組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 第2版 課件 第8、9章 其他組合結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)設(shè)計

第八章其他組合結(jié)構(gòu)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理概述FRP包裹鋼管混凝土柱FRP包裹型鋼混凝土柱FRP-混凝土-鋼管組合柱8.18.18.28.28.38.38.48.4content目錄部分包裹混凝土組合柱中空夾層鋼管混凝土柱鋼管混凝土疊合柱本章小結(jié)8.58.58.68.68.78.7隨著工程結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，研究人員和工程師在傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了很多新型組合結(jié)構(gòu)形式，來滿足特定條件下的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)及構(gòu)件類型主要有壓型鋼板-混凝土組合板、鋼-混凝土組合梁、型鋼混凝土和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。新型組合結(jié)構(gòu)總體上可分為兩類，一類是對傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如中空夾層鋼管混凝土、部分包裹混凝土組合柱以及鋼管混凝土疊合柱等；另一類是結(jié)合新材料進行創(chuàng)新，如FRP（FiberReinforcedPolymer）包裹混凝土和FRP包裹鋼管混凝土等。常見的FRP材料包括CFRP（CarbonFiberReinforcedPolymer）和GFRP（GlassFiberReinforcedPolymer）等。沈陽皇朝萬鑫國際大廈（圖8-1）是我國首座采用鋼管混凝土疊合柱體系的高層建筑。該建筑地下3層、局部5層，占地面積10606m2，總建筑面積約250000m2，高度達177m。采用疊合柱設(shè)計后，最大柱截面僅為1200×1200mm，顯著降低工程造價，加快施工進度，目前已成為沈陽城市金廊最具展示力的地標建筑。8.1概述圖8-1沈陽皇朝萬鑫國際大廈浙江舟山大貓山島輸電塔（圖8-2）是目前世界最高、最重的鐵塔，高370m，重5710t。該輸電塔建于舟山?jīng)雒鄙綅u和大貓山島，施工難度大、技術(shù)要求高。采用中空夾層鋼管混凝土柱設(shè)計后，原方案中鋼管壁厚超過40mm的難題得以解決，刷新了多項國內(nèi)和國際記錄。圖8-2舟山大貓山島輸電塔8.1概述除了采用新型組合結(jié)構(gòu)體系進行建筑的設(shè)計和施工外，還可以結(jié)合新材料，對既有建筑物進行加固修繕。纖維增強復(fù)合材料（簡稱FRP）作為一種在土木工程中廣泛應(yīng)用的新型建筑材料，受到廣泛關(guān)注。FRP通過與混凝土或鋼材組合，能夠充分發(fā)揮各自優(yōu)點，構(gòu)成新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。目前常見的FRP約束組合柱類型主要有FRP約束鋼管混凝土柱、FRP約束型鋼混凝土柱和FRP-混凝土-鋼組合柱等。FRP包裹鋼管混凝土柱（FRPWrappedSteelTubeConcreteColumn）是指將FRP以特定方式包裹在鋼管表面，形成FRP-鋼復(fù)合管，并在管內(nèi)灌注混凝土；或在鋼管混凝土表面包裹FRP形成的一種新型組合構(gòu)件，主要截面形式如圖8-3所示。圖8-3FRP包裹鋼管混凝土柱的主要截面形式（a）圓形截面（b）方形截面（c）矩形截面8.2FRP包裹鋼管混凝土柱8.2.1FRP包裹鋼管混凝土柱的概念與特點FRP包裹鋼管混凝土具有下列特點：1）強度及延性良好外部FRP可為鋼管和核心混凝土提供有效的約束，提高構(gòu)件的整體強度，內(nèi)部鋼管保證柱子的剛度和延性，充分發(fā)揮兩者不同的優(yōu)勢；2）自重輕，適用范圍廣鋼管外包裹FRP，可減小鋼管壁厚，降低耗鋼量，減輕構(gòu)件自重，提高耗能能力。FRP具有良好的化學(xué)性質(zhì)，能夠為鋼管提供有效的防腐保護，同時通過合理設(shè)計FRP的加固形式，實現(xiàn)柱體力學(xué)性能的多樣性，拓寬了柱的適用范圍。從現(xiàn)有試驗結(jié)果可以得到FRP包裹鋼管混凝土柱軸心受壓時的受力性能；本文以FRP部分包裹鋼管混凝土短柱為例，簡要介紹其軸心受壓破壞模式及受力機理。（1）FRP部分包裹鋼管混凝土短柱軸壓作用下的破壞模式

1）FRP斷裂FRP的斷裂主要集中于柱高度中部附近。由于FRP包裹鋼管混凝土短柱在軸壓作用下，柱高度中部向外鼓脹，F(xiàn)RP將產(chǎn)生較大的橫向變形，率先斷裂破壞。

2）核心混凝土局部壓潰核心混凝土的局部壓潰區(qū)主要集中于柱高度附近非包裹區(qū)。相較于柱端及FRP包裹區(qū)，柱高度中部附近非包裹區(qū)約束作用較小，核心混凝土相應(yīng)的極限受壓應(yīng)力比其他部位小。因此，該部分核心混凝土率先壓潰。

3）鋼管局部曲屈服鋼管在短柱非包裹區(qū)由于沒有FRP條帶的約束作用，在軸向壓力較大時首先發(fā)生屈曲，進而導(dǎo)致核心混凝土局部壓潰。8.2FRP包裹鋼管混凝土柱8.2.2FRP包裹鋼管混凝土柱的軸心受力性能（2）FRP部分包裹鋼管混凝土短柱軸壓作用下的受力機理基于試驗和理論分析，F(xiàn)RP部分包裹鋼管混凝土短柱的軸向壓力N-變形Δ曲線的特征大致可以分為五個階段，主要與鋼材強度和FRP的約束效應(yīng)系數(shù)有關(guān)，如圖8-4所示。

1）彈性階段（OA）在彈性階段，鋼管的壓應(yīng)力和FRP的拉應(yīng)力表現(xiàn)為線性增長模式。當鋼材起始進入彈塑性階段時，曲線達到B點。

2）彈塑性階段（AB）隨著軸向荷載的進一步增加，N-Δ曲線進入彈塑性階段。鋼管內(nèi)核心混凝土在荷載作用下產(chǎn)生裂縫并不斷開展，使得混凝土和鋼管相互接觸，鋼管對核心混凝土產(chǎn)生約束作用。隨著變形的持續(xù)增大，鋼管對核心混凝土的環(huán)向約束作用也越加明顯。在B點時，鋼材應(yīng)力達到屈服強度。圖8-4FRP部分包裹鋼管混凝土短柱的N-Δ曲線8.2FRP包裹鋼管混凝土柱8.2.2FRP包裹鋼管混凝土柱的軸心受力性能（2）FRP部分包裹鋼管混凝土短柱軸壓作用下的受力機理

