鋼-混凝土組合結構在高層建筑中的設計及應用探討

顏世輝

天津市東麗區住房和建設委員會 天津 300000

在我國，城市化建設速度明顯加快，房屋建筑高度增高，結構體系、形式的選擇變得更加重要，以鋼與混凝土為主的結構是組合結構的典型成果之一。在激烈的市場競爭中，如何處理好組合結構的設計及布置，在高層建筑應用中起著重要作用。

1 鋼-混凝土組合結構概述

鋼-混凝土組合結構是由鋼材（含軋制及焊接成型的型鋼、鋼筋）和混凝土組成的結構。組合結構具有能發揮不同材料的優良性能，鋼材和混凝土的利用比較充分，受力合理，造價低，穩定性好，抗震性能也好，以及施工方便，建造速度快等特點。組合結構以其優良的結構性能顯示了未來的發展潛力和發展前景，已經成為高層建筑的新的結構類型。

鋼-混凝土組合結構有兩種形式：一種是型鋼-混凝土組合結構，即混凝土內配置型鋼、縱向鋼筋和箍筋的結構；另一種是鋼管混凝土組合結構，即在鋼管中充填混凝土形成的結構[1]。

2 鋼-混凝土組合結構性能的比較

（1）與鋼筋混凝土結構相比，組合結構構件尺寸小，占用建筑面積和凈高小，施工速度快，抗震性能好，但組合結構施工技術要求高。綜合地考慮，組合結構還是有明顯的優勢。

（2）與鋼結構相比，組合結構整體剛度大，結構的防火、防腐性能也好于鋼結構。然而組合結構也有不足之處：混凝土用量大，自重大，基礎工程量大；施工要求嚴、復雜。

（3）對比組合結構與鋼筋混凝土結構和鋼結構之間的經濟指標時，應全面分析比較。既應考慮地區人工費與材料加工費的關系，還應綜合比較使用效益高低。

3 鋼-混凝土組合結構的設計過程

組合結構的設計過程基本與鋼筋混凝土結構的設計過程相同，首先對建筑結構合理簡化后進行整體結構力學分析，然后根據力學分析結果，分別對柱、梁和節點等組合構件進行設計，使其滿足承載力和正常使用極限狀態的要求。在進行組合結構整體設計分析時，組合構件的軸向剛度、抗彎剛度和抗剪剛度，可采用鋼截面部分的剛度與鋼筋混凝土部分的剛度疊加確定。

應用最廣泛的組合結構體系是型鋼-混凝土組合結構體系。此結構的設計重點是處理好與不同結構材料的連接節點，避免因結構類型改變造成承載力及剛度的突變。因下半部選用型鋼混凝土柱，上半部選用鋼筋混凝土柱的其他框架，剛度和承載力突變處易破壞，所以，設計中應重點考慮過渡層構造。采用型鋼-混凝土組合結構房屋的最大適用高度可比規定的最大適用高度值略有提高，當全部構件均采用型鋼混凝土結構時，除設防烈度為9度外，房屋最大適用高度可相應提高30%。為保證型鋼與混凝土共同作用，應采取如下設計措施：①在型鋼上翼緣處焊接抗剪連接件；②配置充滿型實腹型鋼；③加強對混凝土的約束，配置必要的縱向鋼筋和箍筋；④限制型鋼的寬厚比。

4 組合結構的布置要求

（1）平面布置。從抗震的角度，組合結構房屋的平面宜簡單規則，宜采用風壓體型系數較小的平面形狀；從方便制作的角度，宜減少構件的規格，以有利于制作和施工；結構平面布置盡量減少偏心，使結構的抗側力中心與水平荷載的合力中心重合，否則應考慮扭轉影響。柱網布置時，鋼柱截面不宜過大，鋼板厚度宜小于100mm[2]。對于較高高層建筑，采取構造和施工措施，宜調整平面形狀和尺寸，最好不設溫度變形縫，當需要設縫時，應劃分獨立結構單元，滿足設縫的構造要求。

（2）豎向布置。高層建筑結構沿高度方向宜規則，均勻，避免有過大的外挑或突變，有利于抗震和抗風。抗側力構件的剛度自下而上減少，剪力墻厚度也應減小，不應采用突變的筒體或者框支剪力墻。豎向支撐應自下而上連續、均勻布置。支撐的形式宜上下一致，通常沿豎向布置幾道加強層，加強層可采用外伸桁架形成。從抗震抗風角度考慮，對于高寬比還要做出限制，一般不宜超過10。

5 鋼-混凝土組合結構在高層建筑中的應用

型鋼-混凝土組合結構在高層建筑的各種結構體系中可以全部采用，也可以在某些局部部位或某幾層采用。型鋼混凝土結構構件可與鋼結構構件組合，也可以與鋼筋混凝土結構構件組合，它把鋼結構的構件輕的長處、強度高和鋼筋混凝土抗剪性能和防火性能好的優勢組合起來，以鋼框架為主承擔豎向荷載，以混凝土部分來承受風荷載和抗震作用，受力合理，使不同結構具有各自不同的特點。在我國高層建筑中，根據結構受力特點，在能發揮型鋼混凝土剛度大、承載力大、延性好的部位采用，可以形成框架剪力墻結構、框架核芯筒、框架結構等結構體系[3]。但對于各類結構體系的框架柱，當抗震等級為一級，設防烈度為9度，框架柱全部結構構件應采用型鋼混凝土結構。

鋼管混凝土結構構件以它的經濟、輕巧、良好的抗震性能和簡單施工方法廣泛用于高層建筑中，采用鋼管混凝土后，柱截面尺寸大大減小，擴大了使用空間，柱的抗壓和抗剪承載力較高，且地震反應小，利于抗震，同時還降低了地基基礎的造價。施工簡單可行，縮短了工程周期，因為零件少，柱腳構造簡單，焊縫短，加上成功運用的泵送混凝土及高位拋落無振搗施工工藝，混凝土的施工質量得到很好的保證。

6 結束語

隨著我國工程建設行業技術的不斷增強，新型材料和新的組合方式不斷涌現，還會出現新的組合結構，在目前的土木工程領域內，鋼-混凝土組合結構在房屋高層建筑得到廣泛應用，從經濟與實用的角度來看，組合結構具有非常大的經濟性和實用性。今后在實踐過程中，對組合機構要進行深入研究并加以改進，不斷探索新的組合方式，并為城市居民營造安全的生活場所。