高層鋼—混凝土混合結構體系分析

摘要:介紹了高層鋼—混凝土混合結構的構成和特征，提出了混合結構體系的分析方法、存在的問題以及其研究動態。

關鍵詞:高層建筑鋼—混凝土混合體系彈塑性分析

中圖分類號:TU398.9文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0032-02

鋼—混凝土組合構件是由外包鋼管(圓形或矩形)和內灌注混凝土組成的鋼管混凝土構件。鋼管混凝土由于鋼管與核心混凝土之間相互作用力一緊箍力的存在，使鋼管和核心混凝土都處于三向應力狀態下。在軸壓作用下，鋼管縱向，徑向受壓而環向受拉;而混凝土三向受壓，使其抗壓強度提高，由脆性材料變為塑性材料，基本性能起了質的變化。有試驗結果證明[1]，構件呈現出彈性工作塑性破壞的特征，在水平荷載反復作用下，P—△滯回曲線十分飽滿，延性好，吸能多，且剛度退化現象很小。同時薄壁鋼管內部由于存在混凝土而提高了局部穩定性，其屈服強度可以充分利用。組合構件抗壓承載力約為鋼管和核心混凝土單獨承載力之和的1.7～2.0倍，即NSC=(1.7～2.0)(NS+NC)?？梢哉f，兩種材料優勢互補，鋼管混凝土構件實現了鋼材與混凝土的最佳組合使用。

1 高層鋼—混凝土混合結構的構成和特征

1.1 高層鋼—混凝土混合結構構成

高層鋼—混凝土混合結構是由鋼構件和鋼筋混凝土構件以某種連接方式共同組成結構體系的一種新的結構類別[2]。(l)其結構體系中的承重構件和抗側力構件，根據其承力要求，分別采用鋼(或鋼管混凝土、型鋼混凝土)構件和鋼筋混凝土構件。(2)結構體系中的鋼構件和鋼筋混凝土構件，通過各樓層的板、梁和伸臂桁架之類水平構件連為一體，共同承擔作用于樓房的水平荷載和豎向荷載，并按照它們各自的抗推剛度和荷載從屬面積進行分配。

常用的高層鋼—混凝土混合結構承重和抗側力體系主要有下列幾種形式:

(1)鋼框架—混凝土內筒(剪力墻)體系?？蓪⒒炷良袅ρ乜v向及橫向分散布置成L或T形等形狀，對樓梯間及電梯間可形成小筒并與上述剪力墻構成主要的抗側力結構。對于框架，沿建筑物周邊應形成剛接相連的鋼框架結構，它主要承擔豎向荷載，同時承擔一定比例的水平荷載;在建筑的里側可布置成梁、柱剛接的鋼框架，也可布置成梁、柱鉸接相連的鋼框架結構，使它僅承擔豎向荷載。鋼框架與混凝土內筒(剪力墻)通過樓面結構相連而共同工作。樓面結構常采用鋼梁上鋪設壓型鋼板或預制混凝土板，再在其上現澆混凝土板，以加快施工速度。

(2)帶伸臂桁架的鋼框架—混凝土內筒體系。帶伸臂桁架的鋼框架—混凝土內筒體系的構成，與帶伸臂桁架的框架—內筒體系基本相同，但由于前者的伸臂桁架通常是組合鋼構件，與混凝土剪力墻相連時，其連接構造要求有所不同。與伸臂桁架相連的剪力墻平面內，設置藏于墻內的暗桁架，暗桁架的兩端設置鋼暗柱，以便于與伸臂桁架連接，同時使伸臂桁架的桿端力傳遞保持連續性，避免桿端部位的墻體中產生應力集中。

(3)巨柱框架—混凝土內筒體系。巨柱框架—混凝土內筒體系是通過設置巨型組合柱，使帶伸臂桁架的鋼框架—混凝土內筒體系的側向剛度得以進一步提高的一種結構體系。超高層建筑中采用這類體系時有可能降低工程造價，而且其側向剛度也易于符合設計要求。此外，一些超高層建筑的建筑造型要求有向里收進的效果時，結構處理上也可通過巨型柱截面高度的減小而向里收進，從而避免采用轉換梁或梁托柱的處理方法。

此外，在高層建筑使用的混合結構還有鋼筋混凝土外筒/型鋼混凝土外筒—鋼框架混合結構體系、支撐筒混合結構體系、豎向混合結構體系和鋼筋混凝土筒體—懸掛混合結構體系等，對于混合結構體系在建筑工程的應用，應不拘一格，能夠滿足建筑功能要求和可靠性要求的就是好的混合結構形式。

