探讨空心钢管混凝土在框架结构中的可行性.docx

AbstractHollow concrete-filled steel tubular (HCST) structure not only has a good ductility, plasticity , anti-earthquake quality, but also convenience in engineering design, construction and application. Its now become a major trend for steel structure. Currently, for lack of relation theory and support facility, most of the HCST structures are used in telegraph pole, we can rarely see it use in frame structure, which makes it hard to get the acceptance of the market. After several years of research on HCST, our team got a deeper understanding of its performance and accelerate its development. To make a better promotion in the market, this article studies the anti-earthquake quality and cost of HCST structure and steel structure.Basing on Stiffness and Quality Equivalent theory, the HCST structure was established by optimize replace the pillars in the steel with HCST by using PKPM and ETABS, And then analysis and compare the anti-earthquake quality and cost of HCST structure and steel structure. At last it proves the HCST structure do get a good performance in anti-earthquake quality and economical efficiency.As an important compression member, pillar plays an important role in anti-earthquake quality. By comparing period ratio, stiffness ratio, stiffness gravity ratio, shear gravity ratio, the interlayer shear strength ratio, displacement angle and displacement ratio, it proves that the HCST structure has good performance in anti-earthquake quality.Taking into account the HCST members have not yet been accepted by the mainstream market, related facilities and construction technology is not perfect, Economic analysis and comparison was made in the Amount of using steel and concrete usage. The conclusion is the HCST member is economical and can be used in practical engineeringKey words: Steel Structure; Hollow Concrete-filled Steel Tubular Structure; Stiffness Equivalent theory; Anti-earthquake Quality; Economic An1.绪论1.1研究背景随着我国社会发展速度的加快，人们享受到了越来越多因科技、文化、经济快速发展带来的便利。为了满足大家对生活品质日益增加的需要，在房屋建筑领域，高层建筑物为适应时代的发展，得到了大规模应用。20世纪90年代以前，我国建筑的建筑结构以钢混结构为主。钢筋混凝土结构满足了我国当时对建筑结构的需求，对我国的经济发展起到了重要作用，但钢筋混凝土结构有两个明显的缺点：第一，柱子截面积比较大，占用可用面积较多，降低了空间使用率；第二，钢混结构对混凝土用量需求剧大，用料多导致结构自重大。