鋼-混凝土組合結構施工技術研究

王 維（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

1 工程概況

某公司上海濱江項目位于上海市徐匯區市濱江區域，本工程地塊東西總長約 131 m，南北約 102 m，總用地面積約13 094.00 m2，總建筑面積約 77 163.23 m2，地上計入容積率的總建筑面積約 68 885.20 m2。該項目由 1 棟 29 F 辦公樓、1 棟 4 F 商業用房組成，地下 3 F。塔樓上部主要為甲級辦公以及辦公輔助用房。其中，塔樓 10 F、21 F 為設備層、避難層。裙樓 1、2 F 為商業餐飲，3、4 F 為辦公區域。塔樓地下 2、3 F 為設備用房，地下 1 F 為設備用房及后勤。

塔樓為混凝土核心筒-裝配整體式鋼筋桁架樓層板，裙樓為鋼結構框架。結構層為標準層高 4.5 m，1 F 7.5 m，2 F 5.5 m，3 F 4.5 m。混凝土強度等級為樓板、梁 C 40；柱C 60；核心筒剪力墻 C 40、C 50、C 60。混凝土厚度普通混凝土板厚 150 mm，外圈鋼筋桁架板部位厚度為 110 ～ 150 mm；剪力墻厚度為 400 ～ 800 mm。

上部結構塔樓鋼結構主要由核心筒內勁性鋼柱、樓層勁性梁、鋼筋桁架樓承板及塔冠框架結構組成。為確保順利完成以上結構的安裝，根據現場工況，需配備 2 臺 ZSL 230 塔吊滿足吊裝條件。核心筒鋼構分布于 L 1 ～ L 16，共 16 層，截面尺寸為 700 mm ～ 900 mm（高）× 300 mm（寬） ×30 mm（腹板厚） × 40 mm（翼板厚）。塔樓鋼結構主要為樓層鋼次梁。核心筒內樓面采用現澆混凝土樓面，核心筒外圍結構樓面采用鋼筋桁架模板混凝土樓板。桁架的次梁均采用鋼梁，次梁適當起拱，結構出屋面層有一塔冠框架結構。鋼框架為 Q 345 B；鋼次梁為 Q 345 B、Q 235 B；鋼板剪力墻為 Q 345 B；型鋼柱為 Q 345 B。鋼框架梁一般采用焊接 H 形截面，其余樓面次梁桁架梁采用軋制 H 型鋼。建筑物耐火等級為一級。

2 組合結構優勢

2.1 優化梁柱節點

本項目在考慮項目的質量、經濟等各方面因素后，在塔樓主體結構施工中采取了將混凝土主梁與鋼結構次梁結合進行的施工方式。最終，項目的質量及安全性方面得到較大的提升。

傳統混凝土澆搗施工中，在梁柱交接位置，由于澆搗時間及混凝土級配不同等差異，較易產生冷縫等問題。既不美觀又影響結構的安全性和承載力。項目在施工中次梁用鋼梁代替混凝土梁，不僅在源頭上杜絕了冷縫的出現，同時鋼次梁與混凝土樓板形成組合梁，組合成整體使鋼筋混凝土板成為組合梁的翼緣，強度、剛度較之非組合梁均明顯提高。從而達到了有效降低結構高度、增加凈空、降低工程造價、提高工程經濟效益的效果。

以本項目為例，采用鋼-混凝土組合結構，塔樓主梁（混凝土梁）尺寸為 1 200 mm（高） × 700 mm（寬），次梁（鋼結構）尺寸為 490 mm（高） × 250 mm（寬）× 8 mm（腹板厚） × 14（翼板厚）/490 mm（高） ×250 mm（寬） × 16 mm（腹板厚） × 20 mm（翼板厚）。根據原設計計算，相同荷載下，若采用全鋼筋混凝土主次梁，主梁尺寸需達到 1 440 mm × 840 mm，次梁尺寸需達到 800 mm × 600 mm 以上，因此每層凈高較傳統混凝土結構形式整體提高 140 mm，局部次梁區域提高 210 mm。且鋼梁與混凝土梁相比，在設計允許的情況下，穿梁套管位置可在后階段進行調整。以上優勢使得鋼-混凝土組合結構不僅可以提升樓層凈空，還為后階段機電綜合管線排布留下了更多的調整空間。

2.2 應用預制構件提高裝配式比例

本工程中，預制柱/鋼柱數量達到 414 根，預制構件比例為 0.43；預制梁（鋼梁）達到 14 879 m，預制構件比例為 0.42；預制板達到 489 m2，預制構件比例為 0.01；預制樓梯（鋼樓梯）達到 11 個，預制構件比例為 0.79。項目單體預制裝配率達到 26.97 %。現場現澆作業大幅減少，節約了資源及人工，符合綠色建筑的要求。

塔樓核心筒內為勁性鋼柱，在混凝土未澆注前已形成鋼結構，已具有相當大的承載能力，可承受構件自重和施工時的活荷載。塔樓次梁采取鋼結構形式，雖增加了鋼梁吊裝時間，但整體取消了次梁模板、鋼筋施工，提升了施工速度。裙房樓板為鋼筋桁架樓承板，無須搭設排架模板，節省了大量木模板及其支撐，大幅加快了施工進度，縮短了施工工期。同時，相對于木模板而言，火災發生的可能性有所降低。

