初探型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

盧業(yè)橙

【摘要】型鋼和混凝土的結(jié)合能充分發(fā)揮各自的材料優(yōu)勢(shì)，形成一系列組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。這兩種材料的組合形式逐漸成熟，形成了現(xiàn)代高層建筑的主要類(lèi)型。在全球金融危機(jī)的大背景下，若能繼續(xù)研究鋼材行業(yè)在建筑行業(yè)的應(yīng)用，對(duì)當(dāng)前鋼材市場(chǎng)將起到積極的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】組合結(jié)構(gòu);型鋼混凝土;高層建筑

在高層建筑中，鋼和混凝土是兩種最重要的材料。當(dāng)代建筑理論的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，在很大程度上取決于這兩種材料的不斷改進(jìn)與完善。當(dāng)建筑高度和層數(shù)增加時(shí)，若采用普通鋼-混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，必須增大柱徑。此外，大型立柱占用大量空間，減少了建筑里面的空間的使用率。為此，研究者提出了鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的概念，并利用兩者各自的材料性質(zhì)，將兩者結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出具有創(chuàng)新性和高能的結(jié)構(gòu)體系。

從國(guó)內(nèi)外一般認(rèn)識(shí)來(lái)看，廣義混雜結(jié)構(gòu)是指由不同材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系（或子結(jié)構(gòu)）?；炝戏ǖ哪康氖峭ㄟ^(guò)合理有序的混合，達(dá)到結(jié)構(gòu)不具備或完全滿足結(jié)構(gòu)體系總體性能的結(jié)構(gòu)性能。

在高層和超高層建筑中，大部分使用的是混合結(jié)構(gòu)的建筑的結(jié)構(gòu)?；祀s結(jié)構(gòu)由材料組成、構(gòu)件截面組合和結(jié)構(gòu)型式復(fù)合等多種形式構(gòu)成。外框架主要承擔(dān)豎向荷載作用，分擔(dān)部分水平荷載，按剛度分布。SRC 核心筒與 SRC骨架-鋼筋混凝土框架筒混合結(jié)構(gòu)相比，混凝土框架筒的剛度在結(jié)構(gòu)體系總剛度中的比例較大，應(yīng)采取相應(yīng)的抗震措施。外框架結(jié)構(gòu)只需要很小的地震測(cè)量，但由于下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)筒混凝土結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度要比外框架結(jié)構(gòu)高。目前國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中的核心筒的結(jié)構(gòu)里面的強(qiáng)度相對(duì)的來(lái)說(shuō)是高于強(qiáng)度的，可外部的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比較大一些，但剛性度不夠，所以這一種混合的結(jié)構(gòu)的抗地震性能不太協(xié)調(diào)。由于鋼混凝土框架比鋼框架大，地震沖擊力大，而且兩種材料之間的一致性，使得SRC 框架—RC 核心桶的兩個(gè)關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了強(qiáng)度與變形的優(yōu)秀的協(xié)調(diào)能力。SRC框架技術(shù)一般在強(qiáng)烈地震的作用中具有優(yōu)秀的抗震能力。

1、型鋼混凝土（SRC）結(jié)構(gòu)概述

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)型式。由于在鋼筋混凝土中增加了型鋼，型鋼以其固有的強(qiáng)度和延性，以及型鋼、鋼筋、混凝土三為一體。其核心為型鋼構(gòu)件，外部為混凝土結(jié)構(gòu)，具有坡度和適當(dāng)?shù)目v向主位。型鋼結(jié)構(gòu)以混凝土為主，并采用軋制或焊接鋼材。實(shí)心軋制鋼構(gòu)件中還存在少量的鋼棒或鋼環(huán)，主要是用來(lái)連接所用混凝土和建筑所需的混凝土。這種結(jié)構(gòu)與鋼筋相配合，其輔助功能在計(jì)算中也考慮到了。截面是各種各樣的，鋼骨可以是軋制的或焊接的型鋼。鋼的分布可以分為實(shí)體纖維鋼和開(kāi)口軋制鋼。以工字鋼、槽鋼和 H型鋼為主要原料，在角鋼中，空腹型鋼在材料上比較經(jīng)濟(jì)，在日本和前蘇聯(lián)已經(jīng)廣泛使用，但其生產(chǎn)成本較高，抗震性能不如實(shí)心腹板鋼。近幾年來(lái)，由于整體軋制工藝簡(jiǎn)單，承載能力強(qiáng)，日本及西方國(guó)家廣泛采用。

