多層鋼砼框架結構體系的設計與處理

摘要：20世紀末，無論是工業建筑還是民用建筑，在結構設計中遇到的各種難題也日益增多。鋼一混凝土組合結構層——鋼砼框架結構體系作為一種新型技術在建筑領域得到了飛速發展。它具有承載力高、抗震性能好、節約鋼材和施工簡捷等突出優點，因而在建筑中得到了日益廣泛的應用，這種結構在土木工程特別是在多層建筑中有著遠大的應用前景。

關鍵詞：鋼砼結構 特點 分析

鋼砼結構體系作為一種新興的結構體系，有著鋼結構和混凝土結構的優點，符合國家的政策導向。鋼－混凝土組合結構之一的鋼管混凝土（即鋼管砼－CFST），就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構件。鋼骨砼梁，是在鋼梁周圍配置鋼筋，澆注砼后使鋼骨與砼成為一體共同工作的組合結構構件。由于鋼骨的存在使得構件延性得到很大改善，其變形能力強，抗震性能好，承載力高。混凝土對鋼骨的包裹解決了鋼結構的防腐、防火問題。施工時鋼梁骨架有較大的承載力，可大大節省模板工作量。

1 鋼砼結構的特點分析

鋼砼結構體系通常指的是鋼框架砼核心筒或剪力墻體系，抗側移剛度很大的混凝土核心筒或剪力墻主要抵抗風荷載和地震作用，而鋼框架主要承受豎向荷載。

1.1 降低用鋼量

鋼砼結構體系兼有鋼結構和混凝土結構的優點。與全鋼結構相比，可以降低用鋼量40%-55%，而施工速度與之相當，能夠減少現場焊接工作量、降低防火處理費用；與混凝土結構相比，可減輕結構自重，增加建筑使用面積，縮短施工工期。因此是一種符合我國國情的較好的多層建筑結構形式。

1.2 抗壓承載力高，擴大了建筑使用空間

由于鋼砼柱的承載力高，柱子載面小，還可采用大柱網、大空間的框架結構體系。所以在多層建筑中采用鋼砼柱比采用鋼筋混凝土結構增加使用面積3%-6%。

1.3 柱子截面減小對抗震有利

和全鋼結構相比，鋼砼結構柱的自重小，地震作用引起的地震反應也將減小。據有關資料分析，多層建筑中采用鋼砼結構體系比采用全鋼結構，柱自重可以減少1/3～1/2，地震作用可以減少一半，相當于設防烈度下降一度。

2 多層鋼砼結構的幾種常用體系

2.1 多層鋼砼框架（或剪力墻）體系

多層鋼砼框架（或剪力墻）體系由外圍鋼框架和混凝土內筒（或剪力墻）構成，鋼框架與內筒間的跨度一般為8-12m，并采用兩端餃接的鋼梁，或一端與鋼框架柱剛接相連另一端與內筒餃接相連的鋼梁。典型工程實例包括深圳發展中心大廈，北京國貿中心二期塔樓。

2.2 多層帶伸臂桁架的鋼砼框架體系

多層帶伸臂桁架的鋼砼框架體系在鋼框架混泥土內筒體系的基礎上增加伸臂桁架，目的是提高結構的側向剛度，減少水平側移和內筒承擔的傾覆力矩等。典型工程實例為深圳地王商業大廈。

2.3 多層巨柱框架砼內筒體系

多層巨柱框架砼內筒體系通過設置巨型柱，使帶伸臂桁架的鋼框架砼內筒體系的測向剛度得以進一步提高，巨型柱往往采用鋼管或鋼骨混泥土制成。典型工程實例包括北京冠城園A樓，上海金茂大廈，美國休斯頓西南銀行大廈等。

3 多層鋼砼框架結構設計體系的問題

3.1 目前多層建筑、商住樓開發較多。隨著實心粘土磚的禁用，多層磚混結構體系的逐漸退出，純框架體系更成為了大多數設計院首選的結構體系，但純框架體系畢竟是柔性體系，抗震設計中只有一道梁柱框架抗震防線，強震下較易破壞甚至倒塌，可靠度較低；隨著層靈敏的增加，執受力和變形工需要較大的柱，以致較難滿足用戶對柱、梁斷面盡量的要求。框架梁、柱配筋量增大，結構造價逐漸增加。

