钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构实用性分析

黄 璇，姚丽莉

（1.福州理工学院 应用科学与工程学院，福建 福州 350000；2.福建省建筑轻纺设计院结构设计一所,福建 福州 350000）

近年来，随着人民生活水平的不断提高和科学技术的不断进步，如何在有限的土地资源上建造出更加环保经济实用且可持续发展的新型建筑，在建筑建造领域备受关注，近年来，在部分建筑结构中有所采用[1-6]。经研究发现，建筑结构使用宽扁梁后，可有效改善结构在重力荷载和地震作用等施加下的受力状况，提高了建筑的综合效益[7-12]。

本文以钢管轻骨料混凝土框剪结构实用性研究项目为背景，基于实际工程建立PKPM结构模型，对新型的钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构体系进行力学性能及热工性能方面的计算和分析，论证钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构体系的可行性及实用性，研究成果可为同类结构工程项目方案设计提供参考。

1 工程结构基本信息

1.1 工程概况

某高层实验办公楼，位于福建省福州市中心地段，主楼共10层，其中地下2层，地上8层，占地面积2 987.04 m2，建筑面积24 419.11 m2，其中地上建筑面积18 579.11 m2，地下建筑面积5 840.0 m2；建筑总高度从门厅室外地面到屋面女儿墙上皮结构标高为30.20 m。建筑设计使用年限分类3类，设计使用年限50 a。建筑防火等级：地上部分二级耐火等级，地下部分一级耐火等级。

1.2 计算模型

实用PKPM软件，建立3个不同的建筑模型分别对其力学性能指标、建筑节能指标进行计算，统计其各自的材料用量，结合市场价格，比较三种模型的经济效益，分析三者在技术效益，社会效益和综合经济效益方面的优劣性。

（1）模型1为地下2层，地上8层，建筑总高为31.9 m的普通钢筋混凝土框剪结构；

（2）模型2为地下2层，地上8层，建筑总高为31.9 m的钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构。本模型将框架柱替换为钢管轻骨料混凝土柱，将梁高超过400 mm的框架梁和次梁替换为梁高400 mm的宽扁梁，所有的混凝土部分结构构件建筑材料全部等强度替换为轻骨料混凝土；

（3）模型3为地下2层，地上9层，建筑总高为31.9 m的钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构，为保持与前两个模型相同的建筑总高度，降低了本模型每层的层高。

PKPM三维模型分别如下图1、图2、图3所示。

图1 模型一Fig.1 Model one

图2 模型2Fig.2 Model two

图3 模型3Fig.3 Model three

模型2和模型3采用钢管轻骨料混凝土柱和轻骨料混凝土剪力墙，使得建筑物的自保温能力大大提高，因此，屋面及剪力墙部分的保温材料厚度小于模型1，而钢管轻骨料混凝土柱部分甚至不需要用到其他的保温材料，利用主体结构建材本身自保温即能够满足规范要求。

2 计算结果分析

2.1 建筑结构总信息

三种建筑结构模型总信息如表1所示。

表1 建筑结构总信息对比表Tab.1 Comparison of total information of building structure

表格中，恒载产生的总质量为外加恒载及结构自重；结构的总质量和活载产生的总质量为折减后的活载；结构的总质量为活载产生的质量、恒载产生的质量及附加质量。

由表1可知，模型2与模型1相比，结构的总质量及恒载产生的总质量均有下降，二者分别下降了19.7%及17.8%；而模型3与模型1相比，恒载产生的总质量及结构的总质量均有下降，二者分别下降了16.7%和14.4%。

2.2 建筑结构振动周期比

按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[13]规定：建筑结构的第一自振周期T3和第一自振周期T1的比值必须满足一个限值，A级高度的结构物不应大于0.9。一般设计情况下，只取第1到第3振型进行分析，如表2所示。

表2 考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、扭转系数、X，Y方向的平动系数Tab.2 Consider the vibration period(s),torsional coefficient,and translational coefficient in X and Y directions

从表2，可知：3个模型结构扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比分别为0.746 6、0.710 6、0.704 6，均符合A级高度建筑不应大于0.9的规范要求。

