型鋼混凝土組合結構的應用與發展

朱小路

摘 要：本文對型鋼混凝土組合結構的優點、設計及發展做了簡要的介紹。

關鍵詞：型鋼混凝土；抗震性能；延性

近年來，隨著高層建筑的不斷涌現，型鋼混凝土組合結構在高層建筑中的應用越來越多了。

所謂型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC）組合結構是指在型鋼周圍布置鋼筋，并澆筑混凝土的結構。型鋼分為實腹式和空腹式。實腹式SRC構件具有較好的抗震性能，而空腹式SRC構件的抗震性能與普通混凝土（Reinforced Concrete，簡稱RC）構件基本相同。因此，目前在抗震結構中多采用實腹式SRC構件。實腹式型鋼可由鋼板焊接拼制而成或直接采用軋制型鋼。下面介紹一下型鋼混凝土組合結構的應用：

1 型鋼混凝土組合結構的優點

（1）型鋼混凝土組合結構與鋼結構相比，具有以下優點：

①耐久性、耐火性均優于鋼結構，型鋼外包的混凝土，可取代剛結構所涂的防銹和防火涂料，混凝土蓄熱能力強，耐久性能好。

②節約鋼材，可節省鋼材50%甚至更多。

③兼做摸板支架，在混凝土尚未澆注前已形成鋼架，具有承載力，可用作摸板支架和操作平臺。

（2）型鋼混凝土組合結構與鋼筋混凝土結構相比，具有以下優點：

①整體工作性能好，型鋼骨架與外包混凝土形成整體，共同受力。

②承載力高，截面小，鋼筋混凝土構件受配筋率的限制，提高承載力的途徑只能是加大截面尺寸，而組合結構可以設置較大的型鋼，提高構件承載力，更能滿足高層及超高層建筑設計的需要。

③型鋼混凝土組合結構施工進度快，工期短。

④構件的延性好，抗震性能更優越，由于構件中型鋼的作用，組合結構的延性遠大于鋼筋混凝土結構。

2 型鋼混凝土組合結構設計要點

（1）抗震設計時，應采取有效措施確保混凝土筒體的承載力和延性。

①混合結構體系的高層建筑，7度抗震設防且房屋高度不超過130m時，宜在樓面鋼梁或型鋼混凝土梁與鋼筋混凝土筒體交接處及筒體四角設置型鋼柱；7度抗震設防且房屋高度大于130m及8度，9度抗震設防時，應在樓面鋼梁或型鋼混凝土梁與鋼筋混凝土筒體交接處及筒體四角設置型鋼柱。

②為了保證鋼筋混凝土筒體的延性，可采取下列措施：a.保證鋼筋混凝土筒體角部的完整性，并加強角部的配筋；b.通過增加墻厚控制筒體剪力墻的剪應力水平；c.剪力墻的端部設置型鋼柱，四角配以縱向鋼筋及箍筋形成暗柱；d.筒體剪力墻配置多層鋼筋，必要時在樓層標高處設置鋼筋混凝土暗梁；e.采用型鋼混凝土剪力墻或帶豎縫剪力墻；f.筒體剪力墻的開洞位置應盡量對稱均勻；g.剪力墻洞口處的連梁采用交叉配筋方式或在連梁中設置水平縫。

（2）增強外圍框架的剛度及承載力混合結構高層建筑中，外圍框架平面內梁與柱應采用剛性連接，以增強外圍框架的側向剛度及水平承載力。

（3）設置外伸桁架加強層。

采用外伸桁架加強層可以將筒體剪力墻的部分彎曲變形轉換成框架柱的軸向變形，以減小水平荷載作用下的側移，所以外伸桁架應與筒體剪力墻剛接且宜伸入并貫通抗側力墻體，同時應布置周邊桁架以保證各柱受力均勻。因而外伸桁架宜分段拼裝。

