我國高層建筑鋼—混凝土混合結構發展與展望

摘要：隨著我國經濟的快速發展，城市化進程也加快了腳步，高層建筑為城市增添了繁華，也有效的緩解了城市土地的緊張。作為符合我國國情的重要的建筑結構，高層建筑鋼—混凝土混合結構在高層建筑中的廣泛應用，有效的保證了高層建筑的質量，滿足了人們對高層建筑的需求。因此加強對高層建筑鋼—混凝土混合結構的研究具有重要的現實意義。本文對近年來我國高層建筑鋼—混凝土混合結構的發展做了總結，并對諸如巨型鋼—混凝土組合柱、高強混凝土鋼板組合剪力墻等新型的混合結構做了研究，進而展望了鋼—混凝土混合結構在高層建結構中發展，以期能夠為今后高層建筑混合結構的發展提供借鑒。

關鍵詞：高層建筑；鋼—混凝土；混合結構；發展；展望

前言

鋼—混凝土混合結構是近年來在國內迅速發展并廣泛應用的一種高層建筑結構體系，它具有鋼結構和混凝土結構的雙重優點，與混凝土結構相比，不僅降低了結構的自重，并且還降低了結構斷面的尺寸，提高了結構受力的性能和施工的速度；與單純的鋼結構相比，防火性能、抗風荷載作用都有效的提高，并且用鋼量也有所減少，有效的降低了造價成本。目前，在鋼—混凝土混合結構的應用上，我國已建成一批如上海金茂大廈、上海環球中心、北京國貿三期等高度在200～500m的建筑，并且在高層建筑中，鋼—混凝土混合結構體系的應用比例還在不斷上升，因此，加強對該結構體系的研究和總結，對其健康持續的發展具有重要的意義。

一、鋼—混凝土混合結構的概述

鋼—混凝土混合結構是在鋼結構和混凝土結構的基礎上發展起來的一種新型結構，現在廣泛應用于超高層建筑和大跨度橋梁等工程中，與傳統的混凝土結構、砌體結構、鋼結構、木結構并列成為五大結構，它不僅具有混凝土的抗壓能力和承重能力強的優點，還具有鋼的抗拉能力及抗剪能力好的優越性能，在實踐中已經取得良好的經濟效益和社會效益。通常，根據鋼與混凝土組合結構所采用鋼材形式與配鋼方式的不同，可以將其分為組合樓板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土等多種形式。其主要特點有

1、承載力提高。據相關實驗表明，鋼—混凝土混合結構在梁截面受局部載荷時，可破壞載荷大約為設計載荷的2.2～2.6倍（文獻4），能夠有效的提高承載力。

2、抗疲勞性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了鋼梁上翼緣應力，在實際應用中也表明混合結構梁比純鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞的能力。

3、節約鋼材用量。在該混合結構中，混凝土可以替代部分鋼結構，使得用鋼量大幅下降，實踐表明（文獻4），鋼—混凝土混合結構梁比鋼結構梁用鋼量少20%～40%。

4、增加剛度，提高抗震性和穩定性。一方面，混凝土板參與梁的工作，有效的增加了梁的剛度，在用鋼量相同的條件下，與鋼梁結構相比，梁撓度可減少30%～50%，并且截面高度減小1/4～1/3。另一方面，混合結構梁上翼緣側向剛度大，進而使得整體穩定性提高，從而提高了抗震性能。

二、鋼—混凝土混合結構的工程應用

目前，我國高層建筑鋼—混凝土混合結構體系主要有框架—筒體結構體系、巨型柱框架核心筒結構體系、筒中筒結構體系和其他新型結構體系。

1、框架—核心筒結構體系。該種混合結構體系具有協同工作的特點，屬框架剪力墻結構體系的特例，大部分剪力由核心筒承擔，對抗震、抗風起到第一道保護防線的作用。外周框架主要確保混合結構的整體性，承擔豎向載荷，起到第二道屏障的作用。該種結構體系外框架柱間距一般在8m～10m之間，且布置方式也較為靈活。在高層建筑中，若需提高整個結構的抗側剛度，可以在外框架與核心筒之間設置伸臂桁架，還可以在外圍框架設置環帶桁架。該種結構體系廣泛應用于超高層建筑中，其建造高度可達400m以上。以南京綠地紫峰大廈為例（如圖1所示），該高層建筑屋頂高達381m，天線頂尖高度為450m，共70層，結構體系采用了帶伸臂桁架的框架—核心筒混合結構體系，位于結構三角形平面中心的核心筒由型鋼混凝土剪力墻組成，有效的提高了抗風、抗震的能力。

2、巨型柱框架—核心筒結構體系。該結構體系由外圍巨型組合柱、伸臂桁架及核心筒組成。該結構體系的應用，可以減少建筑對環帶桁架的依賴程度，并可以有效的提高整個結構的抗側力效率，且該結構體系在實際運用中，具有相當大的靈活性，造價也相對較低，便于施工建設。例如，上海的金茂大廈（如圖2所示），高372.1m的88層多功能建筑，結構體系采用巨型柱框架核心筒伸臂桁架的鋼—混凝土混合結構體系，外周有8根鋼筋混凝土巨型柱，與核心筒共同組成抗側力體系，在角部的8個小鋼柱主要承受豎向載荷。