2.3 有效质量系数及计算振型数

《高层建筑混凝土技术规程》[13]指出，对于复杂高层建筑结构抗震计算，时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使各振型参与质量不小于总质量的90%。《建筑抗震设计规范》[14]第5.2.2条文说明也说明为使高柔建筑的分析精度有所改进，其组合的振型个数适当增加，振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。本工程3种模型的计算振型数及有效质量系数如表3所示，计算结果符合规范要求。

表3 有效质量系数及计算振型数Tab.3 Effective mass coefficient and calculated mode number

2.4 各层X，Y方向作用力（CQC）比较结果

《建筑抗震设计规范》[14]指出，在进行抗震验算时，每一结构层的水平地震剪力应符合下式要求：

3个模型的楼层水平地震剪力以及剪重比如表4所示。

表4 X，Y方向楼层水平地震剪力以及剪重比（均取地面第一层数据）Tab.4 Horizontal seismic shear force and shear weight ratio of floors in X and Y directions(data of the first floor of the ground are taken

表中，Vx为X向地震作用下结构的楼层剪力；Vy为Y向地震作用下结构的楼层剪力；Mx为X向地震作用下结构的弯矩；My为Y向地震作用下结构的弯矩。

如表3-4所示，两个模型的X向楼层最小剪重比3.57%、2.87%和Y向楼层最小剪重比3.44%、2.99%均小于按抗震规范(5.2.5)条对7度抗震类别要求的楼层最小剪重比为1.60%。

2.5 地震作用下最大层间位移及层间位移角的比较

SATWE的计算结果中，关于位移的结果主要有两个控制指标，分别是：层间位移角和位移比。

钢管混凝土结构构件多用于主要抗侧力结构为钢结构的钢管混凝土结构或者是多高层建筑框架结构房屋，其层间位移应满足以下要求：

不宜大于1/400（风荷载作用）；

不宜大于1/300（多遇地震作用）；

不宜大于1/50（罕遇地震作用）。

对于位移的控制，主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构的多高层建筑钢管混凝土结构，其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h应按《高层混凝土结构技术规程》规定[13]：

不宜大于1/800（高度不大于150 m的框架剪力墙高层建筑）。

本工程模型1、模型2和模型3在X、Y方向地震下楼层层间最大位移与层高之比均小于1/800，符合规范规定。3个模型在X，Y方向的地震作用下的楼层最大位移表5、表6所示。

表5 三个模型X方向的地震作用下的楼层最大位移Tab.5 Maximum floor displacement under seismic action in the X direction of the three models

表6 三个模型Y方向的地震作用下的楼层最大位移Tab.6 Maximum floor displacement under seismic action in the Y direction of the three models

表中，Floor为层号；Tower为塔号；Jmax为最大位移对应的节点号；JmaxD为最大层间位移对应的节点号；Max-(X)，Max-(Y)为X，Y方向的节点最大位移；Ave-(X)，Ave-(Y)为X，Y方向的层平均位移；Max-Dx，Max-Dy为X，Y方向的最大层间位移；Ave-Dx，Ave-Dy为X，Y方向的平均层间位移；Max-Dx/h，Max-Dy/h:X，Y方向的最大层间位移角；h为层高。

表5、表6所示的X，Y方向地震作用下的楼层最大位移结果可以看出，模型2和模型3虽然采用了宽扁梁结构，梁高低于普通梁，使得刚度变小，但是由于采用了钢管轻骨料混凝土柱，增加了整体模型的侧向刚度，弥补了宽扁梁减小刚度的不足，因此位移比模型1要小。而模型3在模型2的基础上保持建筑总高度不变但是增加了一个楼层，刚度比模型2更大，因此位移比模型2更小。

2.6 三种模型的热学性能比较

根据规范《公共建筑节能设计标准》[15]、《福建省居住建筑节能设计标准实施细则》[16]的规定，计算本工程三种模型的屋面及外墙面的保温隔热特性指数。由于三种模型的外墙砌体均采用加气混凝土砌块，仅框架柱、剪力墙和梁部分的建筑材料发生变化替换成为了轻骨料混凝土，因此，仅列出了混凝土外墙部分的建筑节能设计结果。

（1）屋面部分(卷材涂膜防水屋面)