（4）鋼框架柱地震剪力調整。

抗震設計時，鋼框架—鋼筋混凝土筒體結構各層框架柱所承擔的地震剪力不應小于結構底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小者；型鋼混凝土框架—鋼筋混凝土筒體各層框架柱所承擔的地震剪力，應符合鋼筋混凝土框架—剪力墻結構中框架柱的相應規定。

3 型鋼混凝土組合結構的構造分析

怎樣保證型鋼混凝土組合結構可以積極發揮出它的優越性，讓預期的力學模型得以實現，其中關鍵之處是構造。對于型鋼混凝土的構造，能夠劃分為節點構造及桿件構造兩種。

（1）節點構造分析：

對于節點構造，其主要就是梁柱連接節點域的構造，經常表現為下面的形式：型鋼混凝土柱、梁和型鋼混凝土梁、柱或者鋼筋混凝土梁、柱的連接。對于型鋼混凝土梁柱在節點區的連接，在節點中，內置型鋼應該使用剛性連接。在節點處柱內型鋼對應著梁內型鋼的上下翼緣的地方，需要進行水平加勁肋的設置，其厚度大于或者等于梁內型鋼翼緣板厚度，為了保證混凝土澆筑方便起來，對于水平加勁肋，應該在角部進行排氣孔的設置。

（2）桿件構造分析：

對于桿件構造，怎樣保證外包混凝土與內置型鋼構成整體是其要重點解決的問題。一些實驗證明，混凝土和型鋼間的粘結應力僅為混凝土和圓鋼之間粘結應力的一半。所以為了確保型鋼和混凝土一起進行工作，應進行剪力連接件的設置，圓柱頭栓釘是較為常用的。對于內置型鋼自身，應該重視下面幾點：①為使內置型鋼的最大強度得到發揮，內置型鋼的翼緣板不應該開洞。腹板開洞應該焊接鋼板進行增強；②全部焊接需要鋼廠進行制作，現場施焊是不合適的，進而使焊縫的焊接質量得到良好保證；③內置型鋼的接長還應和梁柱的節點區域避開。

在構造設計過程中，需要達到的目的是：施工便利、一起作用、構造簡便以及傳力可靠。

那么再介紹一下我國SRC結構的應用與研究：

20世紀50年代初，我國從前蘇聯引進了SRC結構，后由于片面追求節省鋼材，于60年代末幾乎停止使用。80年代后，隨著我國建筑業的迅猛發展，SRC結構在全國興起，北京、上海、江蘇等省市的高層建筑中應用了SRC和RC的混合結構，取得了良好的經濟效果。“勁性鋼筋混凝土結構性能及設計方法”課題，自1987年開始，在查閱各國有關規范、研究成果、工程應用基礎上，進行了系統的試驗研究。

通過以上系統研究，取得了一系列的研究成果，并在一些高層建筑工程中應用。經過幾年的研究和工程實踐，參考日本鋼骨混凝土設計標準，1998年我國冶金部頒布了我國第一部YB9082297鋼骨混凝土結構設計規程。此規程基本沿用了日本標準的設計方法，包括其名稱在內。將型鋼作為等效鋼筋，參照我國的混凝土規范及國外有關規范，2002年建設部頒布了JGJ3822001型鋼混凝土組合結構技術規程。此規程中的設計方法與我國的混凝土規范相近。

隨著型鋼混凝土構件研究的深入及計算理論的逐步成熟，近年來，型鋼混凝土的研究逐步由構件轉向體系，由普通混凝土轉向高性能混凝土，由單一型鋼混凝土體系的研究轉向型鋼混凝土與混凝土、鋼及預應力技術相組合所產生的新結構體系的研究，預應力型鋼混凝土技術也由此發展起來。

我國是一個人口大國，所以對建筑的追求也各具特色。在節能減排成為主旋律的今天，使用高性能的結構形式必然是建筑業的發展趨勢。所以，今后我們會投入更大的精力去探索與研究。