因而,上世纪90年代以前我国高层建筑普遍存在的问题之一就是“胖柱”问题。近20年来，随着钢结构形式发展越来越快，“胖柱”问题慢慢得到了解决，高层建筑物的结构形式，也从以往单一的钢筋混凝土结构形式发展到现在以钢结构为主，各种结构形式并存，组合结构和混合结构快速发展的局面。随着社会的发展进步人们越来越关注城市环境保护，从追求“经济生活”转变为追求“低碳生活”1。在结构工程中，钢结构框架有一个很致命的缺点-贵。为了解决“胖柱”和“贵”这两个缺点，我们提供了新的竖向构件的选择-空心钢管混凝土。空心钢管混凝土构件有很多优点，比如它能对提高混凝土的利用系数、抗震性能好、钢材利用率高、降低工程造价、施工方便等，能显著提高建筑结构的“性价比”。空心钢管混凝土结构目前主要运用在电力系统的电线杆中，经过长期的实践，我们发现这种构件具有良好的力学性能和经济效益，特别适合运输以及装配。空心钢管混凝土主要运用在框架结构的轴向受力的构件中，课题组经过研究，发现相对于电杆结构，该构件运用在框架结构中的轴压比相对更大，但却依然适用于框架结构。目前，国外对于空心钢管混凝土结构研究较多，但国内对空心钢管混凝土结构的抗震性能及经济性的研究并不深入，在我国建筑领域将空心钢管混凝土结构作为框架结构的运用更少，故本文以空心钢管混凝土框架结构与钢框架结构的抗震性能经济性能的对比为主线，结合两种结构其他方面的对比，以探讨其在框架结构中的现实可行性。1.2空心钢管混凝土概述空心钢管混凝土结构作为新结构形式是钢-混凝土组合结构形式的一种，其结构形式介于空心钢筋混凝土环形截面及钢管之间，他其构造方法为：用离心机高速旋转预先已灌入一定量混凝土的钢管，因为高速离心力的作用，钢管内的混凝土会贴附在钢管的内壁上，并且混凝土会形成中空的圆柱，然后对其养护一段时间，钢管和混凝土就形成分别具有一定厚度的构件-空心钢管混凝土。这种新形式的构件不仅同时拥有钢管和混凝土这两种材料优异的物理性能、力学指标，还克服了单一材料在使用过程中出现的不足；在使用过程中，钢管在空心混凝土的套箍作用下，在使用中径向受压，而环向则受到拉力作用，增强了自身稳定性，大大提高了其抵抗变形以及抗压强度的能力，防止了混凝土的脆性破坏；两种材料同时处于三向受压状态，如图1.1所示，这正是所述构件物理力学性能发生根本性变化的根本原因。图1.1混凝土和钢管组合状态示意图1.3 空心钢管混凝土的特点（1）承载力高因为所研究构件处于轴心受压状态，同时，钢管的泊松比要小于混凝土，所以在构件受压时，两种材料的变形不一致，同时由于钢管对空心混凝土的套箍作用，核心混凝土处于三向受压的状态，各种物理力学指标均发生了明显改变，组合体系下，材料的强度、刚度指标都有了显著提高；所研究的构件中，两种材料对增强结构体系的整体稳定性起到了重要作用，首先，钢管不会过早产生屈曲；其次，核心混凝土使钢管在受荷载作用的情况下能发挥更大的强度。在这种混合体系下，两种材料优势互补，使其拥有优异的工程性能。（2）延性及塑性好因为钢管混凝土结构中混凝土受到来自钢管的环向紧箍力，所以，构件中混凝土的脆性得到了极大的改善，其脆性变形甚至会变成较大的塑性变形。钟善桐在2003年的短柱实验表明2，当试件被压缩倒原长度的2/3时，纵向的应变达到30%，依然有承载能力，多呈折腰鼓形破坏。（3）抗震性能结构的抗震性能指的是结构物在地震作用或一定动荷载条件下，具有的吸能性及延性。因为所介绍的两种材料功能特性上优势互补，使其各部分的塑性变形性能都得到了一定程度的提高，在加载受到破坏时，混凝土的脆性破坏形式变为塑性破坏，这使得工程的安全性得到了保证，为采取补救措施提供了时间，并一定程度地提高材料的耗能能力及延性性能，因而其抗震性能相对优越3。钢管混凝土构件与钢柱虽然有相似的抗震性能，但在钢柱并未丧失局部稳定性之前才可以将这两种构件进行抗震性能对比。两种构件虽然同时具有耗能性好和无钢度退化的优点，但实际运用中常采用加厚钢板来保证局部的稳定性。因而，在抗震性能中的表现本文研究的构件要优于钢柱4。（4）耐火性能两种结构在进行耐火性能比较时，要在高温条件下进行作用，经试验在耐火性能方面，钢管混凝土结构要优于钢结构。经相关试验测定，钢材只能在高温条件下持续15分钟5。由于核心混凝土在钢管混凝土结构中的存在，高温条件下，热量的传递方式得到了改变，混凝土受到钢管中传递过来的热量，这就使钢材的受热得到有效分散，从而整体构件的耐热能力得到极大增强。另外，在高温条件下，核心混凝土能够承受一定的，因钢管丧失强度不能承受的荷载作用，此时，整体结构不会因钢材强度降低而短期内迅速倒塌，从而能留出有效时间，挽救相关人员的生命财产。（5）经济性在讨论经济性时，把用钢量或者相同荷载和体积作为前提条件，丁虹岩经过对比研究发现6：钢管混凝土柱截面面积仅为钢筋混凝土柱的70%。混凝土用量对比，因为钢管混凝土中心为中空状态，所以施工过程中会有50%左右的混凝土材料被节省下来，起到事半功倍的作用，同时由于核心混凝土在空心钢管混凝土构件中被挖空，因而能节省更多混凝土材料，节约用量的具体数量后文会有所体现；钢材用量对比，因为空心钢管混凝土构件中空，其钢用量仅为钢柱的一半，由此，构件的经济性就得到了凸显。