模型1屋面保温构造：钢筋混凝土屋面+20厚1∶3水泥砂浆找平层+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽层（G5）+最薄处30厚LC5.0轻集料混凝土2%找坡层+25厚挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂浆找平层+两道SBS高聚物改性沥青防水卷材（卷材总厚度不小于4+3）+10厚低标号砂浆隔离层。其屋面保温隔热计算汇总表参见表7。

表7 模型1屋面保温隔热验算Tab.7 Model 1 roof insulation check calculation

模型2、模型3屋面保温结构做法：轻骨料混凝土屋面板+20厚1∶3水泥砂浆找平层+1.2厚聚氨酯防水涂料隔汽层（G5）+最薄处30厚LC5.0轻集料混凝土2%找坡层+25厚挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板+20厚1∶3水泥砂浆找平层+两道SBS高聚物改性沥青防水卷材（卷材总厚度不小于4+3）+10厚低标号砂浆隔离层。模型2、模型3的屋面保温层所采用的挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度仅为20 mm，与模型1相比减少了5 mm。其屋面保温隔热计算汇总表参见表8。

表8 模型2、模型3屋面保温隔热验算Tab.8 Model 2,model 3 roof thermal insulation check calculation

经计算，3种模型屋面保温层总热阻值R0分别为：1.631、1.58、1.58，屋面传热系数K分别为：0.613、0.66、0.66，热惰性指标D分别为：3.109、3.386、3.386。据《公共建筑节能设计标准》[15]，屋面传热系数K及热惰性指标D的限值分别小于0.9[W/（m2·K）]和2.5，故K、D均满足规范要求。

（2）剪力墙及框架柱部分

由于本工程3种模型的外墙砌体均采用加气混凝土砌块，仅框架柱改为钢管轻骨料混凝土框架柱，剪力墙和梁部分仅仅是将建筑材料替换成为了轻骨料混凝土，因此，只列出了混凝土外墙及框架柱部分的建筑节能设计结果。

1）混凝土外墙

模型1外墙构造作法：外饰面+250厚钢筋混凝土+界面剂+30厚胶粉聚苯颗粒保温砂浆+5 mm厚抗裂砂浆+耐碱网格布一层+内饰面。其外墙保温隔热计算汇总表参见表9。

表9 模型1外墙保温隔热验算Tab.9 Model 1 external wall thermal insulation check calculation

模型2、模型3外墙保温构造做法如下：外饰面+250厚轻骨料混凝土+界面剂+20厚胶粉聚苯颗粒保温砂浆+5厚抗裂砂浆+耐碱网格布一层+内饰面[]。与模型1相比，模型2、3的外墙所采用的胶粉聚苯颗粒保温砂浆的厚度要减少10 mm，这在一定程度上减少了施工的工序，降低了施工难度。其外墙保温隔热计算汇总表参见表10。

经计算，3种模型外墙部分总热阻值R0分别为：0.875、0.887、0.887，外墙传热系数K分别为：1.14、1.13、1.13，热惰性指标D分别为：3.857、4.103、4.103。据《公共建筑节能设计标准》[15]，外墙传热系数K应小于1.5[W/（m2·K）]，热惰性指标D应大于3，故K、D均满足规范要求。

2）框架柱

模型1框架柱保温构造做法：外饰面+400厚钢筋混凝土+界面剂+30厚胶粉聚苯颗粒保温砂浆+5厚抗裂砂浆+耐碱网格布一层+内饰面。其框架柱保温隔热计算汇总表参见表11。

表11 模型1钢筋混凝土框架柱保温隔热验算Tab.11 Model 1 reinforced concrete frame column thermal insulation check calculation

模型2、模型3的钢管轻骨料混凝土柱部分保温构造做法如下：外饰面+5厚水泥砂浆抹灰+10厚钢管+380厚轻骨料混凝土+10厚钢管+防火防锈漆一道+2厚水泥砂浆内抹灰。与模型1相比，模型2、模型3的钢管轻骨料混凝土柱部分的保温构造没有采用胶粉聚苯颗粒保温砂浆保温，而是混凝土材料自保温，这样做不仅可以减少施工工序、降低施工难度，在很大程度上也降低了施工成本，一举多得。其外墙保温隔热计算汇总表参见表12。

表12 模型2、模型3钢管轻骨料混凝土柱保温隔热验算Tab.12 Model 2,model 3 steel tube lightweight aggregate concrete column thermal insulation check calculation