3）塑形強化階段（BC）進入塑性強化段后，鋼材達屈服強度后進一步強化。FRP部分包裹鋼管混凝土短柱荷載進一步提高。通過參數(shù)分析表明，B點和C點的荷載級差隨著構(gòu)件的鋼材強度和FRP提供的約束效應(yīng)系數(shù)的增大而增大。而B點和C點之間的水平距離則隨著CFRP預(yù)緊力的增大而減小。4）突然下降段（CD）N-Δ曲線達到C點后，柱高度中部包裹的FRP條帶達到其極限抗拉強度，發(fā)生斷裂。隨后，鋼管混凝土失去FRP的約束作用，承載力急速下降。尤其是C點和D點的下降幅度隨著CFRP約束效應(yīng)系數(shù)的增大而增大。

5）緩慢下降段（DE）在FRP發(fā)生斷裂，試件承載力急速下降后，圓鋼管混凝土仍能承受一定的軸向荷載，并呈緩慢下降的趨勢。圖8-4FRP部分包裹鋼管混凝土短柱的N-Δ曲線8.2FRP包裹鋼管混凝土柱8.2.2FRP包裹鋼管混凝土柱的軸心受力性能

在試驗基礎(chǔ)上，可得FRP包裹鋼管混凝土柱的軸心受壓承載力計算公式：

8.2FRP包裹鋼管混凝土柱8.2.2FRP包裹鋼管混凝土柱的軸心受力性能（a）圓形截面FRP包裹型鋼混凝土柱（FRPWrappedSteelConcreteColumn），是指以FRP管為模板，內(nèi)置鋼骨，在FRP管內(nèi)灌注混凝土形成的一種新型組合構(gòu)件，主要截面形式如圖8-5所示。（b）方形截面圖8-5FRP包裹型鋼混凝土柱的主要截面形式FRP包裹型鋼混凝土柱通過內(nèi)置鋼骨，解決了FRP管混凝土結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用時易發(fā)生脆性破壞、延性性能差、耗能能力弱的缺陷。FRP管對混凝土提供約束作用，使其處于三向受力狀態(tài)，使得混凝土強度、塑性和韌性均得到改善；型鋼提高構(gòu)件承載能力的同時，增大了構(gòu)件的延性和抗震性能；混凝土的存在又避免了FRP管過早發(fā)生局部破壞，保證其材料性能能充分發(fā)揮。另外，該結(jié)構(gòu)還具有下列特點：（1）優(yōu)良的耐腐蝕性能：FRP包裹鋼骨混凝土柱可在暴露、具有腐蝕性及特殊的不利環(huán)境下使用；（2）整體性能好：由于混凝土與FRP的線膨脹系數(shù)接近，受熱后變形基本相同，整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，能夠承受較為劇烈的溫差變化；（3）抗震性能好：FRP材料質(zhì)量較輕，強度較高，其彈性模量遠大于鋼材的彈性模量，使得采用FRP的建筑物自重明顯降低，進而減少地震造成的危害。8.3FRP包裹型鋼混凝土柱8.3.1FRP包裹型鋼混凝土柱的概念與特點根據(jù)試驗資料，F(xiàn)RP包裹型鋼混凝土柱的軸心受壓過程可以分為三個階段：1）第一階段：線彈性階段在荷載作用初期，軸壓荷載與軸向位移有良好的線性關(guān)系，試件處于彈性工作狀態(tài)，表面沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，可以認為此時型鋼、FRP管和混凝土具有較好的共同受力性能。2）第二階段：彈塑性階段隨著軸向壓力的增加，內(nèi)部混凝土微裂縫不斷產(chǎn)生，試件的軸壓剛度減小，混凝土橫向變形增大，F(xiàn)RP管對內(nèi)部混凝土產(chǎn)生環(huán)向約束力。當荷載增大至極限荷載65%左右時，型鋼與外包混凝土仍保持較好的協(xié)同工作性能，但型鋼、FRP管和混凝土共同受力工作的性能逐漸減弱。3）第三階段：強化階段隨著荷載繼續(xù)增加，試件內(nèi)混凝土逐漸向外膨脹。當荷載達到極限荷載的85%左右時，可聽到玻璃纖維開裂的聲音，隨后FRP管表面裂縫迅速擴展，F(xiàn)RP管對混凝土的約束消失，承載力急劇降低。FRP管隨著混凝土橫向變形的增加而對內(nèi)部混凝土的約束應(yīng)力隨之增大，最終發(fā)生破壞。8.3FRP包裹型鋼混凝土柱8.3.2FRP包裹型鋼混凝土柱的軸心受壓性能FRP-混凝土-鋼管組合柱（HybridFRP-Concrete-SteelDoubleSkinTubularColumn）由內(nèi)層鋼管、外層FRP管和兩者之間的夾層混凝土構(gòu)成，其截面形式如圖8-6所示，混凝土受到FRP管與鋼管的雙重約束，同時鋼管的屈曲延緩，從而使組合柱具有較高的延性。同時，組合柱內(nèi)層鋼管的空心還有利于建筑結(jié)構(gòu)中一些預(yù)埋管線的通過，便于施工布線。FRP-混凝土-鋼管組合柱的特點與FRP約束鋼管混凝土柱類似。圖8-6FRP-混凝土-鋼管組合柱的主要截面形式（b）圓形截面（a）方形截面8.4FRP-混凝土-鋼管組合柱8.4.1FRP-混凝土-鋼管組合柱的概念與特點通過大量軸壓試驗表明，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合柱的軸向壓力-應(yīng)變曲線（圖8-7）與破壞形式（圖8-8）對應(yīng)，可以歸納為三種：1）應(yīng)變隨軸向壓力的增大而增大，直至達到最大軸向壓力，如圖8-8a；2）應(yīng)變隨軸向壓力的增大而增大，達到最大軸向壓力，軸力保持不變，應(yīng)變繼續(xù)增大，如圖8-8b；3）應(yīng)變隨軸向壓力的增大而增大，達到最大軸向壓力后，軸力下降，應(yīng)變繼續(xù)增大，如圖8-8c。圖8-6FRP-混凝土-鋼管組合柱的主要截面形式（a）FRP管纖維拉斷破壞（b）FRP管纖維拉斷、鋼管壓屈破壞（c）整體壓屈破壞圖8-8FRP-混凝土-鋼管組合柱的主要破壞形式8.4FRP-混凝土-鋼管組合柱8.4.2FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸心受壓性能FRP-混凝土-鋼管組合柱軸壓承載力計算采用如下基本假定：（1）由于在軸向加載時不考慮FRP管對構(gòu)件軸壓承載力的貢獻，因而可假設(shè)FRP管處于徑向受壓和環(huán)向受拉的雙向應(yīng)力狀態(tài)；（2）在實際應(yīng)用中，雙層空心管柱中鋼管的徑厚比de/t2一般大于20，將其視為薄壁圓筒進行承載力分析更為合理；（3）內(nèi)層鋼管主要承擔軸壓作用，側(cè)向抗壓能力較弱，因而在承載力計算中仍用其屈服強度σs。極限承載力計算公式推導(dǎo)過程如下：設(shè)σrf和σrs分別為外層FRP管和內(nèi)層鋼管對夾層混凝土所提供的側(cè)向壓力，其總側(cè)向壓力σrc為：

利用材料力學(xué)知識可得：

8.4FRP-混凝土-鋼管組合柱8.4.3FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸心受壓承載力計算

