高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)科學(xué)應(yīng)用略論

韓功卿

（大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計研究有限公司）

高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)科學(xué)應(yīng)用略論

韓功卿

（大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計研究有限公司）

鋼——混凝土混合結(jié)構(gòu)是我國目前在高層建筑領(lǐng)域里應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)型式。鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各有所長，前者具有重量輕、強(qiáng)度高、延性好、施工速度快、建筑物內(nèi)部凈空氣大等優(yōu)點，而后者剛度大、耗鋼量少、材料費(fèi)省、防火性能好。綜合利用這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為高層建筑的發(fā)展開辟了一條新途徑。本文主要研究如何科學(xué)利用這一結(jié)構(gòu)。

鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)；住宅；應(yīng)用

人類建筑史上傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有：木結(jié)構(gòu)、磚石（砌體）結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等四類。隨著建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼——混凝土結(jié)構(gòu)最早于1972年用于芝加哥的Gateway Ⅲ Building（36層137米），我國至80年代才將鋼結(jié)構(gòu)用于高層建筑，目前已建成或在建的高層結(jié)構(gòu)建筑（約有40余幢）中，有一半以上采用的是鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)。該種新型建筑結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性，具有施工簡便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好、承載力高、抗震性能好、節(jié)約鋼材的特點，已成為21世紀(jì)住宅建筑中最為實用和主要的結(jié)構(gòu)形式。

1.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

1.1 工程實例

某大廈是一集商住兩用于一體的綜合性大樓，建筑 176，100m2，主樓地上59層，地下4層，高231.5米。主樓結(jié)構(gòu)的地上部分為中央鋼筋混凝土剪力墻組成的八邊形核心筒體和外框的八個鋼骨混凝土巨型組合柱、八根鋼巨型柱及鋼梁。核心筒體的厚度由下至上逐步減小，從750mm到350mm。核心筒腹部剪力墻呈井字形布置，起至地下三層，終止于四十二層，厚度為 350mm，是典型的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。其平面位置通過轉(zhuǎn)換鋼柱11次轉(zhuǎn)換，逐步向核心筒內(nèi)收。樓板為鋼梁、金屬壓型鋼板組合樓板，一般跨度為4.5m.大樓的主要抗側(cè)力構(gòu)件為中央鋼筋混凝土筒體，混凝土結(jié)構(gòu)提供了非常好的質(zhì)量與剛度比以及內(nèi)在動力阻尼特性，大大減小了風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，對抗風(fēng)設(shè)計相當(dāng)有利，不僅滿足了風(fēng)荷載下的位移和強(qiáng)度要求，也滿足了建筑物的舒適度要求。豎向荷載承重構(gòu)件采用鋼結(jié)構(gòu)，則大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，并且加快了施工速度。

圖1 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層平面梁、柱布局圖

1.2 高層鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)特征與優(yōu)勢分析

側(cè)向剛度大于鋼結(jié)構(gòu)。鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)由于設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻或核芯筒作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu),其側(cè)向剛度大于一般鋼結(jié)構(gòu),會大幅度地減小風(fēng)荷載作用下的建筑物側(cè)移和風(fēng)振加速度。

抗震性能優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。位于地震區(qū)的高層建筑,當(dāng)采用鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu),將外圈框架或框筒改用鋼構(gòu)件或組合構(gòu)件,可加大結(jié)構(gòu)的延性,提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠度。

減少用鋼量。高層建筑采用鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu),既保持了鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸小的優(yōu)點,又在不增大用鋼量的情況下,加大了結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度,造價還有所降低。統(tǒng)計分析表明，其用鋼量約為鋼結(jié)構(gòu)的75%。

結(jié)構(gòu)造價介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間。根據(jù)我國國情,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的直接造價低于鋼結(jié)構(gòu)。鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)鋼材用量小于鋼結(jié)構(gòu),又可節(jié)省部分防火涂料費(fèi)用,因此,鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的造價介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間。

