多高層鋼結構中組合結構設計

曲 萍

(中國建筑上海設計研究院有限公司遼寧分公司,遼寧 沈陽 110000)

鋼結構是現代建設主要應用的建筑形式之一，與傳統的混凝土結構相比，具有高強度，結構自重較輕，抗震性好的特點。在同等強度要求情況下，鋼結構應用的材質更少，所占的空間更小，這種優勢對于當前建筑要求跨度較大，建筑周期較短的工程，具有獨特的優勢。鋼材具有化學屬性穩定，結構不易受到外界因素干擾的特點。鋼材還具有非常強的可塑性能，延展性以及防震效果在建筑行業是首屈一指的。與此同時，鋼結構中的構件都是提前制作完成的，施工人員可以根據圖紙或者設計的方案進行安裝，無需像傳統混凝土建筑那樣，等到混凝土達到養護周期，再進行下一階段的施工。為工程其它階段的建設，預留出大量寶貴的時間，使生產的效率大大的增強。

在當前多高層建筑施工的過程中，鋼結構與混凝土建筑結構的組合，得到了更加具體的應用。樓板與鋼梁利用栓釘等連接件進行連接，在混凝土樓蓋中得到了更廣泛的使用。與此同時，在鋼梁的外側用混凝土進行包裹，形成的鋼骨混凝土結構的建筑體系，還有工程中大量用到的鋼框架-鋼筋混凝土核心筒，鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構等等。鋼結構與混凝土結構的合理搭配，大大的豐富了建筑的表現形式，在建筑主體梁，板，柱的主體結構中得以更加廣泛的應用。不但使結構的承載力得到了保障，還節省了建設周期。各種鋼結構的組合形式，在主體結構的建設施工中起到了至關重要的作用，不但加強了主體的強度，還能夠將主體內部的作用力合理的分配，使組合結構的剛度以及承重能力大大加強，是未來建筑行業發展的新方向。

1 多高層鋼結構中組合結構的特點

1.1 鋼與混凝土組合梁

鋼結構具有自重較輕，承載能力強的特點。在正常情況下，利用具有抗剪性的連接件，如栓釘和槽鋼等將鋼與混凝土進行連接，組合成為一個整體。其強度要比鋼筋混凝土梁的強度高出一倍之多。在高層建筑中應用鋼與混凝土組合梁的組合形式，可以減少構件截面所占的空間，從而增加用戶更大的使用面積，無論是對于企業還是用戶，都具有積極的推廣意義。

鋼與混凝土結構組合梁能更好的發揮鋼材的抗拉屬性，還能更好的展現混凝土的抗壓特點，組合梁的撓度比單獨鋼梁作業的撓度要小上1/3～1/2，在撓度不發生變化的情況下，梁的整體高度可下調15～20%。與傳統的混凝土結構梁體相比，梁體自身的重量會再減少1/2。由于組合梁結構可以提前進行制作，在工程建設時，只需要將提前制作的構件進行組裝，不僅可以節省大量建設的空間，時間，同時還可以為企業創造更大的經濟利益。作業的流程也變得更加簡化，減少支模，脹模的消極影響。并且，結構的強度以及抗拉，抗剪的性能也要高出混凝土結構很多。

另外，組合梁與單獨的鋼梁相比，也有較明顯的優勢。承重的能力要高出普通鋼梁的1/2，強度也要高出它的一倍以上，而且其穩定的性能變得更加突出，組合梁的抗壓性能及抗彎能力的優越性也非常明顯，在建筑的主體結構中應用組合梁，可以使關鍵部位的局部強度得到更好的提升，還能增加整體結構的使用壽命，由于連接處被混凝土包裹，減小了橫截面氧化的接觸面積，所以耐久性能與防腐的性能均有所改善。

1.2 組合梁的抗彎性能

組合梁的抗彎性能可以應用截面法進行計算。用n代表混凝土的參數換算成組合梁的參數與模量相除，鋼換算為混合梁截面與模量相乘可得到n=Es/Ec，對于組合梁極限抗彎性能計算時，則以《鋼結構設計標準》作為依據。還可能照《混凝土結構設計規范》的表述進行計算。不同材質的結構應用不同構件的規范進行計算。如果應用塑性方法實行設計時，其內力計算上調的幅度系數不應大于15%。以確保組合梁抗彎性能的客觀性。例如，長為L的等截面簡支梁，承受均布載荷q的作用。從彈性理論看，正中央截面的彎矩最大，Mmax=qL2/8，最大應力為σ(max)=Mmax/Wz≤[σ]其中Wz為抗彎截面模量，因此q≤8[σ]Wz/L2即是梁能承受的最大均布載荷，q是可以達到這個值的。

另外，組合梁在其荷載達到極限時，能夠更好的展現其延展性的特點。組合梁最下端的腹板已接近最大的強度值，其受力彎度與抗壓應力應保持最遠的距離，彎度的作用力最小，因而可以最大限度的發揮組合梁的抗彎優勢。強度的增加，能使滑移的負面效果降到最低，使得實測與塑性計算的理論更好的統一。