將式（8-3），式（8-4）和式（8-5）代入式（8-2）可得：

式中：to—外層FRP管的壁厚；

Do—外層FRP管的內(nèi)徑；

σθf—外層FRP管所受環(huán)向拉應(yīng)力；

ti—內(nèi)層鋼管的壁厚；

Di—內(nèi)層鋼管的外徑；

P2—薄壁鋼管外壓力的極限荷載。

8.4FRP-混凝土-鋼管組合柱8.4.3FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸心受壓承載力計算核心混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，套箍作用使其抗壓強度提高，由雙剪統(tǒng)一強度理論可得：

FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸壓承載力為：

8.4FRP-混凝土-鋼管組合柱8.4.3FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸心受壓承載力計算近年來，型鋼混凝土柱在建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、可成型性好的特點，也有鋼結(jié)構(gòu)施工經(jīng)濟性的優(yōu)勢。然而，利用全包裹混凝土組合形式對既有建筑的鋼柱加固不易實現(xiàn)，且不經(jīng)濟，也不適合用于層數(shù)適中的鋼結(jié)構(gòu)。為此，有學(xué)者提出了部分包裹混凝土組合柱。部分包裹混凝土組合柱（PartiallyEncasedConcreteCompositeColumns，簡稱PEC柱）是指在H型鋼柱的腹板和翼緣之間填充混凝土，形成一種能夠同時承受水平和豎向荷載的組合構(gòu)件。根據(jù)翼緣寬厚比的不同，部分包裹混凝土組合柱分為厚實型和薄柔型兩種，常見截面形式如圖8-9所示。（a）厚實型截面（b）薄柔型截面圖8-9部分外包組合柱（PEC柱）截面形式部分包裹混凝土組合柱與傳統(tǒng)柱相比，具有如下優(yōu)勢：（1）與H型鋼柱相比，部分包裹混凝土組合柱提高了承載力和剛度，減小了橫截面面積，但是延性降低較??；由于外包混凝土的保護作用，使型鋼的直接受火面積減小，提高了構(gòu)件的抗火能力。（2）與型鋼混凝土柱相比，部分包裹混凝土組合柱的施工更加方便，降低工程造價。部分包裹混凝土組合柱，在新建和既有鋼結(jié)構(gòu)的工程加固應(yīng)用中具有良好前景。8.5部分包裹混凝土組合柱8.5.1部分包裹混凝土組合柱的概念與特點通過部分包裹混凝土組合柱軸壓試驗，試驗現(xiàn)象如下：隨著荷載的不斷增加，試件中部受壓混凝土出現(xiàn)豎向裂縫，如圖8-10（a）所示，發(fā)生劈裂破壞，H型鋼翼緣開始屈服；繼續(xù)加載，中部兩側(cè)混凝土出現(xiàn)脫落，H型鋼翼緣出現(xiàn)局部屈曲，柱腳混凝土出現(xiàn)壓碎脫落，H型鋼翼緣出現(xiàn)屈曲；最后試件整體繞弱軸彎曲（圖8-10（b）），承載力下降,試驗停止。圖8-10部分包裹混凝土組合短柱試件破壞形態(tài)（a）混凝土出現(xiàn)豎向裂縫（b）試件整體繞弱軸彎曲8.5部分包裹混凝土組合柱8.5.2部分包裹混凝土組合柱軸壓承載力計算試驗表明，部分包裹混凝土組合柱在達到極限承載力之前，H型鋼與混凝土能夠較好地共同受力工作，最終破壞模式主要是混凝土壓碎，H型鋼翼緣發(fā)生屈曲。根據(jù)疊加原理，部分包裹混凝土組合柱的軸壓承載力計算公式為：

另外，在進行部分包裹混凝土組合柱設(shè)計時，截面軸心壓力設(shè)計值須同時小于軸壓承載力（又稱強度承載力）和穩(wěn)定承載力，其中穩(wěn)定承載力可根據(jù)強度承載力乘以軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)獲得，計算長細比時，按組合截面中鋼材毛截面計算回轉(zhuǎn)半徑。根據(jù)軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，對H型鋼主軸采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》GB50017規(guī)定的b曲線；對H型鋼弱軸，采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》GB50017規(guī)定的c曲線。8.5部分包裹混凝土組合柱8.5.2部分包裹混凝土組合柱軸壓承載力計算

8.5部分包裹混凝土組合柱8.5.3部分包裹混凝土組合柱的構(gòu)造要求中空夾層鋼管混凝土柱（ConcreteFilledDoubleSkinSteelTubesColumn）是在鋼管混凝土基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新出的一種新型組合結(jié)構(gòu)。它是將實心鋼管混凝土中部的夾層混凝土用空心鋼管替代而形成的組合構(gòu)件。除了具有鋼管混凝土的優(yōu)點外，還具有截面開展、抗彎剛度大（相同自重情況下）、自重輕和防火性能好等特點，適用于在抗彎剛度和抗震性能方面有較高要求的結(jié)構(gòu)，如高架橋、高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)等。中空夾層鋼管混凝土柱常用截面形式如圖8-11所示。圖8-11中空夾層鋼管混凝土柱的常用截面形式（a）方套方截面（b）圓套圓截面（c）方套圓截面8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.1中空夾層鋼管混凝土柱的概念與特點通過試驗和理論分析，中空夾層鋼管混凝土柱在軸心受壓作用下的荷載-變形關(guān)系曲線可以分為四個階段：（1）彈性階段：內(nèi)、外鋼管和夾層混凝土的相互作用力很小。由于鋼管的泊松比（μs=0.3）大于混凝土的泊松比（μc=0.2），鋼管的橫向變形要大于混凝土，因此外鋼管與夾層混凝土間有微小的拉應(yīng)力，夾層混凝土對內(nèi)鋼管有微小的壓應(yīng)力。隨著荷載增加，外鋼管進入彈塑性階段，內(nèi)鋼管過后進入彈塑性階段，夾層混凝土中截面的縱向應(yīng)力基本均勻分布。（2）彈塑性階段：進入彈塑性階段后，夾層混凝土的縱向應(yīng)力大幅增長。當接近圓柱體抗壓強度fc，夾層混凝土微裂縫不斷開展，其橫向變形系數(shù)超過了外鋼管的橫向變形系數(shù)，外鋼管對混凝土開始產(chǎn)生約束作用；內(nèi)鋼管對夾層混凝土的微小壓應(yīng)力逐漸減弱。由于與夾層混凝土的相互作用逐漸增大，外鋼管先于內(nèi)鋼管達到屈服，進入塑性階段；隨后內(nèi)鋼管也達到屈服。在此階段，混凝土截面的縱向應(yīng)力分布仍然較為均勻。（3）塑性階段：在此階段，夾層混凝土的縱向應(yīng)力繼續(xù)增長，隨后，內(nèi)、外鋼管和夾層混凝土共同承載的荷載達到峰值，此時，夾層混凝土的縱向應(yīng)力均超過其圓柱體抗壓強度fc，說明外鋼管對夾層混凝土的約束作用使得混凝土的強度有較大幅度的增大。由于外鋼管與夾層混凝土相互作用的增大，使得夾層混凝土截面的縱向應(yīng)力分布趨于不均勻，越靠近外管的夾層混凝土縱向應(yīng)力越大。內(nèi)鋼管與夾層混凝土的相互作用力繼續(xù)減小，并出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明此時內(nèi)鋼管與夾層混凝土有分離的趨勢。（4）下降階段：內(nèi)、外鋼管和夾層混凝土共同承擔的荷載峰值后，夾層混凝土承擔的荷載很快到達峰值，此后，混凝土縱向應(yīng)力值開始迅速降低。隨著縱向應(yīng)變的繼續(xù)增長，外鋼管對夾層混凝土的約束力不斷增長，開始時增長較快；當夾層混凝土達到峰值應(yīng)力后，增長速度逐漸減慢。由于混凝土向外的橫向變形受到外鋼管較強的約束，橫向變形的速度減小，內(nèi)鋼管在進入彈塑性后的橫向變形速度趕上了內(nèi)混凝土，重新對混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力。8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.2中空夾層鋼管混凝土柱的軸壓力學(xué)性能中空夾層鋼管混凝土的軸壓承載力計算如下：