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

結(jié)構(gòu)面積小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隨著建筑層數(shù)的增多，結(jié)構(gòu)體系的框架柱內(nèi)力將達(dá)到很大數(shù)值。若采用鋼筋混凝土柱，其截面尺寸會達(dá)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(jié)果表明：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(jié)構(gòu)中組合柱或鋼柱承擔(dān)較小的水平剪力，其截面甚至可小于鋼結(jié)構(gòu)中的柱子。

發(fā)揮組合構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度作用。鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)工程中采用矩形截面及圓形截面的鋼管混凝土柱組合構(gòu)件,既提高了柱的承載力,又提高了柱的抗推剛度和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度,也有利于提高柱的防火能力。

圖2 梁柱連接構(gòu)造示意圖

符合發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化的方向。鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)住宅體系從根本上改變了傳統(tǒng)建筑業(yè)以手工作業(yè)為主的小生產(chǎn)方式，基本實現(xiàn)了構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化，施工的機(jī)械化。能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計、系列化的開發(fā)、集約化的生產(chǎn)、社會化的供應(yīng)，為住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化探索出一條途徑。

經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)測算該體系住宅建筑的造價僅為1100～1200元/平方米。其結(jié)構(gòu)含鋼量一般為40～45kg/m2。結(jié)構(gòu)自重輕，一般為650kg/m2。施工周期短，一般可縮短30%～50%。

2.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在住宅應(yīng)用中有待研究的問題

目前一些對混合結(jié)構(gòu)的靜力、動力和彈塑性分析方法都是建立在樓板絕對剛性和結(jié)構(gòu)規(guī)則布置無扭轉(zhuǎn)的假設(shè)前提下用簡化平面法進(jìn)行分析。隨著住宅建筑個性化發(fā)展，經(jīng)常遇到考慮樓板變形和扭轉(zhuǎn)問題，要求我們建立一種新的分析模型和計算格式。

組合體系中剪力在鋼框架和剪力墻之間的分配比例和要求，關(guān)系到該體系的安全和經(jīng)濟(jì)問題，現(xiàn)行國家有關(guān)規(guī)范只有一個籠統(tǒng)的不區(qū)分抗震等級對鋼框架剪力值的要求。應(yīng)研究不同抗震等級和抗風(fēng)要求的鋼框架和混凝土核心筒的剪力合理分配比例。

對于工程設(shè)計特別關(guān)心的層間位移限值，與結(jié)構(gòu)布置、使用材料性能以及建筑高度等有關(guān)，尤其是強(qiáng)震作用下的彈塑性位移，還沒有規(guī)范提出相應(yīng)的限值規(guī)定。鋼框架和混凝土墻體的連接方式，對結(jié)構(gòu)體系的分析、設(shè)計和施工等有重要的影響，值得研究并通過一定的試驗和理論確定。

就結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、合理性、經(jīng)濟(jì)性來說，對于鋼－鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮地基—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)共同作用，探索出一套合理的分析方法和設(shè)計技術(shù)，并通過實際工程檢驗。

確定適宜的層間位移限值。我國有關(guān)混合結(jié)構(gòu)的規(guī)程正在修編，高層住宅建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程沒有列出對鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)定，但對以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主要抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，高層建筑混凝土規(guī)程則提出其側(cè)移限值的要求，規(guī)定為等同于相當(dāng)高度的鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)體系的要求。確定適宜的層間位移和頂點位移限值是該結(jié)構(gòu)體系規(guī)程的重要內(nèi)容之一。

高層鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)住宅，由于自身特性與公共建筑有較大區(qū)別。要實現(xiàn)國家建筑科技計劃使鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)有所發(fā)展，必須從占建筑業(yè)大頭的住宅方面有所突破。根據(jù)住宅體系的特點對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為組合結(jié)構(gòu)住宅提供設(shè)計參考和工程實踐經(jīng)驗，尚有工作可做。

[1]管昌生,王輝,余地華,張志明.117大廈巨型柱鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程模擬[J].混凝土.2013(08)

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1007–6344（2015）01–0016–01