1.2 高層鋼—混凝土混合結構特征

鋼—混凝土混合結構可形成優勢互補。鋼構件具有材料強度高、延性好、截面尺寸小、能跨越較大跨度等優點，但用作豎向構件時，其抗推剛度相對較小。鋼筋混凝土墻體或筒體，則具有較大的抗推剛度和較高的抗剪承載力。高層建筑采用鋼構件和鋼筋混凝土構件兩者兼有的混合結構，利用鋼筋混凝土墻(筒)提供抗推剛度和水平承載力，利用鋼構件承擔豎向荷載，則兼備鋼結構和混凝土結構的優點。

(1)側向剛度大于鋼結構。鋼—混凝土混合結構由于設置一定數量的鋼筋混凝土剪力墻或核芯筒作為主要抗側力結構，其側向剛度大于一般鋼結構，會大幅度地減小風荷載作用下的建筑物側移和風振加速度。

(2)抗震性能優于混凝土結構。位于地震區的高層建筑，當采用鋼—混凝土混合結構，將外圈框架或框筒改用鋼構件或組合構件，可加大結構的延性，提高結構的抗震可靠度。

(3)減少用鋼量。高層建筑采用鋼—混凝土混合結構，即保持了鋼結構截面尺寸小的優點，又在不增大用鋼量的情況下，加大了結構體系的抗推剛度，造價還有所降低。統計分析表明[9]，其用鋼量約為鋼結構的75%。

(4)結構造價介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間。根據我國國情，鋼筋混凝土結構的直接造價低于鋼結構。鋼—混凝土混合結構鋼材用量小于鋼結構，又可節省部分防火涂料費用，因此，鋼—混凝土結構的造價介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間。

(5)施工速度比鋼筋混凝土結構有所加快。鋼—混凝土混合結構的施工特點，可將混凝土核芯筒安排先行施工，且施工進度也安排快于周邊鋼結構的安裝。同時在鋼—混凝土混合結構中的柱、梁采用鋼構件或組合構件，樓板結構采用在壓型鋼板或預制板上現澆混凝土。因此，鋼—混凝土混合結構的施工速度可快于鋼筋混凝土結構，施工周期縮短。

(6)結構面積小于鋼筋混凝土結構。隨著建筑層數的增多，結構體系的框架柱內力將達到很大數值。若采用鋼筋混凝土柱，其截面尺寸會達到難以接受的程度，不僅占用較多的建筑使用面積，而且不便于建筑平面布置，給樓層使用帶來困難。試驗和分析結果表明[1]：用鋼管混凝土柱替代鋼筋混凝土柱，將減小柱子的截面尺寸，從而取得良好的使用效果。由于鋼—混凝土混合結構中組合柱或鋼柱承擔較小的水平剪力，其截面甚至可小于鋼結構中的柱子。

(7)發揮組合構件的強度和剛度作用。鋼—混凝土混合結構工程中采用矩形截面及圓形截面的鋼管混凝土柱組合構件，既提高了柱的承載力，又提高了柱的抗推剛度和相應的結構側向剛度，也有利于提高柱的防火能力。

2 高層鋼—混凝土混合結構體系分析方法

2.1 高層鋼—混凝土混合結構簡化平面分析方法

對于混合結構動力特性及地震反應分析方法的研究，通過進行某些簡化假設，一些學者進行了富有成效的工作?；诓豢紤]樓板變形且建筑剛度中心與其質心重合，水平地震作用(如圖1)

下無繞豎軸扭轉發生的假定下，趙西安借鑒層模型進行混合結構的彈塑性動力分析，將鋼框架和混凝土剪力墻分別視作分層多質點體系，組成并聯雙列質點串模型(圖1)，用直接積分法求解動力方程，得到地震過程中結構動力反應值。