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.3中空夾層鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算外鋼管和夾層混凝土的組合軸壓強度設(shè)計值fosc按下式計算：1）對于圓套圓中空夾層鋼管混凝土：

2）對于方套圓和矩形套矩形中空夾層鋼管混凝土：

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.3中空夾層鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算

中空夾層鋼管混凝土柱的軸心受拉承載力應(yīng)滿足：

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.3中空夾層鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.4構(gòu)造要求

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.4構(gòu)造要求

8.6中空夾層鋼管混凝土柱8.6.4構(gòu)造要求

鋼管混凝土疊合柱（SteelTubeReinforcedConcreteColumn）由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土疊合形成。按照鋼管內(nèi)外混凝土是否同期澆筑，疊合柱可分為同期施工疊合柱和不同期施工疊合柱。其中，不同時期施工的疊合柱通過疊合二次受力，可以使管內(nèi)混凝土承擔總軸力的較大部分，充分發(fā)揮鋼管混凝土柱軸壓承載能力高的優(yōu)點，彎矩主要由管外鋼筋混凝土部分承擔。常用鋼管混凝土疊合柱的截面形式如圖8-12所示。（a）方套方截面（c）圓套圓截面（b）方套圓截面圖8-12鋼管混凝土疊合柱截面形式8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.1鋼管混凝土疊合柱的概念與特點鋼管混凝土疊合柱具有承載力高、剛度大、良好的抗火性能和變形能力等特點，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。與普通框架相比，采用鋼管混凝土疊合柱的框架還具有以下特點：（1）簡化了框架柱的施工工藝，節(jié)約了施工成本和周期；（2）一般情況下，框架梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋和縱筋可方便從鋼管兩側(cè)穿越梁柱節(jié)點，保證節(jié)點內(nèi)鋼管的連續(xù)貫通；（3）鋼管可有效地提高節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力和延性、優(yōu)化節(jié)點受力性能，其內(nèi)部鋼管易于與鋼梁連接。通過大量試驗和理論分析，鋼管混凝土疊合柱的軸心受壓破壞過程可分為三個階段，如圖8-13所示：1）第一階段，鋼管內(nèi)部混凝土及外圍箍筋約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均處于上升階段，直到外圍混凝土達到峰值應(yīng)變；2）第二階段，鋼管內(nèi)部混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍處于上升段，但外圍混凝土的應(yīng)力開始下降，直到內(nèi)部混凝土達到峰值應(yīng)變；3）第三階段，鋼管內(nèi)部及外圍箍筋約束混凝土的應(yīng)力均處于下降段，直至破壞。因此，鋼管混凝土疊合柱破壞開始于外圍混凝土的壓碎、剝落，箍筋外鼓。雖然在外圍箍筋約束混凝土達到極限應(yīng)變之后疊合柱的承載能力仍有提高，但此時已不能滿足使用要求。因此，將軸壓破壞第一階段與第二階段的臨界點定義為鋼管混凝土疊合柱的極限狀態(tài)，將其對應(yīng)的承載力定義為鋼管混凝土疊合柱的極限承載力。第二階段鋼管內(nèi)部混凝土應(yīng)力的上升只作為強度儲備，在設(shè)計時不予考慮。圖8-13鋼管內(nèi)部混凝土與外圍混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.2鋼管混凝土疊合柱的軸壓性能8.7.3鋼管混凝土疊合柱的軸壓承載力計算

8.7鋼管混凝土疊合柱

8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.3鋼管混凝土疊合柱的軸壓承載力計算

8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.3鋼管混凝土疊合柱的軸壓承載力計算

8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.3鋼管混凝土疊合柱的軸壓承載力計算表8-1軸心受壓疊合柱的穩(wěn)定系數(shù)10121416182022242628308.510.5121415.517192122.524261.000.980.950.920.870.810.750.700.650.600.560.52

表8-1軸心受壓疊合柱的穩(wěn)定系數(shù)10121416182022242628308.510.5121415.517192122.524261.000.980.950.920.870.810.750.700.650.600.560.52

8.7鋼管混凝土疊合柱8.7.3鋼管混凝土疊合柱的軸壓承載力計算（1）其他組合結(jié)構(gòu)總體上可以分為兩類，一類是在傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上所進行的發(fā)展，另一類是與新型材料結(jié)合進行創(chuàng)新。目前，其他組合結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用于建筑的設(shè)計和施工外，還可用于既有建筑物的加固修繕，具有良好的應(yīng)用前景。（2）采用新型材料FRP的其他組合結(jié)構(gòu)目前主要有FRP包裹鋼管混凝土柱、FRP包裹型鋼混凝土柱和FRP-混凝土-鋼管組合柱三種。采用FRP對鋼管和核心混凝土進行約束，或利用FRP管和鋼管對混凝土進行雙重約束，能有效提高構(gòu)件的整體強度、剛度和延性，減輕自重，具有良好的防腐性能，保證材料性能的充分發(fā)揮。（3）FRP包裹鋼管混凝土柱的軸壓性能可用彈性階段、應(yīng)力強化階段和下降段的三階段表示；FRP包裹型鋼混凝土的軸壓性能與之相似，分為線彈性階段、彈塑性階段和強化階段三階段；FRP-混凝土-鋼管組合柱的軸心受壓性能在對大量軸壓試驗的結(jié)果進行歸納后，總體上可分為三種情況，且均可用三階段表示。（4）部分包裹混凝土組合柱、中空夾層鋼管混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱是在傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的三種其他組合結(jié)構(gòu)。以上三種組合結(jié)構(gòu)形式相較于傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)，均提高了構(gòu)件的整體強度，使得截面開展并減輕了結(jié)構(gòu)自重，改善了耐火性能，在實際施工的過程中能夠大大降低造價。（5）中空夾層鋼管混凝土柱的軸壓性能可用彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和下降階段的四階段表示；鋼管混凝土疊合柱的軸壓性能則采用三階段表示。在進行構(gòu)件設(shè)計的過程中，除考慮軸壓承載力外，還需考慮相關(guān)的構(gòu)造要求，保證構(gòu)件各組成部分的性能充分發(fā)揮。本章小結(jié)（1）簡述FRP約束鋼管混凝土柱的概念及特點？（2）簡述FRP約束型鋼混凝土柱的軸心受壓特性？（3）簡述FRP-混凝土-鋼管組合注的概念和主要破壞形式？（4）簡述部分包裹混凝土組合柱與型鋼混凝土柱的區(qū)別？（5）簡述中空夾層鋼管混凝土柱的概念及軸心受壓性能？（6）簡述鋼管混凝土疊合柱的概念及軸心受壓性能？思考題第九章混合結(jié)構(gòu)設(shè)計鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理混合結(jié)構(gòu)設(shè)計概述混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能平面混合結(jié)構(gòu)豎向混合結(jié)構(gòu)9.19.19.29.29.39.39.49.4content目錄混合結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢本章小結(jié)9.59.59.69.6混合結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

