鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探討

顏世輝

天津市東麗區(qū)住房和建設(shè)委員會 天津 300000

在我國，城市化建設(shè)速度明顯加快，房屋建筑高度增高，結(jié)構(gòu)體系、形式的選擇變得更加重要，以鋼與混凝土為主的結(jié)構(gòu)是組合結(jié)構(gòu)的典型成果之一。在激烈的市場競爭中，如何處理好組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置，在高層建筑應(yīng)用中起著重要作用。

1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)概述

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由鋼材（含軋制及焊接成型的型鋼、鋼筋）和混凝土組成的結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)具有能發(fā)揮不同材料的優(yōu)良性能，鋼材和混凝土的利用比較充分，受力合理，造價(jià)低，穩(wěn)定性好，抗震性能也好，以及施工方便，建造速度快等特點(diǎn)。組合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能顯示了未來的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景，已經(jīng)成為高層建筑的新的結(jié)構(gòu)類型。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，即混凝土內(nèi)配置型鋼、縱向鋼筋和箍筋的結(jié)構(gòu)；另一種是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，即在鋼管中充填混凝土形成的結(jié)構(gòu)[1]。

2 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)性能的比較

（1）與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸小，占用建筑面積和凈高小，施工速度快，抗震性能好，但組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要求高。綜合地考慮，組合結(jié)構(gòu)還是有明顯的優(yōu)勢。

（2）與鋼結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)整體剛度大，結(jié)構(gòu)的防火、防腐性能也好于鋼結(jié)構(gòu)。然而組合結(jié)構(gòu)也有不足之處：混凝土用量大，自重大，基礎(chǔ)工程量大；施工要求嚴(yán)、復(fù)雜。

（3）對比組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)全面分析比較。既應(yīng)考慮地區(qū)人工費(fèi)與材料加工費(fèi)的關(guān)系，還應(yīng)綜合比較使用效益高低。

3 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程

組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程基本與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程相同，首先對建筑結(jié)構(gòu)合理簡化后進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，然后根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，分別對柱、梁和節(jié)點(diǎn)等組合構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足承載力和正常使用極限狀態(tài)的要求。在進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)分析時(shí)，組合構(gòu)件的軸向剛度、抗彎剛度和抗剪剛度，可采用鋼截面部分的剛度與鋼筋混凝土部分的剛度疊加確定。

應(yīng)用最廣泛的組合結(jié)構(gòu)體系是型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是處理好與不同結(jié)構(gòu)材料的連接節(jié)點(diǎn)，避免因結(jié)構(gòu)類型改變造成承載力及剛度的突變。因下半部選用型鋼混凝土柱，上半部選用鋼筋混凝土柱的其他框架，剛度和承載力突變處易破壞，所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮過渡層構(gòu)造。采用型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)房屋的最大適用高度可比規(guī)定的最大適用高度值略有提高，當(dāng)全部構(gòu)件均采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，除設(shè)防烈度為9度外，房屋最大適用高度可相應(yīng)提高30%。為保證型鋼與混凝土共同作用，應(yīng)采取如下設(shè)計(jì)措施：①在型鋼上翼緣處焊接抗剪連接件；②配置充滿型實(shí)腹型鋼；③加強(qiáng)對混凝土的約束，配置必要的縱向鋼筋和箍筋；④限制型鋼的寬厚比。

4 組合結(jié)構(gòu)的布置要求

（1）平面布置。從抗震的角度，組合結(jié)構(gòu)房屋的平面宜簡單規(guī)則，宜采用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的平面形狀；從方便制作的角度，宜減少構(gòu)件的規(guī)格，以有利于制作和施工；結(jié)構(gòu)平面布置盡量減少偏心，使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力中心與水平荷載的合力中心重合，否則應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)影響。柱網(wǎng)布置時(shí)，鋼柱截面不宜過大，鋼板厚度宜小于100mm[2]。對于較高高層建筑，采取構(gòu)造和施工措施，宜調(diào)整平面形狀和尺寸，最好不設(shè)溫度變形縫，當(dāng)需要設(shè)縫時(shí)，應(yīng)劃分獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，滿足設(shè)縫的構(gòu)造要求。

（2）豎向布置。高層建筑結(jié)構(gòu)沿高度方向宜規(guī)則，均勻，避免有過大的外挑或突變，有利于抗震和抗風(fēng)。抗側(cè)力構(gòu)件的剛度自下而上減少，剪力墻厚度也應(yīng)減小，不應(yīng)采用突變的筒體或者框支剪力墻。豎向支撐應(yīng)自下而上連續(xù)、均勻布置。支撐的形式宜上下一致，通常沿豎向布置幾道加強(qiáng)層，加強(qiáng)層可采用外伸桁架形成。從抗震抗風(fēng)角度考慮，對于高寬比還要做出限制，一般不宜超過10。

5 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系中可以全部采用，也可以在某些局部部位或某幾層采用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合，也可以與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合，它把鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件輕的長處、強(qiáng)度高和鋼筋混凝土抗剪性能和防火性能好的優(yōu)勢組合起來，以鋼框架為主承擔(dān)豎向荷載，以混凝土部分來承受風(fēng)荷載和抗震作用，受力合理，使不同結(jié)構(gòu)具有各自不同的特點(diǎn)。在我國高層建筑中，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在能發(fā)揮型鋼混凝土剛度大、承載力大、延性好的部位采用，可以形成框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核芯筒、框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系[3]。但對于各類結(jié)構(gòu)體系的框架柱，當(dāng)抗震等級為一級，設(shè)防烈度為9度，框架柱全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件以它的經(jīng)濟(jì)、輕巧、良好的抗震性能和簡單施工方法廣泛用于高層建筑中，采用鋼管混凝土后，柱截面尺寸大大減小，擴(kuò)大了使用空間，柱的抗壓和抗剪承載力較高，且地震反應(yīng)小，利于抗震，同時(shí)還降低了地基基礎(chǔ)的造價(jià)。施工簡單可行，縮短了工程周期，因?yàn)榱慵伲_構(gòu)造簡單，焊縫短，加上成功運(yùn)用的泵送混凝土及高位拋落無振搗施工工藝，混凝土的施工質(zhì)量得到很好的保證。

6 結(jié)束語

隨著我國工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)的不斷增強(qiáng)，新型材料和新的組合方式不斷涌現(xiàn)，還會出現(xiàn)新的組合結(jié)構(gòu)，在目前的土木工程領(lǐng)域內(nèi)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在房屋高層建筑得到廣泛應(yīng)用，從經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的角度來看，組合結(jié)構(gòu)具有非常大的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。今后在實(shí)踐過程中，對組合機(jī)構(gòu)要進(jìn)行深入研究并加以改進(jìn)，不斷探索新的組合方式，并為城市居民營造安全的生活場所。