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【摘 要】 本文介绍了在某高烈度地区电厂主厂房使用型钢混凝土组合结构的实际案例，通过结构分析计算，较为深入地探讨了采用型钢混凝土的原因，以及型钢混凝土结构的力学特点及优势，并针对在具体施工过程中遇到的问题和解决经验进行了详细的阐述。
【关键词】 型钢混凝土组合结构：抗震分析
1 概述
型钢混凝土组合结构又称钢骨混凝土结构，是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构型式。由于在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性，将型钢、钢筋、混凝土三位一体地工作，使型钢混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。
本文结合在某高烈度地区电厂主厂房使用型钢混凝土组合结构的实际案例，通过结构分析计算，较为深入地探讨了采用型钢混凝土的原因，以及型钢混凝土结构的力学特点及优势，并针对在具体施工过程中遇到的问题和解决经验进行了详细的阐述。
2 工程情况简述
（1）新疆某新建公用热电厂，厂址位于库尔勒，电厂规划建设容量为2×135MW+2×350MW机组。一期建设2×135MW超高压、燃煤、空冷、单抽凝汽式机组，预留扩建余地。
（2）抗震设防烈度为8度（（第二组），地震动峰值加速度值为0.222g（P50=10%），水平地震影响系数最大值为0.21（P50=63%）。
（3）场地类别为III类，场地土特征周期Tg=0.45
（4）建筑本工程主厂房结构形式：横向为汽机房与除氧间框架、煤仓间框架组成钢筋混凝土框—排架结构体系，纵向汽机房A列采用的钢筋混凝土框架—钢支撑结构，除氧煤仓间采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系。
从外部条件来看，地震动参数相对较高，尤其是水平地震影响系数最大值为0.21。尽管机组容量不大，但是从反应谱曲线来看，框架结构的自振周期范围内（0.9-1.3S），水平地震影响系数比标准8度（0.20g）相应大30%
3 普通混凝土柱方案的计算结果
计算分析软件采用PKPM系列软件（2012版），计算模型如图1所示。底层混凝土等级为C50，钢筋为HRB400钢筋。
（1）根据计算结果，第一自振周期为1.24s（横向）。第二自振周期为1.15s（纵向），扭转振型为第五振型，结构特征比较合理。
（2）纵向基底地震剪力为22700KN，对应的剪质比达到7.13%;横向基底地震剪力为23500KN，对应的剪质比达到7.38%;剪质比平均值与反应谱曲线查到的水平地震影响系数大致吻合，计算结果相对可信。
（3）由于地震作用比较大，通过调整纵向抗震墙的厚度和框架梁柱的截面尺寸，使得结构位移基本上能满足规范的要求。
图1 结构模型
（4）从此计算结果来看，尽管结构的高度和荷载都不大，但由于水平地震作用较大，增设抗震墙是保证层间位移角满足规范的必要手段。从计算结果来看，最大位移角均发生在第4层即煤斗支撑层（表1）。
表1 层间弹性位移角
层数 纵向位移角 横向位移角
8 1/560 1/650
7 1/839 1/603
6 1/792 1/600
5 1/790 1/550
4 1/780 1/550
3 1/803 1/603
2 1/790 1/614
1 1/967 1/805
（5）构件配筋结果：
当采用普通混凝土柱方案时，底层柱（不含抗震墙端柱）平均配筋率在1.5～1.8%左右，但是抗震墙两侧的边框柱普遍出现配筋超大的现象，边框柱纵向配筋率普遍在4.0%以上，个别柱超筋。
显然，若按4%的纵筋配筋率进行配筋，柱单边配筋面积达到17000mm2，需配置三排直径32的钢筋。如此之密的钢筋显然造成施工的困难。为解决上述问题，后来又试着采取调整抗震墙厚度，调整混凝土强度等级等措施，上述情况均未解决，配筋率均仍旧很大，个别柱仍旧超筋。
4 采用型钢混凝土方案的原因
查询SATWE的内力计算文件，得出边框柱的内力组合（见表2），可以看出，造成配筋面积过大的原因在于组合后的轴力值均为拉力（PKPM规定正值为拉力，负值为压力），使得边框柱的受力情况变成拉弯构件。在这种内力组合下，混凝土本身不分担应力，轴拉力全部由钢筋承担，造成边框柱配筋超大。
表2 典型边框柱内力组合
内力
工况 轴力
（KN） MX
（KNm） MY
（KNm） 顶部配筋（mm） 底部配筋（mm）
62 881 6561 -115 13673
60 4602 -1567 -722 12435
62 881 -7741 -186 15348
60 4602 1775 658 14231
进一步分析，引入抗震墙后，由于抗震墙和边框柱构成的巨型构件承担了相当比例的地震剪力和倾覆弯矩，使得作为工字形截面翼缘的边框柱在地震作用下产生相当大的拉力标准值。当作用在边框柱上的竖向荷载较小时，就会使组合后的轴力呈现拉力（图2）。
图2 工字型墙截面示意
因此，由于框架-抗震墙结构自身的特点，水平地震效应使得边框柱轴力产生集中现象，受压侧压力偏大，受拉侧有可能变为偏拉构件，使得纵向配筋率偏大，所以考虑将边框柱改为型钢混凝土组合构件，由混凝土中的型鋼分担较大的轴向力，减少柱的纵向钢筋。
5 型钢混凝土方案的设计 根据《型钢混凝土组合结构设计规程》（JGJ138-2001）和《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2010）的规定，考虑以下几个方面进行型钢混凝土的选型：
（1）规范中规定型钢混凝土柱的型钢含钢率不宜小于4%，且不宜大于15%，比较经济的含钢率为4%～8%。经过几次试算，拟定采用HN700X300X13X24（柱截面为700X1400），型钢含钢率为4.1%.