另外，钢管混凝土结构在施工过程中不需要模板，从而省去支模、拆模及模版费用，施工过程简单易行。再加上无需绑扎空心钢管混凝土柱，可省去施工绑扎费用。空心钢管混凝土柱的制作拥有预制构件的优点，绝对工期因为可以进行平行作业而得到保证，从而取得显著经济效益。1.4空心钢管混凝土在工程在的运空心钢管混凝土结构自上世纪末以来，在以下两个方面得到突出利用：1、变电构件在发变电工程中的应用；2、杆塔结构在输电线路工程中的应用。而在框架房屋建筑方面则主要运用与空心钢管混凝土有着相似性质的构件-实心钢管混凝土结构。然而，随着对空心钢管混凝土结构构件的研究臻于完善，其优良的耐火性能、承载性能、抗震性能等优良性能已被大家所熟知，引起了社会各方重视，并在很多工程中得以应用。随着社会的发展，会有更加广泛的建筑领域使用空心钢管混凝土构件。（1）变电构架在发变电工程中的应用在电力建设工程中，输变电钢构架已经有了成熟的系统的设计、施工、制造经验。不足之处是，钢构架的建造因为钢材用量巨大导致造价太高。空心钢管混凝土构件作为一种新型组合构件，既省材料又有着优异性能，引起了输变电结构工程师的重视，并随之将其应用到实际工程当中。随着空心钢管混凝土构件的发展，其逐渐代替了实心钢管混凝土构件在输变电工程中应用的主导地位，同时，这是我们研究的重点与研究目标，期望有一天在框架结构中，空心钢管混凝土能发挥着一样的作用-替代实心钢管混凝土。500KV兰亭变电所工程设计在经过专家讨论研究后，相关部门决定将原实心钢管混凝土设计变更成薄壁空心钢管混凝土设计。下表是将两种结构的材料用量消耗进行对比。表1-2实心与空心钢管混凝土材料消耗比较表Table1-2 Material comparison between CFST and H-CFST名称空心钢管混凝土实心钢管混凝土钢材T混凝土m3钢材T混凝土m3构架柱48.2727.5761.00147.16横梁39.4839.48母线支架30.5330.53爬梯3.023.35合计121.3027.57134.36147.16两方案比较90.3%18.7%100%100%变电构架原设计使用高度为14m的人字型实心钢管混凝土柱，将采用的400*4钢管改为273*4的钢管，管内灌入C30混凝土，壁厚30mm；把高度为11.5m的人字柱采用FAI350*4的钢管后改为273*4，管内灌入C30混凝土，壁厚30mm。经过优化，钢材和混凝土分别节省了13.06t（9.7%）和119.59m3(81%),一共降低造价12.824万元（32.5%）。既然在变电构架结构中，可以用空心钢管柱替代实心钢管柱，经过如此的类比，我们有理由相信，在框架结构中，空心钢管混凝土对比实心钢管混凝土也有类似的优势。1.5研究现状：1.5.1国内研究现状国内近几年对钢管混凝土的研究非常多，包括抗火，抗爆及轴压等方面的研究，本文参考的主要是关于所研究构件轴向受压方面的论文。2012年，卢德辉在之前研究的基础上，又对空心钢管混凝土的截面形式对其性能的影响进行了更深一层的研究。卢德辉用数值模拟法分析了方形截面和圆形截面的钢管混凝土短柱构件。分别研究两种截面构件力学性能与构件混凝土强度、空心率、含钢率、材料屈服强度的关系，得到结论：圆形截面与空心率近似呈二次函数关系，方形截面的组合强度与空心率呈近似三次函数关系；圆、方两种截面形式的组合强度与混凝土强度、含钢率与钢材屈服强度都近似呈一次函数关系；构件轴压刚度随含钢率增大而增大；构件轴压刚度随混凝土强度增加而提高。轴压刚度受空心率以及含钢率的影响微乎其微7。2011年，王宏伟对空心钢管混凝土轴压短柱应用混凝土应力-应变曲线进行了数值模拟，得出构件中核心混凝土受力特点。试验样本为空心钢管混凝土短柱9，将轴心受压实验结果与统一理论对比：理论结果、试验结果与数值模拟结果吻合良好，本文所研究的轴心受压构件的力学性能分析可以用应力-应变曲线进行数值模拟。2011年，查晓雄教授为了进一步分析构件的滞回特性及位移延性，继续对构件的抗震性能进行了理论研究、试验分析。试验从压弯构件的受力特性出发，运用极限平衡理论和能量法等方法对构件的抗震性能进行理论研究，最终提出了计算构件位移延性系数和简化骨架曲线理论模型的公式Error! Reference source not found.。2011年，查晓雄教授对使用过二氧化碳来改造过的空心钢管混凝土构件的性能进行了理论研究，为了模拟构件内部炭化的深度，运用有限元模拟法，得到的模拟碳化深度与用理论计算的炭化深度基本相同。此外，查晓雄教授还通过有限元模拟方法模拟构件内部炭化深度在不同相对湿度及温度下的变化情况。另外，查晓雄教授提出了空心构件抗压承载力的理论计算公式和其内部高压碳化深度的理论计算公式Error! Reference source not found.。2011年，查晓雄教授立足于“统一理论”，认为无论是实心、空心、圆形还是多边形的截面，他们所表现出来的性质都应该是统一且连续的。于是对之前建立在性质不连续基础上的计算公式进行改进，最终得出了可以同时适用于实心、空心、圆形和多边形等不同截面的钢管混凝土的轴压承载力统一计算公式Error! Reference source not found.。