主要由主体结构体系、楼(屋)面梁板体系、围护结构体系、钢结构的防腐与防火组成。其中主体结构体系由作为主要承重构件和抗侧力构件的钢管混凝土束组合剪力墙和钢管混凝土柱组成，其中组合剪力墙由多个标准化、模数化的部件钢管在工厂并排焊接连接在一起形成钢管束，待施工现场安装完成后再内部浇筑混凝土形成钢管束组合结构构件，典型的L型、T型和Z型钢管束墙体截面如图3所示，可以根据结构布置和计算需要选择相应的组合形式和截面尺寸(本项目中选用的是厚度150 mm的钢管束)。实际现场施工时，钢管束竖向采用三层为一截的安装拼接方式，施工时不需要设置模板，极大的减少了竖向钢构件的施工周期。楼面梁采用H型钢梁，可采用高频焊接H型钢、普通焊接H型钢或热轧H型钢，截面尺寸灵活配置，可充分发挥材料承载力。楼面板采用装配式钢筋桁架楼承板，钢筋桁架在加工厂加工完成后，再将钢筋桁架与镀锌钢板现场用连接件装配成一体，其上浇筑混凝土，形成钢筋桁架混凝土楼板，下表面平整，底模可以重复利用。标准层结构分析模型见图4。钢管混凝土束剪力墙结构体系，构件各方向尺度比例以及整体结构的受力性能与剪力墙结构相似，构件的材料组成和零件构造又与约束钢管混凝土一致。该类型结构在结构整体抗侧刚度上比常规相同尺寸设计的钢结构大，在结构整体延性上又比混凝土结构更好，相关的整体指标的控制可以参照钢结构确定。因此，这种新型的结构体系综合了钢与混凝土的优势，是一种新型的构件形式。同时，其竖向构件和楼面水平构件施工时均不需要设置模板，极好的满足了相关规范对装配式结构的要求。

3 结构计算分析

本项目设计时，按照规范要求进行了小震和大震下的结构分析，同时也对关键节点进行了有限元模拟分析，以验证该类型结构在地震作用下的可靠性。

3.1 多遇地震下结构分析

多遇地震下，本项目设计采用PKPM软件和YJK软件进行了主体结构弹性分析。计算模型中将钢管混凝土束墙采用双钢板组合剪力墙的形式输入，并且在钢管混凝土束墙构件压弯承载力分析时考虑如下假定：1)不考虑混凝土的抗拉强度；2)不考虑钢管束对混凝土的约束增强作用；3)不考虑钢管束的冷弯处的截面变化和应力强化；4)钢板与墙体内部混凝土黏结良好，弹性阶段，钢板和混凝土不产生滑移(管径小、混凝土采用自密实混凝土)；5)钢管壁不发生局部屈曲(通过限制板件宽厚比来符合要求)；6)符合平截面假定(通过限制墙体宽厚比来符合要求)；7)符合边缘屈服准则，并考虑一定的截面塑性发展系数；8)对于工字形、L形、Z字形和槽形墙体，简化为单片一字形墙进行计算。项目位于昆明市官渡区，抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，小震下结构主要分析结果如表1所示。

表1 小震下结构主要计算结果

从表1可以看出，小震下结构各项指标均满足规范要求，最大层间位移角满足GB 50011—2010建筑抗震设计规范[1]和JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程的规定[2]。

3.2 大震下结构动力弹塑性分析

3.2.1 分析方法

如前面所述，此类新结构构件或结构体系，介于钢结构和混凝土剪力墙结构之间，为了更准确的分析结构在大震下的塑性变形特征、构件的塑性和损伤模式、结构整体的屈服机制等，同时寻找结构存在的薄弱层或者薄弱部位，有必要补充分析结构在大震下的性能。结构整体动力弹塑性分析采用的是ABAQUS软件，其中梁柱单元采用的是软件自带的B31纤维单元进行模拟，钢管束剪力墙采用的是四边形缩减积分分层壳单元模拟。分层壳共三层，中间层为混凝土，两侧两层为钢材，各层厚度与形心位置与构件截面构造完全一致。软件计算分析时钢材采用双线性随动硬化模型(见图5)，考虑包辛格效应，在循环过程中，无刚度退化。混凝土材料采用弹塑性损伤模型(见图6)，能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等特性。

计算时，未考虑钢管对混凝土的约束作用，该约束作用对混凝土强度有增强作用，不考虑时计算结果是偏安全的。ABAQUS和PKPM模型对比结果如表2所示，两者差值较小，模型具有一致性。

表2 ABAQUS模型和PKPM模型的结构周期比较表

动力弹塑性分析时，根据规范要求选取了三条地震动曲线，包含两条天然波waven-1和waven-2，以及一条人工波wavea-1。三条波主方向波形如图7所示，各条波计算得到基底剪力与反应谱法结果比值如表3所示，从计算结果可知所选地震波具有代表性，其频谱特性满足规范对时程分析所选地震波的相关要求。