混合結(jié)構(gòu)一般是指由不同材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件混合而成的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)體系，廣義的混合結(jié)構(gòu)包括鋼筋混凝土-砌體混合結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、磚-木混合結(jié)構(gòu)及其他形式的混合結(jié)構(gòu)體系。由于木結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用已較少，當前混合結(jié)構(gòu)一般是指鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系。

鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是近年來在我國迅速發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)體系，已廣泛的應(yīng)用于我國高層建筑及超高層建筑中。綜合了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩者各自的優(yōu)勢，既具有鋼結(jié)構(gòu)自重輕、材料強度高、抗震性能好、施工速度快等特點，又具有混凝土用鋼量少、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大、防火防腐性能好等特點。由型鋼混凝土構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件以及鋼構(gòu)件與鋼筋混凝土組成的結(jié)構(gòu)均可稱為混合結(jié)構(gòu)，分類如表9-1所示，但在實際工程中框架-核心筒和筒中筒結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用較多。表9-1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)類型混合框架結(jié)構(gòu)鋼梁-型鋼混凝土柱框架、鋼梁-鋼管混凝土柱框架、鋼梁-鋼筋混凝土柱框架、型鋼混凝土梁-型鋼混凝土柱框架框架-剪力墻鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻、混合框架-鋼筋混凝土剪力墻、鋼框架-型鋼混凝土剪力墻、混合框架-型鋼混凝土剪力墻框架-核心筒鋼框架-鋼筋混凝土核心筒、混合框架-鋼筋混凝土核心筒、鋼框架-型鋼混凝土核心筒、混合框架-型鋼混凝土核心筒筒中筒鋼框筒-鋼筋混凝土內(nèi)筒、混合框筒-鋼筋混凝土內(nèi)筒、鋼框筒-型鋼混凝土內(nèi)筒、混合框筒-型鋼混凝土內(nèi)筒9.1混合結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

國外混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用始于1972年美國芝加哥35層的捷威（Gateway）Ⅲ大廈以及1973年64層的巴黎Mantaparnasse大廈，至90年代末，美國、加拿大、日本等相繼建成了一批混合結(jié)構(gòu)建筑，但數(shù)量相對較少，90年代以后混合結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。80年代中期我國高層建筑中開始采用混合結(jié)構(gòu)體系，發(fā)展速度很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建成150m以上的高層建筑，混合結(jié)構(gòu)約占22.3%；200m以上高層建筑，混合結(jié)構(gòu)約占43.8%；300m以上高層建筑，混合結(jié)構(gòu)約占66.7%；可見混合結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑中具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。9.1.2國內(nèi)外混合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀9.1混合結(jié)構(gòu)設(shè)計概述“中國尊”大廈（528m）采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)（a）效果圖（b）結(jié)構(gòu)體系（c）結(jié)構(gòu)局部示意圖1.結(jié)構(gòu)布置(1)結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)簡單、對稱、規(guī)則以減小由于結(jié)構(gòu)的抗力中心與外荷載中心不重合而產(chǎn)生的偏心，平面采用矩形、多邊形、圓形等規(guī)則形狀，《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS230中規(guī)定，宜避免表9-2中所列不規(guī)則類型。有抗震設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)平面布置，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)，并避免設(shè)置防震縫。(2)在筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系中，當外框筒采用H型鋼柱時，應(yīng)將H鋼截面強軸方向布置在外框筒平面內(nèi)，角柱宜采用圓形、方形或十字形截面。表9-2平面不規(guī)則類型不規(guī)則類型定義扭轉(zhuǎn)不規(guī)則樓層的最大彈性水平位移或?qū)娱g位移，大于該樓層兩端彈性水平位移或?qū)娱g位移平均值的1.2倍，超過1.5倍為嚴重不規(guī)則。凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面凹進的一側(cè)尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%樓板局部不連續(xù)樓板的尺寸和平面剛度具有急劇不連續(xù)性，其有效樓板寬度小于結(jié)構(gòu)平面典型寬度的50%，或開洞面積大于該層樓面面積的30%，以及樓層錯層（錯開高度大于樓面梁的截面高度）9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求(3)結(jié)構(gòu)豎向體型應(yīng)規(guī)則、均勻，避免有過大的收進和外挑，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度應(yīng)沿豎向逐漸均勻變化，避免剛度突變，結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)上下連續(xù)貫通。外框架柱沿高度宜采用同類結(jié)構(gòu)構(gòu)件，若采用不同類構(gòu)件應(yīng)設(shè)置過渡層，避免出現(xiàn)剛度突變。對于混合結(jié)構(gòu)的最大適用高度，不同規(guī)范規(guī)定不同，甚至出現(xiàn)相互矛盾的地方，我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中規(guī)定，結(jié)構(gòu)總高度和高寬比應(yīng)符合表9-3和表9-4要求。表9-3JGJ3-2010混合結(jié)構(gòu)高層建筑適用的最大高度(單位:m）結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)計抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度0.2g0.3g框架-核心筒鋼框架-鋼筋混凝土核心筒21020016012010070型鋼（鋼管）混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒24022019015013070筒中筒鋼外筒-鋼筋混凝土核心筒28026021016014080型鋼（鋼管）混凝土外筒-鋼筋混凝土核心筒30028023017015090注：平面和豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，最大適用高度應(yīng)適當降低。表9-4JGJ3混合結(jié)構(gòu)高層建筑適用的最大高寬比結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)計抗震設(shè)防烈度6度、7度8度9度框架-核心筒8764筒中筒88759.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求表9-5CECS230混合結(jié)構(gòu)高層建筑適用的最大高度

單位:m結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)計抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度混合框架結(jié)構(gòu)鋼梁-鋼骨（鋼管）混凝土柱鋼骨混凝土梁-鋼管混凝土柱6055453525鋼梁-鋼筋混凝土柱50504030—雙重抗側(cè)力體系鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻鋼框架-型骨混凝土剪力墻1601801501701301501101205050混合框架-鋼筋混凝土剪力墻混合框架-鋼骨混凝土剪力墻1802001701901501601201305060鋼框架-鋼筋混凝土核心筒鋼框架-鋼骨混凝土核心筒2102302002201601801201307070混合框架-鋼筋混凝土核心筒混合框架-鋼骨混凝土核心筒2402602202401902101501607080筒中筒鋼框筒-鋼筋混凝土內(nèi)筒混合框筒-鋼筋混凝土內(nèi)筒28026021016080鋼框筒-鋼骨混凝土內(nèi)筒混合框筒-鋼骨混凝土內(nèi)筒30028023017090非雙重抗側(cè)力體系鋼框架-鋼筋（鋼骨）混凝土核心筒混合框架-鋼筋（鋼骨）混凝土核心筒160120100——9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能