2011年,查晓雄教授详细地介绍了用有限元模拟法来分析空心与实心钢管混凝土的特性，并建立起各种模型进行研究，确定了构件在各种荷载下的情况。2010年，王宏伟根据构件中混凝土与钢管各自分担承载力的比例，得到了在钢管和混凝土共同作用下的组合结构可靠度指标，以及空心构件轴心受压组合强度的计算公式。在实验的基础上，王宏伟得到了空心钢管混凝土轴心受压构件的强度折减系数等一系列数据14。2009年，张凤亮等通过使用ABAQUS软件，在低周反复荷载作用下对空心圆钢管混凝土柱的受力性能进行了模拟，并且根据软件得到的模拟结果绘出它的P-骨架曲线，通过简化相关模型，得出模拟成果，研究了构件的延性系数。张凤亮等对由ABAQUS软件模拟出来的结果做了细致分析，并进行了专家分析讨论，得出了构件柱的延性变化规律，并为制定相关规范提出了一定借鉴。Error! Reference source not found.。2007年，王宏伟等为了分析空心率对构件纵向应变和平均应力性能的影响，研究了在构件不同截面情况下，轴压短柱承载力的性能变化。分析结论显示：截圆形截面试件的承载力最高，随着空心率变小构件承载力逐渐提高，轴压曲线的弹塑性阶段变长，而且曲线的下降段越发平坦，短柱的轴压曲线随空心率的改变而变得系列化，由此，空心钢管混凝土构件连续性得以证明16。此外，构件轴压短柱组合强度标准值的统一计算公式根据上述得到的结论进行了证明，试验值和计算值对比合适，表明了计算此类构件短柱的轴心受压承载力时该公式是可用的。2006年，王宏伟基于已有实验，为了探究空心钢管混凝土长柱在不同截面形式、长细比、空心率情况下的破坏机理，做了构件承载力性能试验。根据所得试验数据分析：此类构件长柱和空钢管长柱的破坏形式相近。将得到的构件长柱的承载力试验数据，与以往已经编入规范的，根据空心钢管长柱承载力试验得到的公式进行对比，发现此类构件长柱的承载力试验结果，与用钢管长柱承载力公式得到的结果拟合很好。由此，计算此类构件长柱的承载力时可以用空心钢管的承载力公式进行相关计算17。2006年，徐国林等20研究了本文所述构件在轴心受压的情形下其承载力以及工作性能表现。并对用离心法制得的钢管混凝土构件进行了轴心受压试验，以验证其在实际应用过程中的工作性能。结果显示：其实际应用情况与查教授的统一理论是一致的，空心率、套箍系数的大小会对构件的表现有影响。各种截面构件的组合抗压强度标准值和设计值也是用等效圆法确定的，通过比较等效圆截面的欧拉临界应力，可知用等效的方法可以得出多边形和方形截面构件在轴压情况下的稳定系数。各种截面情况在轴心受压下的实验结果与理论计算结果协调。在实际设计应用中，上文提到的轴心受压构件强度和稳定承载力公式适用于各类钢管混凝土构件。2004年-2008年间,王宏伟等18在“统一理论”的指导下，对在承受不同荷载情况下，不同截面形式的空心钢管混凝土构件的承载力、弯曲、偏压等力学性能做了分析研究。相关研究成果已被有关部门收入关于空心钢管混凝土结构的试验规程以及规范，由此，“统一理论”被进一步完善。具体研究内容及成果如下：1）通过试验分析构件强度受不同截面形式、空心率、含钢率的条件的影响程度，得出了可以适用于不同形状截面构件在组合作用下的计算公式，公式中的组合作用包括：轴心受压、受弯、受剪等。基于计算公式，给出了此类构件的结构设计建议。2）为了分析空心率对空心钢管混凝土长柱工作性能的影响，对多根构件长柱进行了轴压试验。试验结果表明：构件的稳定承载力随着空心率、长细比的增大而减小；截面形状对构件的稳定承载力有影响，截面形状为正方形的试验构件要小于截面形状为圆形的试验构件；破坏形态与构件的截面形状有关，对于截面为正方形的试件，试件的局部屈服弯曲在还没有承受极限荷载之前就已经出现，而对于圆形截面试件则结果正好相反，试件的管壁屈曲效果在达到极限荷载之后才呈现。根据相关试件的试验数据，提出了此类构件长柱情形下的承载力作用公式，此公式对工程的契合程度比电力部门规范中的相关公式要高。3）为了分析空心钢管混凝土构件在不同截面形状情形下，承受极限承载力与纯弯曲荷载的能力，只做了多个截面形状不同的构件并将对其进行了抗弯曲性能试验。根据试验数据，并结合截面尺寸等构件参数与一般公式中提到的纯弯承载力公式进行了对比，验证了公式的可行性。4）为了讨论构件在偏压荷载下的破坏机理和相关的力学性能指标，他进一步在空心率不同、截面形式、长细比不一的条件下，对四十组试件进行了偏压试验，并对构件刚度、承载力受偏心距的影响做了相关分析解释。5）最后，为了分析所研究构件在实际工程运用中的表现情况，他进行了以空心率、材料强度等条件为控制变量的定量试验，进行了四十三组试验，试验结果揭示了构件的破坏机理，证明了构件的工作性能是充分连续的，验证了空心钢管混凝土构件在轴心受压情况下的计算公式，使其能够更好为大家所利用。1993年，钟善桐教授结合大量的空心、实心钢管混凝土构件的试验数据，经过科学定量分析，结合国内外相关理论，提出了空心钢管混凝土、实心钢管混凝土结构统一理论Error! Reference source not found.。