2.7 三种模型节能（空调、照明）等方面比较分析

据不完全统计，公共建筑年耗电量约占我国全国经计算，三种模型框架柱部分总热阻值R0分别为：0.962、0.725、0.725，框架柱传热系数K分别为：1.04、1.3、1.3，热惰性指标D分别为：5.326、5.605、5.605。据《公共建筑节能设计标准》[15]，外墙传热系数K应小于1.5[W/（m2·K）]，热惰性指标D应大于3，故K、D均满足规范要求。

由表7～表12可以看出，模型2、模型3由于采用了自保温性能更加优良的轻骨料混凝土做为结构主材料，相比于采用普通混凝土的模型1而言，无论是屋面还是外墙所需要的保温材料都减少了，在钢管轻骨料混凝土柱部分，甚至自保温既能达到规范要求。这样模型2、模型3与模型1相比施工工艺更加简单，保温材料用量也有一定程度的减少，节约了工程造价，该结论与相关研究结果一致[17]。

城镇总耗电量的22%，公共建筑每平方米耗电量是普通居住建筑的10～20倍[18]，是日本、欧洲等发达国家同类建筑的2倍[19]，由此可见，大型公共建筑的节能效率是我国建筑节能工作的重点所在。而建筑室内热环境的控制最直观的是通过控制空调系统的能耗来实现的，因为空调系统的能耗约占建筑总能耗的50%～65%[20]。

利用PBECA软件内的采暖、电气模块对本工程的三个模型进行动态能耗数据统计分析。建筑结构节能综合指标条件如下所示：

1）室内计算温度：定义了房间就是定义了房间的使用功能，也就是定义了房间的使用温度，本项目是公共建筑，主要房间为办公室，因此夏季全天控制到26℃，冬季20℃。

2）采用典型气象年数据作为室外气象参数，空调换气次数是1.0次/h。

冬季的福州地区主要能耗为电能，所以能耗都转化为耗电量，单位转化为kW·h。3个模型的空调照明等耗能汇总表如表13所示，其中，年花费电费按0.53元/kWh进行计算。

表13 三种模型耗能汇总表Tab.13 Summary of the energy consumption of the three models

可以看出，采用轻骨料混凝土以后，由于建筑热桥部分的保温性能好，在一定程度上减少了空调部分的年耗电量，但是一般公共建筑的使用年限为50 a，那么根据上表结果可以计算出，如果采用模型2在电费方面的花销将比模型1减少（105.8-103.6）×50=110万元，可见在相同建筑层高及建筑总高情况下，模型2在很大程度上实现了空调季节节约能耗的目的；而模型3因为增加了一个楼层，在电费方面的花销将比模型1增加（109.5-105.8）×50=185万元，但是其每平方米耗电量较模型1低9%，因此，钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构在节约能耗方面较优秀。

3 结论

本章通过PKPM软件分别计算同样建筑设计条件下的普通钢筋混凝土框剪结构和钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构以及保持建筑总高度不变增加一个楼层的钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构三种模型，对比三个模型的各项力学性能指标后发现，钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构与普通钢筋混凝土框剪结构相比具有以下优点：

（1）钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁结构的恒载产生的总质量及结构的总质量比起普通钢筋混凝土框剪结构均有明显下降，在相同层高和楼层数的情况下二者分别下降了19.7%及17.8%（模型2与模型1相比）；即使在保持建筑总高度不变增加了一个楼层的情况下，二者依然分别下降了16.7%和14.4%（模型3与模型1相比）；

（2）3种模型各项指标，如剪重比、X和Y方向的平动系数、振动周期、扭转系数等均符合现行结构设计规范的要求；

（3）3种结构在位移较方面的比较结果可以看出：模型2与模型1相比，虽然采用了由于梁高降低而减少了部分刚度的宽扁梁，但是因为采用钢管轻骨料混凝土框架柱，提高了结构整体刚度，X和Y方向地震作用下的楼层最大位移均小于模型1。在均为钢管轻骨料混凝土框剪宽扁梁体系的情况下，由于模型3比模型2在建筑总高保持不变的情况下增加了一个楼层，房屋的刚度更大，位移更小。

（4）采用轻骨料混凝土替换普通混凝土，实现了大量建筑节能的目标。