表3 时程分析基底剪力与反应谱对比表

3.2.2 分析结果

通过动力弹塑性分析，得到各条地震波作用下，结构最大层间位移角如表4所示。从表4中可知在大震作用下，结构楼层最大层间位移角均满足不大于1/70的要求，满足规范限值要求。图8为在天然波waven-1作用下结构弹塑性层间位移角曲线图。

表4 大震下结构楼层最大弹塑性层间位移角

大震下钢管束剪力墙混凝土损伤情况如图9所示，图9为在天然波waven-2作用下结构在最后时刻的损伤结果。分层壳单元中两侧钢板的塑性应力和应变结果见图10。

通过图9大震下墙体分层壳中间混凝土受压和受拉损伤可以看出，大震下墙体混凝土受压损伤主要发生在底部加强区，局部墙肢受压损伤较大，但是主承重墙墙肢受压损伤系数超过0.90的面积不大于墙体宽度的1/2，上部楼层混凝土的受压损伤很小。大震下下部部分墙体受拉损伤比较严重，中上部小墙肢也出现受拉损伤的情况，这主要是因为墙体混凝土抗拉强度较低，出现稍大一点的变形就会开裂导致的。

从图10钢板墙的外层钢板的应力分析结果显示，钢板整体的最大拉应力没超过215 MPa,没超过钢板抗拉强度设计值，结构整体性能依旧满足要求，混凝土的受拉损伤属于正常现象。同时，从应力分布情况来看，大震下除嵌固端底部附近部分墙肢钢板应力较大外，上部各楼层总体应力较小。从图10右侧钢板应变图可以看出，嵌固端仅局部钢板发生塑性应变，钢管束组合剪力墙钢板出现的最大等效塑性应变为0.014 2，小于钢材的最大塑性应变0.025，且发生塑性应变的范围相对该墙肢占比较小。

大震下选取了不同楼层的楼面钢梁的Mises应力图，分析大震下楼面梁的损伤情况，其中图11为第一层结果，图12为第八层的结果。

从图中可以看出一层在地震作用下由于侧移变形相对较小，基本未有钢梁梁端进入屈服并形成塑性铰，第八层层间变形相对较大，较多梁端形成塑性铰，发挥了较好的耗能作用。

由上述大震下墙体和楼面梁损伤情况可以看出，钢管束组合剪力墙结构在罕遇地震作用下，大量的框架梁梁端出现塑性铰，发挥较好的耗能作用；钢管束组合剪力墙仅底部加强区附近局部墙肢钢板进入塑性屈服状态，但塑性变形不大，钢板整体应力较低，墙肢整体损伤情况不大，依旧具备较好的承受竖向荷载的能力，可以实现“大震不倒”的设防目标。

3.3 关键节点分析

钢管束组合剪力墙结构中，钢管束壁厚相对楼面框架梁较薄，大震下墙梁节点部位的可靠性也是保证结构整体抗震性能实现的关键。为验证连接的可靠性，须对相关节点进行应力分析，图13为楼面框架梁和钢管束剪力墙面内刚性连接节点大样做法及节点有限元分析模型，图14为主要计算结果。

钢管束组合剪力墙与钢梁连接节点计算单元选用三维实体单元Solid45，模型边界条件为：对墙体截面约束三个方向的自由度，对墙顶截面约束面内和面外自由度，同时考虑管内混凝土和钢管内壁的接触作用，另外通过在墙体和侧板之间增加单元来模拟焊缝。图14有限元计算结果显示，在钢梁按照极限承载力加载下，钢管束壁板以及连接板应力均小于钢板屈服应力，节点区钢管束相对变形也较小，节点可以满足承载力要求。

综上，通过对钢管混凝土束剪力墙结构体系的介绍，以及对实施案例在小震和大震下结构性能的分析，以及关键节点的有限元分析，证明了这一结构体系的可行性以及优越的抗震性能。通过该案例也证明了该类型结构具有良好的承载力、抗侧刚度、延性、耗能能力，是一种抗震性能优越的组合结构，可以实现我们对一般民用建筑“三阶段、两水准”的设防目标要求。

4 结语

钢管束混凝土剪力墙结构中，梁为H型纯钢梁、柱为钢管混凝土柱、墙为钢管混凝土束剪力墙，所有构件在现场施工时均为免模体系，属于装配式建筑，根据《云南省装配式建筑评价标准》的规定[3]，项目主体结构可以得到满分50分。同时，由于其建设周期短、施工质量有保障、布局空间实现个性化需求、得房率高、节约建造能源和运行能源等优点，让其成为高烈度地区建造装配式建筑时的一种选择。项目实施前通过了省级主管部门组织的新技术论证审查，同时项目中围护墙和内隔墙、装修和设备管线等按照装配式要求进行了设计施工。项目现已完成初步验收，最终绿建装配率评分为94分，达到AAA级绿色建筑的要求，并通过了省级主管部门组织的“装配式建筑科技创新工程”终验，是一种高烈度地区今后值得推广的新型装配式结构型式。