1991年，姜纪春、黄莎莎对一变电站构架的空心钢管混凝土部件进行试验，一定程度上研究了在荷载作用下构件的抗弯曲表现，分析了弯曲外荷载在空心构件上的作用特点，探究了构件在荷载作用下的破坏形式，并且做出了合理地分析20。1.5.2国外研究现状国外虽然对实心钢管混凝土的研究进行的比较早也比较全面，但对于空心钢管混凝土方面的研究较少，涉及到轴压方面的研究更少。1997年，OShea & Bridge等研究了不同径厚比、不同空心率等控制条件，对圆形截面钢管混凝土短柱极限承载力的影响Error! Reference source not found.。1998年，V.Butsky&L.Storozhenko等通过有限元软件模拟了空心钢管混凝土构件长柱和短柱的轴向受压状态，得到了应力-应变关系曲线，曲线上的数据和试验测得的受压数据是基本一样的22。1998年，V.K.R. Kodur分别向钢管内填入素混凝土、纤维混凝土和钢筋混凝土，对钢管混凝土内壁的防火性能进行了试验，通过这三项试验来对比分析这三种构件的防火性能，同时提出了抗火性能的公式Error! Reference source not found.。1999年，A.K.K Vedaras等通过研究空心钢管混凝土短柱的轴向受压状态，提出了短柱的承载力计算公式，根据计算公式可知，钢管承载力和混凝土承载力之和为构件承受的总承载力，为了验证空心钢管混泥土结构的可靠性、安全性、经济性，他们专门将其应用到了一项工程实例当中Error! Reference source not found.。2000年，的Y.L.Song等在诺丁汉特伦大学经行了一组空心钢管混凝土、空心混凝土短柱轴向受压试验25，从实验结果看到，表现出极好的延展性的构件为空心钢管混凝土构件，出现显著脆性破坏的为空心混凝土短柱，并且空心混凝土短柱的承载力仅为空心钢管混凝土短柱的一半。2001年，K.A.S. Susantha等人对方形等非圆形钢管混凝土与圆形混凝土柱进行了实验，根据数据分析可以得出结论，构件的材料组成以及截面形式会对构件产生的平均最大侧压力产生影响。该实验还针对各种形状混凝土柱的后期工作性能做了研究26，计算结果与试验数据的得到的结果基本一样。2006年，Artiomas和Audronis两位国外分析学家对圆截面空心钢管混凝土柱在不同荷载阶段下的力学性能进行了相关分析27。1.6钢管混凝土统一理论简介钢管混凝土构件的截面研究形式由单一的圆形或四变形发展为，八边形，十六边形，甚至椭圆形，施工方法也从现浇到离心化工业生产，实心截面也发展到了空心截面。在实心钢管混凝土结构承载力研究方面进行了很多的试验，很多学者根据自己的研究结论得出了相关试验结论以及计算公式，但这些结论以及公式不尽相同，为此，钟善桐教授在前人的基础上，进行了大量的试验研究，于1993年在提出“钢管混凝土统一理论”，并且提出了适合于不同截面形式且满足实、空心要求的统一计算公式。这一理论的主要内容是：钢管混凝土是一种统一、连续的组合材料。在不同荷载的作用下，构件的应力状态随着构件的几何参数、物理参数、应力状态变化而变化。变化是连续的，相关的。计算方法是统一的，概括起来: 钢管混凝土的工作性能具有相关性、连续性、统一性。它不再是单一的组合材料，所以要研究组合性能。1）连续性。当本文所研究的构件截面形式依次改变时，其组合性能和组合设计指标也都呈线性变化，钢管和混凝土强度以及截面含钢率连续改变时，构件的组合设计指标和组合性能也跟着进行改变。2）相关性。当两种或多种荷载组合作用在上述构件上时，引起的内力与构件承受的最大荷载应力是相关的，不是单一存在的。所以，在承受多种组合荷载的情形下，能用一个设计计算公式统一本文所研究构件的组合性能指标。3）统一性。统一性是指本文所研究构件的组合性能以及组合工作性能是统一的，不用区分钢管和混凝土在不同荷载情况下是否要分开设计计算，构件的所承受的外部荷载作用是一种组合承载力不是单一荷载逐个的简单叠加。1.7课题研究思路及主要研究内容基于钟教授“统一理论”的指导思想，本文在课题组经过对空心钢管混凝土分析理论中存在的三个主要问题的修正-套箍系数物理意义不明确，没有体现空心率影响下的连续性要求及混凝土抗压强度调整系数不够准确进行修正，并提出了修正系数的基础下，本文将其修正系数运用在框架结构中，以求在工程实际中对其公式进行验证，并为以后的实际项目提供依据和分析，并尝试降低工程造价的成本，节省工程造价。1)收集国内、国外最新研究资料分析研究现状表明：空心钢管混凝土的研究成果在框架结构中的使用量特别少；此类构件的整体分析还有极大的发展空间。2)理论分析以要研究的构件在框架结构中运用较少为研究出发点，结合构件的套箍系数修正系数及修正后构件的轴压承载力计算公式，对空心钢管混凝土框架结构在满足抗震规范及相对经济的前提下进行分析。3)数值计算为了节省钢材的使用及加大结构的使用面积，在满足规范的前提下，本文以最新的空心钢管混凝土轴压承载力计算公式结合修正系数以0.25的空心率，来设计满足使用要求的空心钢管混凝土构件。在PKPM计算平台中，由于其尚未开发出空心钢管混凝土构件，本文将结合PKPM软件的计算原理，即在PKPM的运算过程中，其主要是依据各构件的抗压刚度，抗弯刚度，弹性模量及惯性矩进行运算和分析，本文将运用”刚度等代“的方法，用空心素混凝土对空心钢管混凝土进行等代，设计出一个与空心钢管混凝土框架一致的模型。