《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS230：2008中對混合結(jié)構(gòu)體系的劃分更具體，分為混合結(jié)構(gòu)框架、雙重抗側(cè)力體系及非雙重抗側(cè)力體系。其最大適用高度如表9-5所示。9.2.1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求(4)混合結(jié)構(gòu)外框架平面內(nèi)梁與柱應(yīng)采用剛性連接，樓面梁與外框架柱和筒體的連接可以采用剛接或鉸接。(5)當高度超過100m時，可采用伸臂桁架并配合周邊帶狀桁架的形式在頂層和每隔15~20層設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層，其原理為通過伸臂桁架將核心筒的彎曲變形轉(zhuǎn)換為外圍框架柱軸向變形，以增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的側(cè)向位移。伸臂桁架的設(shè)置應(yīng)沿核心筒縱、橫墻體中線，所有桁架均應(yīng)采用鋼桁架，伸臂桁架與核心筒應(yīng)采用剛性連接，與外框柱可采用剛接或鉸接。核心筒墻體與桁架連接處應(yīng)設(shè)置構(gòu)造鋼柱，且至少延伸至加強層高度范圍外上、下各一層。(6)混合結(jié)構(gòu)樓蓋應(yīng)采用整體性和剛度較好的現(xiàn)澆樓板，如現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板混凝土組合樓板等，鋼梁和樓板應(yīng)采用可靠的抗剪連接措施，且樓蓋的主梁不應(yīng)擱置在筒體的連梁上。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求2.結(jié)構(gòu)計算(1)當現(xiàn)澆混凝土樓板與鋼梁或型鋼混凝土梁有可靠的抗剪連接時，形成組合梁，剛度有較大的提高，彈性分析時，應(yīng)考慮樓板對鋼梁和型鋼混凝土梁剛度的增大，對鋼梁取1.5~2.0的剛度增大系數(shù)，對型鋼混凝土梁取1.3~2.0的剛度增大系數(shù)。彈塑性分析時，可不考慮此剛度的提高。(2)由于混凝土的收縮、徐變以及結(jié)構(gòu)施工、后期沉降等因素影響，混合結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力計算時，應(yīng)考慮外框柱與混凝土核心筒軸向變形差異引起伸臂桁架的附加內(nèi)力，結(jié)構(gòu)高度超過100m，軸向變形差較明顯時，應(yīng)采取相應(yīng)措施。(3)對樓板有較大開洞及設(shè)置伸臂桁架的加強層，樓板在平面內(nèi)變形較大，內(nèi)力和位移計算時應(yīng)考慮此不利影響。(4)高度超過100m或不規(guī)則高層混合結(jié)構(gòu)建筑進行彈性分析時，應(yīng)采用兩個不同力學(xué)模型計算程序進行整體計算。(5)結(jié)構(gòu)分析時，混合結(jié)構(gòu)計算模型可采用空間計算模型，梁、柱構(gòu)件可采用桿單元模型，剪力墻采用薄壁單元、殼單元等，支撐可采用兩端鉸接桿單元。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求9.2.2混合結(jié)構(gòu)受力性能

混合結(jié)構(gòu)按照受力體系形式劃分為混合框架、框架-剪力墻體系、框架-核心筒體系、框筒體系、筒中筒體系等幾種常見類型。1.混合框架混合結(jié)構(gòu)體系受力特點混合框架結(jié)構(gòu)體系，通常有鋼框架、型鋼混凝土框架、鋼管混凝土框架等體系。樓蓋體系較多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板或鋼與混凝土組合樓板。由梁和柱組成的主體骨架承重結(jié)構(gòu)形成框架受力體系承受豎向及水平作用。2.框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系受力特點框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是以鋼框架或型鋼（鋼管）混凝土框架為主體，沿房屋的縱、橫向設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻。該結(jié)構(gòu)體系兼有框架結(jié)構(gòu)布置靈活和剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能好的特點。整個結(jié)構(gòu)的豎向荷載大部分由框架承擔，水平荷載引起的剪力主要由剪力墻承擔，水平荷載引起的傾覆力矩由框架和混凝土剪力墻所形成的混合結(jié)構(gòu)共同承受。由于框架間布置了鋼筋混凝土剪力墻，其抗側(cè)剛度和抗剪承載力較框架結(jié)構(gòu)得到了大幅提高，地震作用下的層間側(cè)移量也顯著減小，多用于30層以下的高層建筑中。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.2混合結(jié)構(gòu)受力性能3.框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系受力特點

框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系是指由外鋼框架或混合框架與混凝土核心筒所組成的共同承受水平和豎向作用的高層建筑結(jié)構(gòu)，是目前超高層建筑廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，如圖9-1(a)所示。核心筒中可以布置采光要求不高的電梯井、管道井、樓梯間、設(shè)備間等，外圍區(qū)域由于柱距較大，可以獲得較大的開間和較好采光，便于房間布置。該結(jié)構(gòu)體系中，核心筒是空間受力構(gòu)件，在各個方向都具有較大的水平抗側(cè)剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔主要的風荷載和水平地震作用（有時可達80%~90%），外框架則按剛度分配承擔小部分水平荷載及大部分豎向荷載。因此在地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)可以用來建造較高的高層建筑。此外，結(jié)構(gòu)較小的自重有利于現(xiàn)代高層建筑的減震與抗震設(shè)計，通過設(shè)置消能機構(gòu)減小地震反應(yīng)，以達到明顯的抗風、抗震效果。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能組合柱密柱混合框架混凝土核心筒密柱混合框架混凝土核心筒組合柱(a)框架-核心筒結(jié)構(gòu)(b)框筒結(jié)構(gòu)

(c)筒中筒結(jié)構(gòu)圖9-1筒體結(jié)構(gòu)平面圖4.框筒混合結(jié)構(gòu)體系受力特點

框筒體系是由外圍密柱深梁構(gòu)成的型鋼（鋼管）混凝土框筒，內(nèi)部采用鋼框架或型鋼（鋼管）混凝土框架組成的結(jié)構(gòu)體系，如圖9-1(b)所示。在這種結(jié)構(gòu)體系中，外框筒為主要抗側(cè)力構(gòu)件，承受絕大部分水平荷載和部分豎向荷載，內(nèi)部框架僅承擔從屬面積內(nèi)的豎向荷載?？蛲擦阂约羟凶冃位驈澕糇冃螢橹?，具有較大的剛度，而框筒柱主要產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)整體彎曲相適應(yīng)的軸向變形。由于主要抗側(cè)力構(gòu)件布置在外側(cè)，故具有很大的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，且結(jié)構(gòu)形式上下統(tǒng)一，安裝和施工方便?？蛲搀w系的缺點是由于密柱深梁的布置，一方面不利于建筑采光，視線被寬外柱遮擋嚴重，受力方面，存在“剪力滯后”效應(yīng)，框筒的抗彎效能會減弱，且要實現(xiàn)梁鉸屈服機制有一定困難，框筒的延性難保證。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能組合柱密柱混合框架混凝土核心筒密柱混合框架混凝土核心筒組合柱(a)框架-核心筒結(jié)構(gòu)(b)框筒結(jié)構(gòu)

