L形部分包覆鋼-混凝土組合柱設計及應用*

覃祚威，李 慧，范曉偉，婁 峰，徐元杰

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313071)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構件(簡稱PEC構件)由開口截面主鋼件、縱筋、栓釘、連桿及包覆混凝土組成，矩形及L形PEC柱截面形式如圖1所示。PEC柱、PEC梁的鋼筋綁扎、混凝土澆筑均可在工廠完成。

圖1 PEC柱截面

PEC構件通過系桿及填充混凝土抑制鋼翼緣的失穩，從而形成組合結構受力形態。PEC構件特點如下：①安全性 充分發揮鋼、混凝土的受力優勢，構件具有承載力高、剛度大、延性和變形性好、節點抗震性能優越、經濟性良好等優點；②耐久性 內填混凝土可減少H型鋼表面暴露量，減少防腐防火涂料用量，降低成本，有利于后期維護；鋼的外包約束和配件抑制混凝土早期開裂；③舒適性 剛度大、無震動感；結構及構件變形小，避免純鋼結構因變形大導致內外墻開裂；④便于工廠預制 利用型鋼做模板澆筑混凝土，節能環保；⑤便于預制構件現場對接 PEC柱現場對接時，鋼構件采用栓焊或全焊連接后填充混凝土，施工方便，質量可控；⑥便于裝飾裝修 柱與梁腹板填充混凝土，可與內外墻進行一體化裝修，避免腹板未填充的H型鋼梁隔聲隔熱問題

住宅項目應盡可能避免凸梁凸柱情況。在高層住宅項目中，矩形PEC柱因平面外穩定承載力低，需將柱寬度方向設計為大截面，導致無法避免凸柱情況。

L形PEC柱比矩形PEC柱填充混凝土面積大，更能充分發揮混凝土抗壓性能，呈整體失穩狀態，失穩臨界承載力較高。故L形PEC柱在高層住宅項目中具有廣闊應用空間，但至今未有成熟的承載力公式。

1 相關研究簡述

矩形PEC柱在國內外已開展豐富的研究，歐洲規范BS EN 1994-1-1∶2004Eurocade4:Designofcompositesteelandconcretestructures已有完善的計算及構造要求。我國于2020年7月發布T/CECS 719—2020《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規程》[1]。但上述規范標準均未含L形PEC柱。陳璨[2]推導L形PEC柱繞x軸偏心受壓承載力的7種情況，但未開展有限元計算及試驗驗證。

L形PEC柱與L型鋼混凝土異形柱相近。薛建陽等[3]對型鋼混凝土異形柱進行研究及工程實踐，并編制書籍，相關計算方法及成果值得借鑒。

2 主鋼件鋼貢獻率及軸壓比控制

2.1 鋼件鋼貢獻率計算

主鋼件面積過小，不能體現鋼結構強度高、延性好的優勢。主鋼件面積過大，不經濟。通常主鋼件配鋼率ρa為6%～15%，受力縱筋配筋率ρs為0.5%～5%，宜≤4%，取混凝土強度等級20～60MPa，鋼材強度等級235～420MPa，為簡化計算，不計縱向鋼筋作用，計算鋼貢獻率在0.333～0.875，故取0.3～0.9[1]。鋼貢獻率計算如下：

δ=Aafa/(Aafa+Acfc)

(1)

式中：Aa，fa分別為主鋼件面積及抗壓強度設計值；Ac，fc分別為混凝土面積及軸線抗壓強度設計值。

2.2 軸壓比計算

參照JGJ 138—2016《組合結構設計規范》[4]，根據相關論文[5]，軸壓比采用疊加法，二級抗震等級采用理論計算的軸壓比，一級、三級、四級分別增加和減少0.1。L形PEC柱一級、二級、三級、四級軸壓比限值分別為0.4，0.5,0.6,0.7，軸壓比n計算如下：

n=N/(Aafa+Acfc)

(2)

式中：N為考慮地震作用組合的柱軸向壓力設計值。

3 L形PEC柱雙向壓彎穩定承載力驗算

參照相關論文[6-8]，雙向壓彎穩定承載力可采用基于纖維模型數值積分法的Xtract軟件進行驗算。

3.1 計算模型建立

Xtract軟件前身是美國伯克利大學開發，用于計算截面彎矩-曲率特征，后來由Imbsen公司開發并更名為Xtract。Xtract根據材料本構關系，在平截面基本假定基礎上，以纖維模型為基本計算模型(即將截面離散化為許多小面積纖維單元)，假定截面曲率從零開始增加，由截面曲率計算每個纖維單元應變(見圖2)。由纖維單元應力-應變曲線計算纖維單元應力，再將計算的應力累計求和得到截面軸力，同時對截面形心取矩并求和得到截面彎矩。圖2中，εci為第i個混凝土單位應變，變壓為正；Aci為第i個混凝土單元面積；εsj為第j個普通鋼筋單元應變，受拉為正；Asj為第j個普通鋼筋單元面積；εpk為第k為預應力筋單元應變，受拉為正；Apk為第k個預應力筋單元面積；r為截面重心至中和軸的距離；h01為截面受壓區外邊緣至受拉區最外排普通鋼筋間垂直于中和軸的距離；xn為中和軸至受壓區最外側邊緣距離。