（2）混凝土强度等级不宜低于C30，型钢宜采用Q235及Q345级钢材，本工程采用C50混凝土和Q345型钢。
（3）规范中规定作为抗震墙的边框柱，要求型钢的强轴与抗震墙平行布置，因此本工程型钢布置方向垂直于抗震墙方向设置。
（4）根据计算结果，边框柱在煤斗支撑层以下轴力偏大，煤斗支撑层以上的轴力相对较小可采用普通钢筋混凝土构件可以满足要求。因此考虑到经济性，只在煤斗支撑层以下设置型钢混凝土构件。
2008版以后的PKPM增加了型钢混凝土构件的计算功能，可以直接输入型钢混凝土构件进行计算。本工计算后的结果如下表，从表中可以看出，采用型钢混凝土后，由于型钢分担了相当的轴力值，使得混凝土的配筋率大幅度下降（表3），解决了超筋的技术问题，也为施工绑扎钢筋提供了可行性。
表3 前后計算配筋结果对比
边框柱位置 钢筋混凝土配筋率 型钢混凝土配筋率
B列15轴 3.97% 2.61%
B列1轴 4.07% 1.97%
D列15轴 4.32% 2.5%
D列1轴 5.12%（超筋） 2.39
6 型钢混凝土的节点设计与施工
型钢混凝柱设计和施工难点，最关键的就是如何处理好梁柱连接的节点，只有很好的节点设计方可以保证现场施工的顺利进行。
一般在节点处两个方向都有梁，当采用HN700X300X13X24型钢时短向可以通过梁柱偏心实现纵筋顺利避开H型钢，但是长方向H型钢高700很难实现梁纵筋绕开H钢，通长设计节点有直接在H型钢上开孔穿钢筋，框架梁纵筋都很多，在H型钢腹板上开穿钢筋的孔将使H型钢截面削弱很大，不能满足《型钢混凝土组合结构技术规程》，规范规定的最小含钢量的规定。因此采用焊接法：梁纵筋直接焊接或锚固或者在节点部位增设型钢牛腿，在型钢牛腿上下翼缘上焊接梁纵向受力钢筋。本工程采用了梁纵筋直接焊接或锚固（图3）：
图3 型钢混凝土节点
从施工反馈来看，没有施工困难问题，仅仅是剪力墙水平受力钢筋较多导致现场焊接工作量较大，并要分批焊接避免焊缝的残余应力的不利影响，图4为现场施工照片：
图4 施工图片
7 结论
根据本工程在型钢混凝土组合结构的实际应用经验，可以得出以下结论：
（1）当地震动参数较高、地震作用较大导致混凝土柱构件产生较大的轴力，为避免柱构件超筋或改善配筋率过大的问题时，可考虑针对个别柱构件（比如抗震墙端部柱）或者全部柱构件采用型钢混凝土组合结构。
（2）型钢规格的配置视组合内力的具体情况而定。若只需考虑分担轴力，则型钢大小按照构造的低限配置;若要考虑同时分担弯矩和轴力，则需按高值进行配置。
（3）型钢混凝土承载力验算方法比较成熟，目前PKPM系列就可直接进行计算，只是型钢侧面的栓钉需进行人工复核。
（4）型钢混凝土设计必须注意节点处的连接做法，规划框架梁钢筋位置与型钢的规避及连接关系，必要时与施工单位进行现场沟通，以保证节点施工的可靠性。
参考文献：
[1]《《型钢混凝土组合结构设计规程》（JGJ138-2001）
[2]《型钢混凝土组合结构构造》哈尔滨：哈尔滨建筑工业大学出版社，1997.44245
【关键词】 型钢混凝土组合结构：抗震分析
1 概述
型钢混凝土组合结构又称钢骨混凝土结构，是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构型式。由于在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性，将型钢、钢筋、混凝土三位一体地工作，使型钢混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。
本文结合在某高烈度地区电厂主厂房使用型钢混凝土组合结构的实际案例，通过结构分析计算，较为深入地探讨了采用型钢混凝土的原因，以及型钢混凝土结构的力学特点及优势，并针对在具体施工过程中遇到的问题和解决经验进行了详细的阐述。
2 工程情况简述
（1）新疆某新建公用热电厂，厂址位于库尔勒，电厂规划建设容量为2×135MW+2×350MW机组。一期建设2×135MW超高压、燃煤、空冷、单抽凝汽式机组，预留扩建余地。
（2）抗震设防烈度为8度（（第二组），地震动峰值加速度值为0.222g（P50=10%），水平地震影响系数最大值为0.21（P50=63%）。
（3）场地类别为III类，场地土特征周期Tg=0.45