李國強等人先后提出了彈塑性分析的簡化平面計算模型和分區藕合計算模型[3-4]。簡化平面計算模型分別在結構平面的主軸方向上，將混合結構分解為鋼框架和混凝土核心筒兩部分并聯工作(圖2)。為簡化計算，再把平行于地震方向的每榀鋼框架按一定的折算規則簡化為相應的半剛架，而混凝土核心筒則按一定規則等效為平面彎剪構件，按層劃分為單元，采用宏觀墻單元模型，半剛架和混凝土墻體通過剛性連桿協同工作。對結構的整體P—△效應，采用一列豎向受載桿與上述簡化結構并聯。分區藕合計算模型將混合結構分解為鋼框架和剪力墻部分，利用有限元模型計算精度高和有限條模型計算量少的特點，鋼框架用桿系模型，而對混凝土剪力墻在有可能發生塑性變形的底部采用有限元模型，對只產生彈性變形的上部采用有限條法，通過藕合不同區域界面上的力、位移協調，最終再利用結構各樓層水平位移協調條件求解（如圖2）。

程紹革等人利用平面桿系模型將混凝土核心筒等效為寬柱框架，與鋼框架進行協同分析。該分析模型應用于北京國貿中心二期工程的彈塑性時程分析。

劉堅提出了混合結構動力特性及地震反應研究的超級單元計算模型[5]。該模型與樓層劃分單元，把連續化方法與有限元離散化方法結合，并考慮了鋼框架部分的節點柔性，P—△效應的影響因素。

2.2 高層鋼—混凝土混合結構空間問題分析方法

許多商業結構計算軟件的新版本都增加了靜力彈塑性分析方法功能，國外的如SCM3D、DRAIN-TABS、SAP2000、ETABA等;在國內的應用程序中，清華大學土木系研發的彈塑性分析程序NTAMS也可以進行分析（如圖4）。

秦榮以變分原理及樣條離散化為基礎，提出計算高層建筑的樣條子域法和QR。對于鋼框架考慮了材料非線性和幾何非線性，并考慮樓板變形，利用鋼框架和剪力墻的混合子域和QR法，通過子域之間邊界力和位移協調條件，可以建立一種鋼—混凝土混合結構體系新的分析方法(圖3、4)。利用樣條邊界元法—QR法或樣條無限元—QR法導出混合結構體系地基—基礎—上部結構共同作用的計算格式。先用QR法(樣條子域法)建立上部結構的控制方程，其次用QR法(或樣條子域法)建立基礎的控制方程，再其次用QR法(或樣條子域法)建立地基的控制方程，最后利用交界面上的協調關系，將上部結構、基礎及地基的控制方程藕合起來求解。

3 高層鋼—混凝土混合結構存在的問題和研究動態

鋼—混凝土混合結構是由鋼構件或組合構件和鋼筋混凝土構件共同組成的結構體系，因為這兩類構件物理性質的差異，當它們受力而又協同工作時，會引起構件之間力的分配、結構體系的抗火性能和重力荷載下豎向構件之間差異縮短等問題。

(l)地震力在兩類構件之間分配，應考慮不同時段兩類構件抗推剛度相對比值的變化。鋼—混凝土混合結構中現在采用的主要結構體系為鋼框架—混凝土剪力墻(內筒)體系，其中鋼筋混凝土內筒為主要抗側力結構，鋼框架主要承擔重力荷載，承擔較小的水平剪力。為符合結構裂而不倒的要求，需要調整鋼框架部分的承擔的水平剪力，并采取措施提高混凝土內筒的延性。

(2)研究由組合柱和鋼梁形成的鋼框架的抗火性能。一方面，鋼管混凝土組合構件由于管內混凝土的吸熱效應，使其抗火性能大大優于純鋼構件;另一方面，對于由組合構件和鋼構件形成的框架其整體抗火性能與單一組合構件的抗火性能有很大的差異。

(3)解決混凝土內筒的施工誤差和豎向構件差異縮短問題?，F澆混凝土結構墻體在水平方向和豎向的偏差常大于施工規范的規定，而混凝土施工規范規定的誤差限值也大于鋼結構施工規范規定。當鋼梁與混凝土墻采用預埋鋼板相連接時，這些預埋件在平面和豎向標高的位置，不僅受混凝土墻體偏移的影響，而且受預埋件移位的影響，其誤差值遠大于鋼梁加工尺寸的允許范圍。因此，宜在設計上采用適應性較好的連接方法。

參考文獻

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京:清華大學出版社，2003.

[2]高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2010)[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[3]周向明，李國強.高層鋼—混凝土混合結構彈塑性地震反應簡化分析模型[J].建筑結構，2002(5).

[4]李國強.高層建筑鋼—混凝土混合結構分區耦合分析模型及開裂層位移參數分析[J].建筑結構，2002(2).

[5]劉堅.基于超級單元的鋼—混凝土結構動力特性及地震反應研究[J].地震工程與工程振動，2003(l).