圖2 纖維單元劃分及應變分布

在小震條件下驗算正截面承載力時，混凝土材料相關參數采用無約束混凝土，抗壓強度設計值及彈性模量依據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》確定[9]，C35混凝土本構參數如圖3a所示。鋼筋采用雙折線模型，Yield Stress值按《混凝土結構設計規范》，根據鋼筋型號取為鋼筋強度設計值。HRB400鋼筋采用雙折線模型，如圖3b所示，Yield Stress值按GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[10]，根據鋼材型號及厚度取為抗拉強度設計值。厚度≤16mm的Q345B鋼材參數如圖3c所示。Xtract軟件中L形PEC柱截面網格劃分如圖4所示。

圖4 L形PEC柱網格劃分

圖4 L形PEC柱網格劃分

3.2 P-M(軸力-彎矩)曲線繪制

使用Xtract軟件驗算L形PEC柱截面時，可計算0～180°及180～360°加載角度下截面的承載力，柱受力角度設置為0～180°，并以15°間隔劃分，最終形成P-M曲線包絡圖，如圖5所示。

圖5 P-M曲線及內力點

3.3 雙向壓彎驗算的內力數據處理及承載力

L形PEC柱可采用盈建科軟件進行建模，繞x軸的彎矩標記為Mx，繞y軸的彎矩標記為My，軸向壓力標記為N。選取Mx，My在x-y坐標系中均產生壓力作用的區域為截面受壓區，根據彎矩在受壓區的合力確定軸向壓力作用點N的方向，考慮構件附加偏心作用，取附加偏心距ea=max{20mm，0.15×最小回轉半徑}，即附加彎矩為ea·N。

圖6 坐標系轉換

(3)

(4)

通過上述坐標系轉換，可得x′-y′坐標系的θ，N，M′值，將所有內力點繪制到P-M曲線中；同一截面不同角度的P-M曲線共同圍成內輪廓線，作為該截面最保守P-M曲線，內部散點為該構件所有實際受力(M，N)點，當散點全部分布在內輪廓線中心時，說明該構件安全。

4 L形PEC柱受剪承載力驗算

柱剪力一般很小，而L形PEC柱的主鋼件抗剪承載力很高，故可保守簡化為僅考慮主鋼件中平行于剪力方向的腹板受力?？辜舫休d力Vu計算如下：

Vu=Awfv

(5)

式中：Aw為主鋼件中平行于剪力方向的腹板截面面積；fv為主鋼件中平行于剪力方向的腹板抗剪強度設計值。

5 工程實踐

5.1 工程概況

東升和府10號樓項目位于浙江省湖州市湖東分區，為地下2層、地上17層的板式高層住宅，地上建筑面積1.1 萬m2。首層為入戶大堂及物業用房，層高5.9m；2層及以上為標準層，層高3m，屋面結構標高為53.800m。每個標準層由2個對稱單元組成，每個單元由140m2戶型、180m2戶型、2部電梯及1個樓梯間組成，平面長48.4m，寬12.4m。設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，耐火等級為二級。結構體系為部分包覆鋼-混凝土組合框架-支撐體系，抗震等級為三級，為預制局部疊合板，屋面為鋼筋桁架疊合板，采用預制PC樓梯，內墻為ALC條板+局部砌筑，外墻為外掛PC墻板+保溫巖棉+ALC條板系統，衛生間及廚房為集成系統產品，裝配率為94%。

本項目PEC柱混凝土強度等級為C35，主鋼件強度等級為Q345B，鋼筋強度等級為HRB400。PEC柱僅4個規格，即矩形柱Z1及Z2規格為200mm×600mm，Z3規格為200mm×700mm；L形柱Z4規格為200mm×700mm，Z5規格為200mm×600mm，嵌固端位于地下室頂板，計算模型如圖7所示，標準層結構布置如圖8所示。

圖7 計算模型

圖8 標準層結構布置

L形柱Z4構造如圖9a所示，縱向鋼筋為構造配筋，主鋼件翼緣厚度為12～22mm，腹部厚度為8～10mm。L形柱Z5構造如圖9b所示，縱向鋼筋為構造配筋，主鋼件翼緣厚12～16mm，腹部厚8～10mm。

圖9 L形柱構造

5.2 構件承載力驗算指標

1)鋼貢獻率為0.57～0.66。

2)按式(2)的軸壓比最大值為0.5≤0.6，考慮L形PEC柱為首次應用，故按僅考慮主鋼件時，軸壓比n=N/(Aafa)≤0.85進行計算，其中N為非抗震及抗震所有組合工況的柱軸向壓力設計值。

3)雙向壓彎穩定承載力采用P-M曲線包絡設計法，Z4，Z5最不利工況如圖10所示。

圖10 最不利工況

5.3 構件加工過程及注意事項

L形PEC柱加工過程如下：制作主鋼件→綁扎鋼筋→澆筑混凝土。由于L形主鋼件焊接及混凝土澆筑過程易出現變形，故宜增加臨時剛性支撐，保證構件制作精度。

6 結語

L形PEC柱是裝配式建筑中的結構構件，在高層住宅項目中能有效避免凸梁凸柱情況，具有承載力高、延性好、剛度大、制作安裝方便、經濟性優越的特點。期望通過本文讓更多的設計及研究人員掌握L形PEC柱設計方法，更期望研究人員及單位對L形PEC柱開展系統的理論及試驗研究。