（4）建筑本工程主厂房结构形式：横向为汽机房与除氧间框架、煤仓间框架组成钢筋混凝土框—排架结构体系，纵向汽机房A列采用的钢筋混凝土框架—钢支撑结构，除氧煤仓间采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系。
从外部条件来看，地震动参数相对较高，尤其是水平地震影响系数最大值为0.21。尽管机组容量不大，但是从反应谱曲线来看，框架结构的自振周期范围内（0.9-1.3S），水平地震影响系数比标准8度（0.20g）相应大30%
3 普通混凝土柱方案的计算结果
计算分析软件采用PKPM系列软件（2012版），计算模型如图1所示。底层混凝土等级为C50，钢筋为HRB400钢筋。
（1）根据计算结果，第一自振周期为1.24s（横向）。第二自振周期为1.15s（纵向），扭转振型为第五振型，结构特征比较合理。
（2）纵向基底地震剪力为22700KN，对应的剪质比达到7.13%;横向基底地震剪力为23500KN，对应的剪质比达到7.38%;剪质比平均值与反应谱曲线查到的水平地震影响系数大致吻合，计算结果相对可信。
（3）由于地震作用比较大，通过调整纵向抗震墙的厚度和框架梁柱的截面尺寸，使得结构位移基本上能满足规范的要求。
图1 结构模型
（4）从此计算结果来看，尽管结构的高度和荷载都不大，但由于水平地震作用较大，增设抗震墙是保证层间位移角满足规范的必要手段。从计算结果来看，最大位移角均发生在第4层即煤斗支撑层（表1）。
表1 层间弹性位移角
层数 纵向位移角 横向位移角
8 1/560 1/650
7 1/839 1/603
6 1/792 1/600
5 1/790 1/550
4 1/780 1/550
3 1/803 1/603
2 1/790 1/614
1 1/967 1/805
（5）构件配筋结果：
当采用普通混凝土柱方案时，底层柱（不含抗震墙端柱）平均配筋率在1.5～1.8%左右，但是抗震墙两侧的边框柱普遍出现配筋超大的现象，边框柱纵向配筋率普遍在4.0%以上，个别柱超筋。
显然，若按4%的纵筋配筋率进行配筋，柱单边配筋面积达到17000mm2，需配置三排直径32的钢筋。如此之密的钢筋显然造成施工的困难。为解决上述问题，后来又试着采取调整抗震墙厚度，调整混凝土强度等级等措施，上述情况均未解决，配筋率均仍旧很大，个别柱仍旧超筋。
4 采用型钢混凝土方案的原因
查询SATWE的内力计算文件，得出边框柱的内力组合（见表2），可以看出，造成配筋面积过大的原因在于组合后的轴力值均为拉力（PKPM规定正值为拉力，负值为压力），使得边框柱的受力情况变成拉弯构件。在这种内力组合下，混凝土本身不分担应力，轴拉力全部由钢筋承担，造成边框柱配筋超大。
表2 典型边框柱内力组合
内力
工况 轴力
（KN） MX
（KNm） MY
（KNm） 顶部配筋（mm） 底部配筋（mm）
62 881 6561 -115 13673
60 4602 -1567 -722 12435
62 881 -7741 -186 15348
60 4602 1775 658 14231
进一步分析，引入抗震墙后，由于抗震墙和边框柱构成的巨型构件承担了相当比例的地震剪力和倾覆弯矩，使得作为工字形截面翼缘的边框柱在地震作用下产生相当大的拉力标准值。当作用在边框柱上的竖向荷载较小时，就会使组合后的轴力呈现拉力（图2）。
图2 工字型墙截面示意
因此，由于框架-抗震墙结构自身的特点，水平地震效应使得边框柱轴力产生集中现象，受压侧压力偏大，受拉侧有可能变为偏拉构件，使得纵向配筋率偏大，所以考虑将边框柱改为型钢混凝土组合构件，由混凝土中的型鋼分担较大的轴向力，减少柱的纵向钢筋。
5 型钢混凝土方案的设计 根据《型钢混凝土组合结构设计规程》（JGJ138-2001）和《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2010）的规定，考虑以下几个方面进行型钢混凝土的选型：
（1）规范中规定型钢混凝土柱的型钢含钢率不宜小于4%，且不宜大于15%，比较经济的含钢率为4%～8%。经过几次试算，拟定采用HN700X300X13X24（柱截面为700X1400），型钢含钢率为4.1%.