1.3 鋼與混凝土結構連續組合梁

隨著建筑行業新技術的不斷推廣，鋼與混凝土結構連續組合梁在多高層建筑中，得到了更好的應用。在生活中經常會看到多跨度的大橋，在計算中也可以簡化成多跨連續梁的模型，連續組合梁的抗彎性能，主要以鋼梁作為抗彎的主要構件，如果鋼梁在受壓區域，局部可能出現失穩的現象。因此，連續組合梁在撓度不變的情況下，能實現最大程度的跨高比例。從而使內部支座樓板的裂縫得以更好的控制，連續組合梁的抗震系數與整體抵抗荷載的能力，較混凝土結構建筑或鋼結構的綜合能力更強，其結構整體性更加完整。但在具體應用過程中，應充分考慮到混凝土構件的抗拉性，以及鋼梁的受壓屬性都不是很好，這些因素會使得連續組合梁出現不穩定的情況。因此，在進行連續組合梁的設計中，要給予足夠的重視，利用組合梁的強度優勢，消除或減弱連續組合梁整體抗拉及負彎矩能力差的缺點，取長補短，從而使連續組合梁更好的應用到多高層建筑的結構中。

2 鋼—壓型鋼板混凝土組合應用特點

2.1 壓型鋼板與混凝土組合梁

鋼—壓型鋼板混凝土梁，按照組合的形式分類，可分為垂直與平行兩種形式。主要以鋼板肋與梁所呈現的關系作為劃分的依據。按照鋼板的順序劃分又分為順置與倒置兩種類型，按照類型劃分可分為閉口，開口，以及縮口三種類型(圖1,2,3)。壓型鋼板相當于一次性模板，在使用的過程中，省去混凝土模板的各項流程，讓整個工程作業的效率得到了更好的保證。為企業節省了大量的資金。與此同時，作為側向支撐的主要構件，大大的加強了鋼梁的一體性。鋼板還可以作為工程建設的工作面，使整個作業的過程更加便利。而且鋼板作業期間呈現的凹槽可以用作弱電與強電的線材通道。如果不用作線材的存放，還可以用作建筑的通風管道。

圖1 閉口

圖2 開口

圖3 縮口

2.2 壓型鋼板混凝土組合板

壓型鋼板混凝土板的作法，主要由具有抗剪能力連接的構件與鋼梁進行組合，形成一個整體的樓板。能夠達到均勻受力，相互協調的作用。其在受力的過程中，可以更好地展現鋼材的抗拉及抗壓的優秀屬性。另外，整體構件的自重很小，可塑性能強，操作較為便利，其費用較混凝土結構的建筑要節省得多，大大增加了工程建設的安全強度。

3 鋼管混凝土特點

鋼管混凝土是當前鋼與混凝土結構主要應用的形式之一。當前主要應用的有圓形與矩形兩種。在這兩種形狀的鋼管之內填置混凝土，這種型式的結構能滿足三向應力的需求。可以將混凝土的最大的強度性能得以發揮，韌性及塑性較傳統的混凝土結構也有很大的改善。混凝土的作用使得鋼管在受到側應力時，可以起到支撐作用，能更好地展現鋼管的韌性。二者完美地融合為一體，充分發揮兩種材質的優勢，鋼管還可以作為工程建設過程中的模板。在同等強度要求下，鋼管混凝土的截面只需純鋼混結構的1/2，不但增大了應用的空間，還使構件整體的體積得到更好的控制，在當前建筑行業中被廣泛認可并應用。

4 鋼骨混凝土特性

鋼骨混凝土是以鋼骨為主要原料，利用鋼筋對鋼骨進行包裹，與混凝土進行澆筑而形成的一種結構。由于有鋼結構部分的加持，使結構自重減輕很多，所以鋼骨混凝土的抗震性能必然要遠遠好于純的鋼筋混凝土結構。在具體應用的過程中，根據工程建設的實際情況，進行合理的選擇，使鋼骨混凝土結構最大限度的發揮自身的優勢。這種形式的構件能更好的提升整體的剛度，其抗剪能力，抗彎能力遠遠要大于單純的鋼結構構件或者鋼筋混凝土結構的構件。與此同時，外包鋼骨混凝土優秀的防火性能以及耐久的屬性，也是當前建筑行業應用所推崇的重要性能。

另外，鋼骨混凝土結構與當前建筑行業使用的鋼混結構進行性能比較，其整體強度性能及結構的韌性都發生了本質的變化，實腹鋼骨構件的抗剪能力要遠遠高于普通鋼混結構構件，而且鋼骨混凝土結構占用的空間較小，會節省大量工程建設的空間以及成本，其高強度使得工程整體穩定性更加突出。

5 結 語

綜上所述，通過多高層鋼結構中組合結構設計分析，認識到多高層鋼結構中組合結構的特點，鋼與混凝土組合梁，組合梁的抗彎性能，鋼與混凝土結構連續組合梁。以及鋼-壓型鋼板混凝土組合應用特點，壓型鋼板與混凝土組合梁，壓型鋼板混凝土組合板，鋼骨混凝土特性，鋼管混凝土特點，相信在專業人士們的共同努力之下，多高層鋼結構組合結構的設計會更加的合理，應用的范圍也會更加的廣闊，不但可以彌補鋼筋混凝土抗剪性能的不足，還能更好的展現鋼結構的韌性及強度，將二者進行完美的融合，使結構更加穩定，更好地服務于國家的經濟建設。