(c)筒中筒結(jié)構(gòu)圖9-1筒體結(jié)構(gòu)平面圖9.2.2混合結(jié)構(gòu)受力性能5.筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系受力特點在框筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利用建筑中心部位電梯豎井的可封閉性，將其周圍的內(nèi)框架改成密柱內(nèi)框筒或混凝土核心筒而構(gòu)成筒中筒結(jié)構(gòu)體系，超高層塔式建筑常采用這種結(jié)構(gòu)體系，如圖9-1(c)所示。但是這種結(jié)構(gòu)體系同樣存在框筒體系的不足，即剪力滯后效應(yīng)、梁鉸機制難以保證。為降低不足帶來的影響，同時減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移，與框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系類似，在頂層及中部設(shè)備層設(shè)置加強層（伸臂桁架+帶狀桁架），將內(nèi)外筒連接在一起，成為一個大型的整體抗彎構(gòu)件，同時使周邊框架柱更有效的共同工作。與框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比，筒中筒體系由于外框筒抗側(cè)、抗傾覆能力強，結(jié)構(gòu)自振周期相對較短，頂點位移及層間位移都小，抗側(cè)剛度相對較高。與框筒結(jié)構(gòu)相比，由于內(nèi)筒承擔了大部分水平剪力，外框筒柱所承擔的剪力大幅減小，降低了外框筒柱發(fā)生脆性剪切破壞的危險。因此，這種結(jié)構(gòu)體系的安全儲備較高，是一種更強、更有效的抗側(cè)力體系，特別適用于超高層建筑中。9.2混合結(jié)構(gòu)的特點及受力性能9.2.2混合結(jié)構(gòu)受力性能組合柱密柱混合框架混凝土核心筒密柱混合框架混凝土核心筒組合柱(a)框架-核心筒結(jié)構(gòu)(b)框筒結(jié)構(gòu)

(c)筒中筒結(jié)構(gòu)圖9-1筒體結(jié)構(gòu)平面圖9.3.1鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系是由外圍鋼框架與鋼筋混凝土核心筒共同承受水平和豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系已廣泛地應(yīng)用于我國高層及超高層建筑。鋼筋混凝土核心筒具有較大的抗側(cè)剛度，主要承擔水平作用，外圍鋼框架主要承擔豎向作用，當梁柱節(jié)點采用鉸接連接時，則核心筒承擔所有水平作用，鋼框架僅承擔豎向作用。核心筒主要呈彎曲型變形，鋼框架呈剪切變形，兩者通過樓板和伸臂桁架協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，總體呈彎剪型變形，各樓層變形均勻，層間變形較小，可減小輕質(zhì)隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。上海新金橋大廈是較為典型的鋼框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系建筑，該結(jié)構(gòu)高164m，共41層，層高3.8m。平面圖如圖9-2所示。鋼框架柱距為4m，每邊9跨，核心筒到外框架距離最大為12m，采用鋼梁和組合樓板形成的組合梁體系。鋼柱鋼筋混凝土核心筒圖9-2上海新金橋大廈結(jié)構(gòu)平面圖9.3平面混合結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土核心筒20008000795085505500鋼管柱750015000750027002700L形剪力墻

圖9-3是上海希爾頓酒店平面圖，該結(jié)構(gòu)建筑面積46170m2，地上43層，結(jié)構(gòu)高度143.62m，采用鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，其外框柱采用方形空腹鋼柱和工字鋼梁，18層以下柱截面為400mm×400mm，以上為300mm×300mm。樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓板并與鋼梁形成組合梁樓蓋體系。核心筒形狀呈“凸”字形，墻厚500mm，角部設(shè)H型鋼暗柱。為減小核心筒形狀不規(guī)則引起的結(jié)構(gòu)受力偏心，在左右側(cè)各布置L形鋼筋混凝土剪力墻，墻厚500mm。鋼框架柱與梁采用鉸接連接，故水平作用均由核心筒和L形剪力墻承擔。圖9-3

上海希爾頓酒店平面圖9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.1鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系9.3.2型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)體系是當前高層建筑中使用最多的混合結(jié)構(gòu)體系，其形式可以是型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土（型鋼混凝土）剪力墻、型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土（型鋼混凝土）核心筒、鋼框架（鋼管混凝土框架）-型鋼混凝土剪力墻（核心筒）等。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中加入型鋼可提高鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力、變形能力及延性，顯著增強了結(jié)構(gòu)抗震耗能能力，同時由于外圍混凝土對型鋼的保護，使構(gòu)件具有較好的防腐蝕和抗火性能。在鋼筋混凝土剪力墻或核心筒中設(shè)置型鋼暗柱以增強核心筒剛度及承載力已是目前工程中較常用的做法，型鋼暗柱還可與鋼梁形成型鋼暗框架，也可在該暗框架中設(shè)置鋼斜撐。同時也可以在混凝土墻體中設(shè)置鋼板剪力墻形成組合剪力墻。9.3平面混合結(jié)構(gòu)

圖9-4b所示南京綠地紫峰大廈為南京市地標性建筑，采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，該建筑總建筑面積261075m2，屋頂高度381m，天線高度451米，標準層高為4.2m和3.8m，為地下4層、地上70層的辦公酒店建筑，該結(jié)構(gòu)外框架柱采用圓截面型鋼混凝土柱，直徑為900mm~1750mm，37層以下柱混凝土強度等級為C70，型鋼混凝土柱與鋼梁剛性連接，構(gòu)成抗彎框架，形成除核心筒之外的第二道抗側(cè)力體系。在結(jié)構(gòu)10~11、35~36、60~61層設(shè)置了三個鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架和帶狀桁架加強層，鋼結(jié)構(gòu)桁架穿過混凝土核心筒，每道桁架均為兩個樓層8.4m高，鋼筋混凝土核心筒形狀為三角形，墻體厚度為400mm~1500mm，由下至上核心筒截面逐漸內(nèi)收減小。(a)建筑效果圖(b)結(jié)構(gòu)平面布置圖圖9-4南京綠地紫峰大廈9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.3鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

大連國際貿(mào)易大廈采用方鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面布置如圖9-5(a)所示，該結(jié)構(gòu)地下5層、地上78層，總高度341m，總建筑面積32萬m2。地下部分采用型鋼混凝土框架，鋼筋混凝土核心筒墻體厚度為1100mm~600mm，并設(shè)置型鋼暗柱以改善筒體剪力墻開裂后的延性。在第10、23、37、50、62層設(shè)置鋼伸臂桁架加強層，桁架高度為一個樓層，采用人字形支撐，如圖9-5(b)結(jié)構(gòu)剖面圖所示。根據(jù)建筑方案需要，在裙樓頂即塔樓第10層處設(shè)置轉(zhuǎn)換層，柱距由10.3m轉(zhuǎn)換為5.15m小柱網(wǎng)。