若按照傳統混凝土結構形式施工，主要流程為排架搭設→ 底模鋪設 → 梁鋼筋綁扎 → 側模封閉 → 梁板面筋綁扎 →混凝土澆搗。參照本項目體量，一般每層施工周期為 7 d，本項目塔樓核心筒內采用勁性鋼柱，提升承載力。次梁改為鋼梁，雖增加了一道鋼梁吊裝工序，但項目通過劃分東西施工區段交錯施工，避免了吊裝與主梁鋼筋綁扎同時交叉施工，使吊裝施工完全融入了主梁鋼筋綁扎的工作時間段。由于省去了次梁鋼筋綁扎的時間，且每層結構鋼筋綁扎的工作量減少，為每層的結構施工至少節省了 0.5 d 時間。此外，本項目裙房樓板采取鋼筋桁架樓承板，無須搭設排架模板。較傳統排架模板施工工藝可在每塊區域施工節省 1 d 時間，縮短了施工工期。

2.3 增強穩定性及抗震能力

考慮于本工程核心筒內增加勁性鋼柱，使型鋼、鋼筋、混凝土 3 種材料協同工作。同傳統的鋼結構相比，型鋼混凝土結構具有更大的剛度和強度、更好的局部和整體穩定性。且型鋼混凝土結構用鋼量大幅減少，具有良好的經濟性。同傳統的鋼筋混凝土結構比，此結構承載力大、剛度大，具有良好的變形能力和延性，抗震性能優越。且可有效減小構件截面，增大使用空間，節省鋼筋混凝土用量，可免除構件中的預埋件，有更好的抗震性能。型鋼混凝土配置實腹式型鋼比空腹式型鋼具有更好的強度及延性，且抗震性能更好。

本項目由于在剪力墻中使用型鋼柱進行加強，相比全鋼筋混凝土結構，相同條件下剪力墻寬度縮小了 100 mm，增大了室內空間。同時節省了鋼筋、混凝土等材料的用量。根據估算，塔樓層單層增大使用空間約 36.10 m2、節省混凝土用量約 158.84 m3。整棟塔樓合計增加使用面積約1 046.90 m2、節省混凝土用量約 4 606.36 m3，節省混凝土費用約 295 萬元。

2.4 更好的防腐蝕性及防火性

鋼-混凝土組合的結構形式相比傳統結構形式而言具有更好的防腐蝕性及防火性。本工程主要豎向結構均采用勁性鋼結構加外部混凝土整體澆筑的形式，其外部采用混凝土的厚度及材料特性，使得其整體防腐蝕性及防火性遠好于傳統鋼結構防火保護層。同理，本工程主梁也采用混凝土形式，防腐蝕性及防火性均較好。

通過對比分析，鋼-混凝土組合結構的防腐蝕性與防火性優勢主要有以下幾點。

（1）混凝土外包裹對其中勁性部分所起到的保護作用使得結構形式中鋼構件部分可有效與外界隔離，不直接承受火災及空氣腐蝕，從而大幅度提高結構的防腐蝕性與防火性。

（2）混凝土本身有一定的熱量吸收的功能，其結構中的鋼構件在火災中受影響減小，可使整體承受更高的外部溫度，防火性能得以提升。

（3）混凝土的耐高溫使得其可在高溫中不變形，在鋼構件受高溫影響下屈服強度降低的同時，能夠給結構整體提供一定的支撐作用，延緩鋼-混凝土組合結構的整體破壞。

3 結 語

鋼-混凝土組合結構作為一種較為新穎的結構形式，其特點在于既充分利用了混凝土與鋼構件兩種材料各自的優點，也克服了兩者的部分缺點。混凝土部分增加穩定性、防火性和防腐蝕性，鋼構件部分增加強度，減輕自重、減小截面尺寸，使得施工質量更可控，發揮的作用更明顯。

在經濟性方面，鋼-混凝土組合結構對比鋼結構而言，用鋼量下降約 50%，造價降低 10% ～ 40%。同樣對比混凝土結構，混凝土用量節約 50%，減小了截面，減輕了自重，增大了凈空與面積。大幅降低基礎部分成本，具有明顯的經濟效益優勢。

本工程通過鋼-混凝土組合結構地應用加快了施工進度，確保了施工質量，取得了良好的經濟效益。對比傳統單一結構形式，其優缺點總結如下。

（1）混凝土梁體采用傳統施工方法，質量控制難度大，特別是梁柱交接等混凝土級配不同的位置，容易因施工順序產生冷縫等施工通病。

（2）預制構件相比混凝土構件施工而言更為便利，節約資源，縮短工期，更符合國家目前大力發展推進裝配式建筑的愿景。

（3）相同截面的鋼-混凝土組合結構自重輕、承載力更高，建筑物抗震能力好。

（4）在相同的條件下，鋼-混凝土組合結構的防腐蝕性及耐火性能優于普通鋼結構。

（5）鋼-混凝土組合結構有效減少用鋼量，減小了構件的截面尺寸，增加使用空間，提高經濟效益。

（6）由于施工時鋼梁吊裝與結構鋼筋綁扎施工存在一定程度的交叉施工，因此對施工現場合理的施工區域分割布置、安全管控有著更高的要求。

（7）由于結構上鋼梁與混凝土梁的交錯布置，對施工現場的測量復核也提出了更高的要求，需要在鋼梁放置階段第一時間進行復核，防止萬一偏位帶來的預留洞無法使用的施工問題。