钢结构框架结构设计2.1设计基本资料2.1.1 基本情况（1）建筑特征本工程位于一个抗震设防烈度为7度的地区，是一个8层的小高层建筑，是一个办公大楼，首层层高4.2米，标准层层高为3.6米，由四个标准层拼接而成，基本建筑平面布局如图（1）所示。总建筑高度为29.4米，室内外高差为500mm，建筑物为填充墙，外墙200mm，内墙120mm.本建筑总长度为39.6米，高度为29.4米，宽度为15.8 米，建筑面积为625.68平方米。总建筑面积为 5005.44平方米。（2）结构基本情况1.场地类别为II类，场地周期为 0.65s，。设结构的防震烈度为8度，地震加速度为0.20g。2.地面粗糙程度为B，基本风压 0.60。3.设防烈度：根据建筑抗震设计规范2010表6.1.2确定为4级。图2.1钢结构房屋的抗震等级4.楼板采用现浇混凝土楼面，板厚120mm，墙体采用普通砖，外墙为200mm，内墙120mm。2.1.2 建筑设计以建筑结构抗震概念为设计理念，基于建筑结构的抗震设计要点布置，从而设计出合理的基于性能的抗震设计建筑。（1）平面布置平面布置图如图（2）所示。图2.2 首层平面图图2.3标准层平面图（2）立面设计建筑物同时兼顾着技术与艺术两种价值，这栋办公楼在要满足人们日常工作的同时，也要满足人们在精神与文化方面的追求。而建筑物的美观问题，正是这一方面的反映。这个作为兼顾物质与精神双重功能的办公大楼，立面方面的设计十分重要。因而，对于建筑物的立面设计必须遵循以下的基本原则：一，安全性能得到保障。二，功能要求得到满足。三，技术措施运用得当。四，经济效果达到要求。五，美观问题考虑得当。总体规则满足要求。简单来说，设计要素即为：完整均匀又比例适当；层次分明又传力明确；体型简洁又环保和谐。2.2运行软件介绍2.2.1本文运算软件PKPM的简介常用的对结构物进行分析的方法有以下几种：1）理论分析，为了对结构物的分析更为科学、系统，加深对结构物的理解，充分发挥结构物各部分的作用，要以理论基础为根基，在理论分析的基础上进行推演、计算，使问题得到有效解决。2）计算机分析，当前建筑领域内，复杂结构频现，大规模的计算显然是人力所不能完成的，这种情况下就需要借助计算机对复杂结构物进行位移、内力分析。因为计算机的精度高、速度快、容量大，使得一些高难的计算为题得以解决。3）试验分析，我们建造工程结构物离不开工程材料，为了了解工程材料的物理性能、力学性能、强度、刚度等是如何在实际应用中发挥有效作用的，必须要对结构物进行试验分析，在试验分析的基础上优化选材。三种分析方法相辅相成，互为补充，当需要计算一些复杂结构物时，要以第二种分析方法为主。因为PMCAD软件在结构工程领域应用十分广泛，本文结构的整体建模就采用PMCAD软件，在进行空心钢管混凝土结构时只需要输入诸如：楼板结构、荷载等相关数据，模型建好之后，然后用SATWE软件进行相应调整。SAYWE软件大家并不陌生，它应用的范围比较广，主要应用于高层钢结构、高层混合结构、剪力墙结构、框架结构的剪力墙分析。SAYWE软件在对结构分析时，只是起到辅助的作用，分析过程还是要以结构工程师为主导，如何将楼板、剪力墙简化建模是解决问题的第一步，是需要结构工程师要思考的问题，建模假定问题对后来数据的处理、数据可信度、精确度分析起着重要作用。PMCAD是结构CAD软件系统的组成部分，承担着对结构建模的重要作用，它能以计算机为媒介将结构层每层的布置信息和布载信息联系起来，当各层的梁、柱等构件布置完成之后，PMCAD还能根据各荷载在结构中的分布，进行自重计算。它不但能提供梁、柱、楼梯、墙等结构构件作图信息，以详细的图表来分析问题，还能提供高层整体分析、连续梁、砖混结构的全部数据。2.2.2部分参数的合理选择当结构工程师用SATWE软件进行结构分析时，要按要求输入五项参数，为了使各项参数能够转变成能利用的结构设计数据，还需要增加一些结构参数，下面列出了选取的主要参数：（1）总信息。当对结构进行分析计算时，结构竖向力的计算控制指标是恒载以及活载，在对一些中小型结构物进行计算时，即便结构物的轴向力很小，但是其轴向的变形也不能被忽略；在输入数据时，要分别输入短肢剪力墙结构以及剪力墙结构、异形柱框架结构等。本文所涉及的工程，结构样式规则，基础的受力比较均匀，故认为结构的轴向变形是竖向荷载作用下的累计变形，并采用刚性比假定，模拟施工加载计算方法计算结构位移比。（2）风荷载信息。因为本工程的结构体体型较规则，故将其体型分段数定为1，突出屋面楼梯间及电梯机房算一层，第一段最高层号为12，体形系数取1.3，一般由程序自动控制，没有特别的情况，不进行人工干预;（3）地震信息。根据本工程的立面体型结构采用振型分解反应谱法作为本结构的地震分析方法，因为结构体存在扭转作用，所以考虑在扭转耦联条件下进行规则结构输入，以更好的模拟工程实际。依据相关规范规定，当结构物质量与刚度明显不对称、不均匀时，要考虑双向地震作用下的扭转影响，结合本工程结构物的立面特点，质量与刚度比符合规范中采用双向地震作用的影响，故在设计的时候加入双向地震作用对结构物影响这一因素。