鋼管混凝土具有承載力高、延性好、抗火性能好等特點，在施工過程中鋼管可直接作為模板使用，簡化了施工過程，加快了施工速度，可獲得較好的經(jīng)濟效果，核心混凝土在鋼管的約束下承載力提高較多，相對構(gòu)件截面較小，可增加建筑使用面積。鋼管混凝土混合結(jié)構(gòu)體系已正在成為高層和超高層建筑一種主要結(jié)構(gòu)類型。方鋼管混凝土柱鋼筋混凝土核心筒圖9-5大連國際貿(mào)易中心平面圖(a)辦公標準層平面(b)結(jié)構(gòu)剖面9.3平面混合結(jié)構(gòu)(a)B塔樓標準層平面圖(b)建筑效果圖圖9-6蘭州盛達金城廣場9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.3鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系圖9-6蘭州盛達金城廣場(c)剖面圖9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.4筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系

筒體的基本形式主要有：實腹筒、框筒及桁架筒，實腹筒為混凝土剪力墻圍成的筒體，框筒一般為密排柱和剛度較大的窗群梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體，而桁架筒是由豎桿和斜桿形成的桁架組成。筒體具有較好的空間受力性能，相比單片結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力。筒中筒結(jié)構(gòu)是筒體單元的組合，通常由實腹筒做內(nèi)部核心筒，框筒或桁架筒做外筒，兩個筒通過樓板聯(lián)系，共同抵抗水平作用。建成于2010年的廣州珠江新城西塔，如圖9-7所示，該建筑地下4層、地上103層，總高度432m，層高為4.5m，塔樓總建筑面積250000m2，采用圓鋼管混凝土斜交網(wǎng)格柱外筒-鋼筋混凝土核心筒的筒中筒結(jié)構(gòu)體系，鋼管混凝土柱直徑由底層1800mm逐漸減小至頂層700mm。在核心筒混凝土角部和內(nèi)外墻交接處設(shè)置了鋼管暗柱，以提高核心筒延性，墻體厚度由1000mm逐漸減小至頂層300mm厚。為減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，增加建筑有效使用面積，節(jié)點區(qū)域鋼管內(nèi)混凝土強度等級為C90~C60，核心筒強度等級為C80~C50。該結(jié)構(gòu)受水平和豎向作用時斜柱的內(nèi)力均為軸力，充分利用了鋼管混凝土構(gòu)件軸向承載力高、剛度大的特點。圖9-7

廣州西塔a)典型結(jié)構(gòu)平面

(b)結(jié)構(gòu)立面9.3平面混合結(jié)構(gòu)

建成于2007年的北京國貿(mào)三期，位于北京市朝陽區(qū)建國門外大街1號的CBD核心區(qū)，是一座集五星級酒店、高檔寫字樓、購物為一體的現(xiàn)代化智能建筑，地下3層，地上74層，建筑高度330m，采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒為型鋼混凝土框架筒體，內(nèi)筒為型鋼混凝土框支筒體+鋼板組合剪力墻，如圖9-8所示。由于核心筒角部受軸力和雙向彎矩，受力復(fù)雜。故在該部位設(shè)置型鋼混凝土L型異形柱，并在16層以下核心筒采用鋼板組合剪力墻，以改善核心筒的延性。外框筒在6~8層，28~30層，55~57層設(shè)置腰桁架，以增強外框筒的整體抗彎和抗剪強度。型鋼混凝土核心筒型鋼混凝土框架(a)建筑立面圖(b)結(jié)構(gòu)平面布置圖圖9-8北京國貿(mào)三期9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.4筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系

天津高銀117大廈位于天津市西青區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)?？偨ㄖ叨燃s597m，共117層，總建筑面積37萬m2，采用筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系，外框筒由“鋼管混凝土多腔巨柱+密柱+支撐”組成，如圖9-9所示。內(nèi)部核心筒為矩形，平面尺寸為37m×37m，為含鋼骨的型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，并在下部采用內(nèi)嵌鋼板的組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，可改善普通混凝土墻的延性，并以較小的墻體厚度滿足軸壓比的要求，降低了結(jié)構(gòu)自重。核心筒周邊墻體厚度由1500mm逐漸內(nèi)收為頂層的300mm，筒內(nèi)墻體由600mm，逐漸內(nèi)收為300mm。多腔鋼管混凝土巨柱尺寸由底層11.2m×5.2m，截面積45m2，逐漸減少至頂層3m2，結(jié)構(gòu)平面布置為正方形，塔樓平面尺寸由首層65mm×65mm漸變?yōu)轫攲拥?5mm×45mm。(a)建筑效果圖

(b)立面圖

(c)結(jié)構(gòu)平面圖圖9-9天津高銀117大廈9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.4筒中筒混合結(jié)構(gòu)體系(b)立面圖

(a)結(jié)構(gòu)平面圖圖9-10上海中心大廈9.3.5巨型柱框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

巨形柱框架-核心筒是通過設(shè)置少量巨形組合柱，以使得結(jié)構(gòu)的空間布置更加靈活、造價更經(jīng)濟、施工更便利。同時，巨形組合柱具有較大的抗側(cè)剛度和軸向剛度，其與外伸臂桁架、核心筒的有效結(jié)合，可以使得結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度進一步提高。故該結(jié)構(gòu)體系在超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，如上海金茂大廈、上海中心、天津117大廈、中國尊大廈等。

上海中心大廈位于上海市陸家嘴金融中心區(qū)，與上海環(huán)球金融中心、金茂大廈形成超高層建筑群，如圖9-10(a)所示，該建筑地上124層，建筑高度632m，總建筑面積380000m2為已建成我國第一，全球第二高樓。采用巨型框架-核心筒-伸臂桁架混合結(jié)構(gòu)體系，巨型框架由8根型鋼混凝土巨柱和4根角柱及剛伸臂桁架組成，如圖9-10(b)所示，底部樓層巨柱截面達3700mm×5300mm，向上逐漸內(nèi)收。共設(shè)置8個伸臂桁架加強層，在20-21、50-51、66-67、82-83、99-100、116-117層設(shè)置高度為兩個樓層高度伸臂桁架及環(huán)帶桁架，桁架貫穿核心筒內(nèi)墻并與兩側(cè)巨柱相連接，提高了巨型框架整體抗側(cè)剛度，在第7、36層設(shè)置一個樓層高度伸臂桁架，鋼筋混凝土核心筒墻體厚度1200mm。9.3平面混合結(jié)構(gòu)(b)效果圖

(a)結(jié)構(gòu)平面圖圖9-11中國尊大樓

中國尊大樓位于北京CBD核心區(qū)，建筑立面以中國古代酒器“尊”為意向，結(jié)構(gòu)典型平面布置如圖9-11所示，該結(jié)構(gòu)共計108層，總高度528m，是北京市目前在建的最高建筑，也是位于8度抗震設(shè)防區(qū)最高建筑。采用多腔鋼管混凝土巨柱+鋼筋混凝土核心筒+巨型支撐+伸臂桁架混合結(jié)構(gòu)體系，其中鋼筋混凝土核心筒剪力墻內(nèi)含鋼板剪力墻。外框筒采用全高巨型斜撐。9.3平面混合結(jié)構(gòu)9.3.5巨型柱框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

高層建筑沿高度采用不同結(jié)構(gòu)形式稱為豎向混