論高層建筑鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

陳亞敏 劉督政

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450000

1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土，鋼管，縱向鋼筋和箍筋組成。它使用鋼管或鋼筋作為框架，內(nèi)部和外部混凝土作為復(fù)合構(gòu)件，并且連接器或材料之間的結(jié)合力使鋼和混凝土一起工作。在共同作用下，混凝土材料具有良好的壓縮性能，但抗張拉強(qiáng)度和抗裂性較差。

鋼管具有良好的拉伸和壓縮性能，連接合理可靠，并且可以獲得性能良好的復(fù)合部件。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以及由它們支撐的鋼梁構(gòu)件和復(fù)合樓板梁是已被廣泛使用的典型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷翗?gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成高層建筑的各種混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有強(qiáng)度，良好的延展性，輕質(zhì)的構(gòu)件，較大的側(cè)向剛度，抗剪強(qiáng)度，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐火性等。它廣泛用于高層建筑中，可以形成結(jié)構(gòu)體系，例如框架結(jié)構(gòu)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，底部的大空間剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架芯管結(jié)構(gòu)。

2. 結(jié)構(gòu)布置

高層建筑有很多樓層，而且高度很高。結(jié)構(gòu)應(yīng)沿高度方向均勻，規(guī)則或逐漸收縮，沒有突然變化或較大的懸掛，以利于抗風(fēng)和抗震。鋼筋混凝土芯管和剪力墻是側(cè)向阻力的主要組成部分，因此應(yīng)從底部到頂部減小剛度，并應(yīng)逐漸減小剪力墻的厚度，并且不應(yīng)使用底架剪力墻或剛度。立柱和鋼框架的垂直支撐應(yīng)從下到上連續(xù)均勻地布置，除底層和頂層，加固層和不規(guī)則層的較大空間部分外，支撐形式和布局應(yīng)從上到下保持一致。通常，為了減少結(jié)構(gòu)的橫向位移和混凝土內(nèi)管的彎矩，垂直布置了多條直線。

鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置分為平面布置和垂直布置。高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和結(jié)構(gòu)布置應(yīng)為力使橫向力的中心與水平荷載的合力的中心重合，以減小偏心率。對(duì)于結(jié)構(gòu)的豎向布置，當(dāng)采用鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)時(shí)，與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以最大程度地提高房屋的最大適用高度。當(dāng)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土，當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)由圓柱體組成時(shí)，最大可應(yīng)用高度可增加30%，但加固強(qiáng)度為9%-40%。

3. 組合構(gòu)件設(shè)計(jì)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括梁、柱和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。下面是對(duì)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)的分析。鋼-混凝土梁的設(shè)計(jì)包括抗彎承載力和抗剪承載力的設(shè)計(jì)。當(dāng)梁的荷載較大、截面高度較高時(shí)，為節(jié)約鋼材、減輕重量，可采用桁架式空心鋼混凝土梁。鋼筋混凝土柱應(yīng)考慮混凝土的使用，混凝土、鋼筋、型鋼的組合計(jì)算十分復(fù)雜。計(jì)算模型通常有兩種思路：強(qiáng)度疊加模型和變形協(xié)調(diào)模型，在中國(guó)，已經(jīng)采用了簡(jiǎn)單的變形協(xié)調(diào)模型。鋼筋混凝土柱的鋼筋配筋率不應(yīng)太小。

只有固定鋼筋的數(shù)量，鋼-混凝土組合構(gòu)件才能比鋼筋混凝土構(gòu)件具有更高的承載能力和更好的性能。伸長(zhǎng)時(shí)，必須在組件上設(shè)置一定數(shù)量的縱向鋼筋，以在混凝土中形成鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和縱向鋼筋。在鋼筋和箍筋的約束下，由于鋼腹板和翼緣對(duì)混凝土的限制，混凝土的抗剪強(qiáng)度得到了顯著提高，并且混凝土的存在還確保了鋼腹板不會(huì)局部彎曲，因此通常只使用芯鋼，可以滿足節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度要求，箍筋的作用主要是確?？v向鋼筋不會(huì)彎曲，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要目的是計(jì)算節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力和抗彎承載力。

4. 組合結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的要求

復(fù)合結(jié)構(gòu)需要更高等級(jí)的混凝土。為了滿足結(jié)構(gòu)載荷要求并節(jié)省工程成本，通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上下柱或柱梁的混凝土使用不同強(qiáng)度等級(jí)，混凝土強(qiáng)度通常不低于C30。柱的橫截面尺寸增加了柱的承載能力，通常使用高級(jí)混凝土。為了增加混凝土的強(qiáng)度，可以添加硅粉。另外，可以添加增塑劑以增加坍落度?；炷林奢S向壓縮比控制。較大的橫截面尺寸使建筑物布局困難。鋼結(jié)構(gòu)重量輕。鋼的體積大，成本高，結(jié)構(gòu)剛度小，側(cè)面大。

如果輔助梁的跨度和載荷較大，或者結(jié)構(gòu)為異形梁，或者輔助梁為懸臂梁，則可以將輔助梁和主梁剛性連接，從而使輔助梁成為連續(xù)梁，可以節(jié)省更多的鋼材，并減少次梁的撓度。此時(shí)，輔助梁的剪切力仍傳遞到主梁，并且輔助梁末端的彎矩直接傳遞給相鄰的兩跨輔助梁。位移大的優(yōu)點(diǎn)包括鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)體系。這是兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合。對(duì)于框架，支撐和其他組件，強(qiáng)弱節(jié)點(diǎn)的承載能力高于組件的承受能力，并且節(jié)點(diǎn)的保障先于組件的保障。這種鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)在高層建筑中具有突出的優(yōu)勢(shì)，即具有很強(qiáng)的抗震性。影響抗震性的因素很多。地質(zhì)，水文和凍結(jié)是影響高層建筑中鋼-混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能較強(qiáng)的因素。

5. 結(jié)束語

簡(jiǎn)言之，鋼-混凝土組合高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程。只有充分了解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求，以及混凝土和鋼材對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并得到設(shè)計(jì)者足夠的重視，才能更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證鋼筋與混凝土可靠結(jié)合，防止鋼筋銹蝕，鋼筋周圍必須有一定有效的混凝土保護(hù)層厚度。如果結(jié)構(gòu)處于腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，應(yīng)增加保護(hù)層的厚度。