(4)活荷载信息。对活动荷载进行布置的时候，按最不利的情况进行布载，不考虑对活荷载的折减。(5)调整信息。考虑刚性楼板对刚度的的有利作用，中梁刚度放大系数取为2.0，边梁放大系数取1.5; 为了防止连梁刚度过大，连梁的刚度应进行折减，折减系数取为0.55；不考虑地震力的放大，地震力的调整系数取1.0；考虑刚性楼板对梁抗扭的作用，梁扭矩折减系数取为0.4；考虑钢梁在竖向荷载作用下由于塑性变形而引起的内力重分布，梁端负弯矩要进行调幅，调幅系数取为0.85。(6)设计信息。不考虑结构的P-A效应；梁、柱重合部位做刚域考虑，柱的计算长度以及混凝土层的保护厚度按规范相关规定采用；按双向偏心受压柱计算、配筋形状为异形的框架柱。(7)配筋信息。根据规范要求，墙水平分布筋间距以200mm进行填入；竖向分布筋配筋率配置为0.3%；梁、柱箍筋的加密区箍筋间距取100mm。由于本文两个结构均以钢结构为主，因而此信息对结构影响不大。(8)荷载组合。对本工程结构物结构荷载进行计算时荷载分项系数、组合系数均按建筑抗震设计规范GB50011-2010的有关规定选取。为了对结构物的计算更为精确，使结构物接近真实的受力情况，宜对结构物进行计算机分析，对结构物进行抗震分析的计算机软件需要符合以下要求28：（1）采用的软件其技术服务水平应该符合国家相关规范要求。（2）要根据结构物实际的受力情况对计算模型进行简化处理。（3）对于复杂的结构形式（比如异形柱结构）进行受力分析，位移计算时，要采用多个力学模型进行分析计算，并将求得的结果进行分析。对于求得的结果，不能盲目的采用，要在分析判断其是否合理的基础上运用到工程设计当中。程序在振型分解法里面给出了两种计算方法，总刚计算法、侧刚计算法，总刚计算法适用于楼板是弹性楼板的情况，在进行地震反应分析时，用相应质量的矩阵和结构的总刚作为控制条件，算出结构物中每个杆件的反应情况；侧刚计算方法认为每块楼板有三个自由度，一个转动自由度以及两个平动自由度，将这三个自由度去组成刚度矩阵，所以在这种条件下，侧刚计算法适用于楼板在平面内为无限刚的情形。2.2.3计算结果的控制原则在结构物的建筑设计中，提倡对建筑物的设计要简单、对称，这是因为合理的建筑设计布置对结构物抗震极其有利。根据以往地震对建筑物的破坏情况可以发现，建筑物的布置越是简单、对称，建筑物受到地震破坏的影响就越小。布置简单、对称的结构物在建造的时候更容易，容易在其中进行细部处理和抗震构造处理。当对结构物进行竖向布置时，结构刚度分布不合理也会导致结构物容易遭到地震破坏。当结构刚度沿竖向外挑、内收或者产生竖向突变时，地震作用会导致某些楼层产生过度的变形，或者严重倒塌等病害。一些不规则的结构物会因其自身质量或刚度偏心在地震作用下产生侧扭偶联作用，从而引起结构物的抗震能力下降。当对结构物进行平面布置时，平面如果存在过长的外伸段，那么，伸出的部分很容易产生凹角破坏，这是因为伸出部分的局部振动引起的；凹角部位还容易产生应力集中，应力集中会导致楼板在遭受地震荷载时产生过早的破坏和开裂。另外在角部重叠部分、中央狭窄部位都是容易产生地震震害的部位。在此，我们只讨论其在弹性范围内的抗震性能对比，并不涉及到非弹性的情况。只有结构的各项性能满足规范要求的最低限度后，我们才说它是合格的结构，在这性情况下，计算出来的配筋才是可靠的，才具有对比性、可研究性结构抗震性能要按以下几大方面讨论：层刚比、轴压比、刚重比、剪重比等具体指标进行科学的对比分析。2.3抗震性能的控制因素2.3.1.振型和周期比2.3.1.1.振型（1）振型的概念：地球上的任何物体都有无穷多固有频率，当外力的频率与物体的固有频率接近时，就会发生共振现象，而与每一固有频率相对应的物体变形状态我们称之为振型。（2）控制振型的目的：选择合理的结构振型是对结构模型计算分析前的一项重要工作。振型的选择会对结构的计算结果精度产生影响。如果对于结构物的振型数选择过少，会使许多后续振型对结构产生的地震作用被忽略，导致计算结果不准确。相应的增加结构计算振型数，结构受到的水平地震作用以及产生的变形也会相应增加。为了安全起见，在进行相关的结构设计时，结构的振型数一般会选择的多一些，但并不是振型数量选择的越多越好，过多的振型会使计算机运行处理时间加长。并且，对于结构的地震作用而言，高振形在有些情况下，并没有计算应用意义。由于低阶振型的振幅较低，当体系处于运动状态下，低阶振型对整个体系的运动状态起着控制作用，本文在对地震作用以及振型进行分析时，采用振型叠加法，为了提高计算的精度，更符合工程实际，对15个振型数进行分析计算。当进行抗震设计时，对结构的有效质量系数进行检查是一般情况下核对振型数的经常采用的方法。当系数值大于0.9时，表明振型数符合规范要求，在其小于0.9的情况下，因为振型数量不满足相应要求，所以，后续情况下会产生高频振型，高振型带来的地震作用会对结构物造成不利影响。故在设计时对结构振型数要选取到大于0.9，同时，不能因为振型数选取过多而引起计算错误，要注意对计算结果的检查。（3）周期比的定义任何结构体系都会有自身的自震周期，并且与本身的刚度、质量等因素有关。体系的自震周期随刚度的增加而缩短，随质量的增加而延长。