3.2 建議五層以上的多層建筑優先采用框架—剪力墻結構體系。在分散、均勻、對稱和周邊的布置原則下利用樓、電梯間、分戶墻或允許落地的墻位合理布置長短適中，數量適當的縱、橫剪力墻，在保證樓板與剪力墻間傳遞水平力的可靠性下，可收到良好的抗震、使用及經濟效果，主要如下：

①增加了一道抗震防線，使剪力墻成為第一道防線，框架成為第二道防線，較好地實現抗震設計多道設防的設計概念。

②設置剛度較框架大許多的剪力墻，提高了結構的承載力，減少了層間變形，在常遇地震下的結構件及非結構構件均不易開裂、破壞；在強震下，剪力墻不易剪切破壞，大大提高了結構的防倒塌能力及可靠度。有關專家綜合日本震害調查得出結論：剪力墻的數量宜取每平方米樓面50mm長以上。

③剪力墻厚一般同填充墻厚，不會外露，剪力墻承受了大部分地震剪力及較大部分的地震傾覆力矩。這樣框架基本上以承受豎向荷載為主，柱、梁斷面均較小，配筋也較少，特別是框架梁的主筋減少較多。對于非大柱網的多層建筑，梁寬可取200mm，也不外露。對于建筑有較好的使用效果。

④一般墻量合理不太多的情況下，框剪結構的混凝土工程量略小于純框架結構，框剪結構墻、柱基本都是構造配筋，框架梁基本由豎向荷載控制配筋，鋼筋工程量小于純框架結構，故多層建筑采用框剪結構的經濟效益優于純鋼框架結構。

4 多層鋼砼框架結構設計體系典型問題的處理

4.1 對砼結構裂縫的修補

采用表面密封法用于修補不再發展的裂縫，其縫隙寬度不大于0.2mm。具體做法為：在裂縫處用鋼絲刷將砼表面打毛，并用清水洗凈，然后噴涂或涂刷一層涂敷材料、丙烯酸橡膠、聚酯樹脂，或在裂縫上先鋪放玻璃絲布，再用修補材料涂刷。

4.2 對砼結構受損傷部位的修補

采用涂抹砂漿法或化學灌漿方法對于淺表面損傷，可采用涂抹砂漿法或化學灌漿法。其具體做法是先將受損表面清洗干凈，然后涂一層界面劑或低黏度環氧樹脂，再涂抹環氧樹脂砂漿或聚合物水泥砂漿進行修補。

4.3 對砼結構的加固

對砼結構加固的目的是要在恢復中提高結構的承載力，使結構能繼續使用或改作其他用途。加固的方法，大致有以下幾種：

4.3.1 采用增大截面加固方法，這是一種加大原結構截面和配筋量的加固方法，用于提高構件的抗彎強度、抗剪強度和剛度，也可用來修補砼的裂縫。這種方法的優點是適用面廣，可用于加固梁、柱、墻、基礎、屋架弦、腹桿以及連接節點等。新澆砼標號宜比原構件砼標號提高一級。施工工藝簡單，但是作業量大，減少了建筑的使用面積，施工中必須保證新老砼的粘結。必要時可采用砼界面劑。

4.3.2 采用粘鋼加固方法。在鋼筋砼結構表面用結構膠粘貼鋼板，以提高結構承載力。這種方法的優點是施工簡單、快捷。加固時，基本上不影響使用，主要用于梁的加固。鋼板應延伸出需要加固部位外，延伸的長度應滿足加固鋼板傳力的需要，如果鋼板的錨固長度受到限制，則需要采用錨拴或型箍板加固粘結。加固法至關重要的是處理好粘結處的砼表面和粘結鋼板的表面，選配好粘結的膠。黏膠后再加固加壓，膠固化后才能受力。

4.3.3 采用增設支點加固方法。增設支點以減少結構計算跨度，從而能較大幅度地提高承載能力，并能減少和限制梁、板的撓曲變形。該法的優點是簡單，但使用空間受到限制。這種加固方法，應核算增設支點后結構受力情況的改變，該法多用于框架梁和一般梁的加固。

針對鋼砼結構應用于建筑中會遇到的一些具體問題，我們展開了一系列基礎性及應用性的理論研究與工程實踐。研究的結果表明，鋼砼結構雖然相對簡單，可以用于多層建筑的建設，設計中仍有很多需要注意的問題。只有熟練地掌握規范，設計出符合在求的產品，為鋼砼結構在建筑建設中的推廣應用打下堅實的基礎。