2、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是型鋼結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。測(cè)試結(jié)果表明，構(gòu)件部分尺寸可相應(yīng)減小，對(duì)擴(kuò)展高層建筑的實(shí)際應(yīng)用面積有著至關(guān)重要的作用;這種混合的結(jié)構(gòu)有比較強(qiáng)的承載能力，可進(jìn)行框架外裝配、模板、塔旋轉(zhuǎn)或墻固固定等多種作業(yè)，降低施工難度;把型鋼放置在混凝土的組合中，可有效提高整個(gè)工程的回彈，提高抗震性能。

3、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的主要類(lèi)別及應(yīng)用

3. 1 SRC巨型柱—混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系

上海金茂大廈有八十八層樓高，高四十一米，是現(xiàn)在世界范圍內(nèi)的最細(xì)長(zhǎng)的高層建筑物之一，它的細(xì)長(zhǎng)比例為八比一。結(jié)構(gòu)體系是以水平力為主的型鋼混凝土巨柱彎曲產(chǎn)生，混凝土核心筒主要由水平力產(chǎn)生。型鋼混凝土支座由鋼和混凝土組成，豎向荷載來(lái)自周邊鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體范圍橫向力主要是取決于混凝土芯筒的抗老化能力、SRC柱的軸力以及周邊鋼結(jié)構(gòu)的抗老化能力。

3.2 SRC外筒—混凝土核心筒體系

外圈由骨架筒和混凝土核心筒組成，核心筒則是由大量密集分布的型鋼的混凝土柱與深射線共同組成。在水平的地震情況中，SRC外筒一般承擔(dān)著相對(duì)比較大的傾覆作用，而鋼芯則承擔(dān)了較小的傾覆作用;由于外筒體的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼管的外剛度，所以應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定剪切力的分配。一般情況下核心筒體的抗擊抗剪的強(qiáng)度與剛性都比較強(qiáng)，外框的筒體對(duì)于抗彎曲的剛度和側(cè)面的剛度抗性比較強(qiáng)，震時(shí)的荷載的布置與核筒體抗剪強(qiáng)度和外框筒體具體長(zhǎng)度一致，有利于提高抗震性能。

3.3框架—SRC剪力墻體系

其主體一般都是由鋼筋混凝土或型鋼與混凝土的結(jié)構(gòu)組成的，配以一定量的型鋼和前墻。一般在相同條件下，型鋼混凝土的前端墻的強(qiáng)度和實(shí)際應(yīng)用能力明顯要高于普通鋼筋混凝土，但是強(qiáng)度比較低，能耗比較大，具有優(yōu)秀的抗震性能。

3.4 SRC框架—鋼筋混凝土核心筒體系

這類(lèi)系統(tǒng)是目前最常用的 SRC組合結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是大部分水平荷載采用具有高抗推剛度的鋼芯筒，豎向荷載采用高韌性、高材料強(qiáng)度的混凝土結(jié)構(gòu)，也包括少量荷載，該體系還可實(shí)現(xiàn)大型夾緊地面結(jié)構(gòu)，提供更多的空間。例如，上海的茂森大廈、北京香格里拉酒店等。

3.5框架—SRC核心筒體系

舉例：深圳的地王大廈是具有標(biāo)志性建筑體系中的一個(gè)，由公寓樓側(cè)樓、兩個(gè)塔樓與4層往下的一些裙樓聯(lián)合組成，大廈的外面的框架柱是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)體系主要存在于型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)中。

4、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景

由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土之間的相互約束，使得它們各自的強(qiáng)度都有所提高。另外，由于型鋼的存在，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的回彈，從而改善了高強(qiáng)混凝土的脆性，而高強(qiáng)混凝土的回彈又因其回彈較低而不利于抗震，提高了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震性能，尤其是壓力型構(gòu)件的回彈。所以可以預(yù)測(cè)型鋼高強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

總結(jié)：

型鋼—混凝土結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學(xué)性能，使構(gòu)件的使用更合理、更有效，減少構(gòu)件的截面尺寸。所以鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用，不僅擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，而且還降低了建筑自重和投資成本。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的性能一直是建筑行業(yè)的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。這是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向，隨著研究的深入和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累，高樓大廈將繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)它也是建筑業(yè)用鋼的一種新方式，在當(dāng)前的鋼材市場(chǎng)中發(fā)揮著積極的作用。

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