（2）混凝土强度等级不宜低于C30，型钢宜采用Q235及Q345级钢材，本工程采用C50混凝土和Q345型钢。
（3）规范中规定作为抗震墙的边框柱，要求型钢的强轴与抗震墙平行布置，因此本工程型钢布置方向垂直于抗震墙方向设置。
（4）根据计算结果，边框柱在煤斗支撑层以下轴力偏大，煤斗支撑层以上的轴力相对较小可采用普通钢筋混凝土构件可以满足要求。因此考虑到经济性，只在煤斗支撑层以下设置型钢混凝土构件。
2008版以后的PKPM增加了型钢混凝土构件的计算功能，可以直接输入型钢混凝土构件进行计算。本工计算后的结果如下表，从表中可以看出，采用型钢混凝土后，由于型钢分担了相当的轴力值，使得混凝土的配筋率大幅度下降（表3），解决了超筋的技术问题，也为施工绑扎钢筋提供了可行性。
表3 前后計算配筋结果对比
边框柱位置 钢筋混凝土配筋率 型钢混凝土配筋率
B列15轴 3.97% 2.61%
B列1轴 4.07% 1.97%
D列15轴 4.32% 2.5%
D列1轴 5.12%（超筋） 2.39
6 型钢混凝土的节点设计与施工
型钢混凝柱设计和施工难点，最关键的就是如何处理好梁柱连接的节点，只有很好的节点设计方可以保证现场施工的顺利进行。
一般在节点处两个方向都有梁，当采用HN700X300X13X24型钢时短向可以通过梁柱偏心实现纵筋顺利避开H型钢，但是长方向H型钢高700很难实现梁纵筋绕开H钢，通长设计节点有直接在H型钢上开孔穿钢筋，框架梁纵筋都很多，在H型钢腹板上开穿钢筋的孔将使H型钢截面削弱很大，不能满足《型钢混凝土组合结构技术规程》，规范规定的最小含钢量的规定。因此采用焊接法：梁纵筋直接焊接或锚固或者在节点部位增设型钢牛腿，在型钢牛腿上下翼缘上焊接梁纵向受力钢筋。本工程采用了梁纵筋直接焊接或锚固（图3）：
图3 型钢混凝土节点
从施工反馈来看，没有施工困难问题，仅仅是剪力墙水平受力钢筋较多导致现场焊接工作量较大，并要分批焊接避免焊缝的残余应力的不利影响，图4为现场施工照片：
图4 施工图片
7 结论
根据本工程在型钢混凝土组合结构的实际应用经验，可以得出以下结论：
（1）当地震动参数较高、地震作用较大导致混凝土柱构件产生较大的轴力，为避免柱构件超筋或改善配筋率过大的问题时，可考虑针对个别柱构件（比如抗震墙端部柱）或者全部柱构件采用型钢混凝土组合结构。
（2）型钢规格的配置视组合内力的具体情况而定。若只需考虑分担轴力，则型钢大小按照构造的低限配置;若要考虑同时分担弯矩和轴力，则需按高值进行配置。
（3）型钢混凝土承载力验算方法比较成熟，目前PKPM系列就可直接进行计算，只是型钢侧面的栓钉需进行人工复核。
（4）型钢混凝土设计必须注意节点处的连接做法，规划框架梁钢筋位置与型钢的规避及连接关系，必要时与施工单位进行现场沟通，以保证节点施工的可靠性。
参考文献：
[1]《《型钢混凝土组合结构设计规程》（JGJ138-2001）
[2]《型钢混凝土组合结构构造》哈尔滨：哈尔滨建筑工业大学出版社，1997.44245