结构体抵抗地震作用的能力与结构体自身的性质有关，而结构体本身的质量、刚度对其动力特性又会产生影响，所以，可以通过比较自震周期的方法，对结构体系的对称性和抗扭刚度进行判断。（4）控制周期比的目的结构体系在地震作用下会产生扭转效应，为了防止扭转对结构物产生的不利影响，可以控制结构体系的周期比，合理的周期比可以使结构物的平面布置更加规则，对结构物的刚度分配更科学，能避免结构物因为侧向刚度、扭转刚度的关系不协调，而产生对结构物破坏性较大的扭转作用。根据以往的震灾影响统计，结构体系如果不规则，过于复杂、质量分配不均会在地震作用下遭到毁灭性损坏。根据建设部相关规范规定：结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A 级高度高层建筑不应大于 0.9。30如果结构物的周期比不符合以上指标，对结构物进行局部微调是不现实的，必须修改结构体系的平、立面布置。所以，结构工程师控制周期比、验证周期比的目的是为了让结构整体平立面布置更科学，减小地震作用对建筑物的扭转破坏，使建筑物更好的为大家服务。2.3.2.刚重比（1）刚重比的概念本文所提的刚重比是指能影响重力二阶（P-）效应的侧向刚度与重力荷载设计值的比值。并且刚重比与P-效应呈双曲线关系。（2）控制刚重比的意义刚重比主要用于控制结构的稳定性。一般情况下，高层建筑容易受到水平荷载的影响。此时结构物在受到水平地震力的作用下，产生的二阶效应会使结构物稳定性丧失，引起结构体坍塌。刚重比能有效的控制结构物的稳定性，减少二阶效应的产生。刚重比和周期比也有一定联系，这是因为，二者都和结构体的侧移刚度有关。故调整结构物的刚重比也会是周期比发生变化。对结构物的刚重比进行调整时，如果周期比发生变化，并且达到规范中要求的限值，可以采取调整结构体系外围刚度的方法，一般采取将其加强的方法调整刚度。如果刚重比较大，超过要求所需，要适当减小指标，可以节约材料，降低造价，增加设计方案的竞争性。2.3.3.位移比（1）位移比的概念高层建筑物一般很高大，结构物层数较多，所以，为了保证结构物坚固，防止因为建筑物过高，导致刚度下降，先提出以下几个概念。位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。最大水平位移：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系的墙顶等节点的最大水平位移。平均水平位移：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系的墙顶等节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。层间位移比：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。层间位移角：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系的墙、柱等层间位移与层高的比值。最大层间位移角：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系的柱、墙体层间位移角的最大值。平均层间位移角：所建造的结构物，本文指的是钢管混凝土结构体系柱子、墙体层间位移角的最大值与最小值之和除2。（2）位移比的控制目的:因为目前的建筑物都较高，所以，在对结构体系进行设计时，结构的侧向位移已经越来越受到重视。根据国内外科研院所的研究成果，高层建筑物的顶部位移与建筑物总高的四次方成正比。水平均布荷载水平倒三角形荷载在对高层建筑物进行结构设计时，一方面强度要符合规范，另一方面刚度也要符合规范要求，以保证结构物的安全，避免水平力的影响，保证侧向位移的位移量在规范要求的限度之内。当结构体系受到风荷载的影响时，如果振动加速度过大（0.015m/s2），就会产生较大的附加应力，对结构体系产生明显的不利影响。会产生轨道变形、围墙等装饰材料剥落等破坏。根据国内外相关研究表明：结构体系的受到的扭转作用和结构物中楼层产生的位移有关，和楼层的最大水平位移和层间位移的和与楼层高度平均值的比有关系。2.3.4.层位移角（1）层位移角的概念在本文中具体指的是钢管混凝土结构体系中，所在体系楼层层间最大位移与层高的比值。对结构体系进行分析时不免要考虑到构件的横向变形、竖向变形。其中，层间位移是一个重要的指标，它能起到对结构体系中构件的变形量约束的作用。为了减少构件变形，就必然要考虑设计层位移角，本文对其做了详细研究。（2）控制层间位移角的意义考虑到结构体系在不同等级地震作用下受到的影响，根据不同的地震标准，要设置科学的设计指标以区分不同震级，这样就更有针对性，最大化发挥结构的抗震水平，防震也更科学、有效，对人民的生命财产起到保护作用。对于不同的震级，结构体系所产生的破坏形式不同，从而结构工程师在设计时要充分考虑到结构物的实际需求，一般在对结构物进行设计时，常采用结构位移变形量、层间位移角等作为相关性指标，变形多则表明结构设计的和实际情况有出入，是量化判断结构性能指标的一个方法为了确保结构体系的整体刚度要对结构物产生的水平位移进行约束，规范