论述多高层钢结构中的组合结构形式及特点

沈立波

在高层钢结构中，钢—混凝土组合结构运用得越来越广泛。比如在钢与混凝土组合楼盖中，将混凝土楼板和钢梁通过栓钉等连接件组合在一起，就形成了钢—混凝土组合梁或组合连续梁;或者在钢梁外包裹混凝土组成钢骨混凝土梁共同工作等等。组合结构形式多样，又各有其不同特点。组合结构主要包括组合柱、组合梁和组合楼板。组合柱包括钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱等;组合梁包括钢梁—混凝土楼板组合梁、钢梁—压型钢板混凝土楼板组合梁、钢骨混凝土梁等;组合楼板包括压型钢板—混凝土叠合楼板等，由这些组合结构构件可以构成组合结构体系。

1 钢—混凝土组合梁

1.1 组合梁的特点

承载力高刚度大，抗震性能好。无组合作用下刚度I1=bh3/12+bh3/12=bh3/6。有组合作用，刚度 I2=b(2h)3/12=2bh3/3。刚度比:I2/I1=4.0，刚度提高了3倍。

同混凝土梁相比，减轻自重50%以上，减小地震作用，减小构件尺寸，降低基础造价，减轻自重带来的综合效益相当可观;减小结构高度，施工简化，周期缩短，工厂化制作，不需支模，不需搭脚手架;减少预埋件数量，整体性强，抗剪性能好，抗震性能提高。

同钢梁相比，承载力提高50%以上，刚度提高100%以上，整体稳定性提高，混凝土板作为钢梁的连续侧向支承，局部稳定性提高;耐久性增强，上翼缘被混凝土覆盖，防腐面积减小。

1.2 组合梁截面弯曲强度

1)弹性弯曲强度。换算截面法:把混凝土换算成钢—混凝土截面参数除以模量比n;把钢换算成混凝土—钢梁截面乘以模量比n，n=Es/Ec(钢与混凝土的弹性模量比)。2)极限抗弯强度。按全截面塑性发展进行组合梁截面承载力计算时，钢梁及连续组合梁所配负钢筋的抗拉强度设计值，按《钢结构设计规范》及《混凝土结构设计规范》中相应的规定取值。混凝土强度按《混凝土结构设计规范》中的相应规定取值。对于连续组合梁采用塑性设计方法时，内力调幅系数不超过15%。

钢—混凝土组合梁具有极好的延性，对于完全剪力连接组合梁，在承载力极限状态时，钢梁下翼缘甚至部分腹板已进入强化阶段，并且这部分截面距混凝土压应力合力点的距离最远，故强化效应有利于增大，因此强化效应对弯曲极限强度的提高可以弥补滑移效应引起弯曲极限强度的降低，这就是大部分实测弯曲极限强度与简化塑性理论计算值吻合较好的原因。考虑强化效应的有利影响，滑移效应对极弯曲强度的影响可以忽略不计。

1.3 钢—混凝土连续组合梁

欧洲规范4(EC4)将钢—混凝土连续组合梁定义为:“组合梁具有三个或更多个支座，其中钢梁在内支座处连续或用完全刚性节点连接，而且支座传递给梁的弯矩较小，在内支座处组合梁可以配有受力钢筋或仅有构造钢筋。”当截面构造及荷载条件相同时，连续组合梁相对于简支组合梁的优势主要有:在一定的挠度限值下可以采用更大的跨高比;更有效地控制内支座附近楼板的裂缝宽度;楼板体系整体性能好，抗震及承受动力荷载的能力更强，但连续组合梁负弯矩区会出现混凝土板受拉、钢梁受压的不利情况，需要在设计过程中加以重视。总之，其综合性能相对于钢材受拉、混凝土受压的简支组合梁仍具有优势。

由于混凝土开裂等因素的影响，很难精确计算连续组合梁的内力和变形。采用弹性分析时，考虑刚度分布和截面强度特征，当任何截面的内力达到其弹性强度时，组合梁达到弹性承载力。正弯矩区的刚度与简支梁相同，负弯矩区的刚度仅考虑钢梁和钢筋形成的组合截面。弹性分析的困难在于正、负弯矩区的长度难以确定。

塑性分析可采用极限平衡法:将结构简化为一系列由塑性铰连接的刚性杆组成的破坏机构，直到某一跨形成足够的塑性铰并产生了最弱的破坏机构时连续组合梁达到其承载力。内力分析决定于构件的强度和延性，与截面刚度无关。根据破坏机构和各个塑性铰的抗弯强度，利用极限平衡法可以计算连续组合梁的极限承载力。

2 钢管混凝土

钢管混凝土是由圆形或矩形截面钢管及内填混凝土所构成的。在受力过程中，钢管对混凝土的套箍作用使混凝土处于三向受压状态，从而提高了混凝土的极限强度，并且大大改善了其塑性和韧性;同时由于混凝土的支撑作用可以避免延缓钢管发生局部屈曲，保证了钢材的性能得以充分发挥。钢管与混凝土相互约束，共同工作，提高了构件的整体性能，具有承载力高，延性及抗震性能好等优点。钢管兼有纵向钢筋和箍筋的作用，现场安装方便快捷，同时也可作模板使用，便于浇筑混凝土，因此钢管混凝土具有良好的施工性能，且具有较好的防火性能。钢管混凝土与普通钢筋混凝土结构相比，在保持用钢量和承载能力相近的条件下，构件截面面积可减小约50%，从而增大了建筑的有效使用面积，且极大地减小了构件自重，钢管混凝土与钢结构相比，可节省钢材约50%。因此钢管混凝土结构在高层建筑中得到广泛应用。

3 钢—压型钢板混凝土

3.1 钢—压型钢板混凝土组合板

压型钢板混凝土组合楼板是通过剪力连接件与钢梁连接起来，形成整体共同受力和协调变形的一种新型组合楼板体系。它能充分利用钢材优越的抗拉性能和抗压性能，具有自重轻、塑性和抗震性能好、施工简便和经济效果显著等突出优点。大部分将压型钢板作为永久性模板使用，方便施工，同时作为结构的安全储备，而没有利用压型钢板代替板中的受力钢筋。

3.2 钢—压型钢板混凝土组合梁

压型钢板混凝土组合梁截面形式按压型钢板和钢梁之间的组合方式可以分为压型钢板肋垂直于钢梁;压型钢板肋平行于钢梁;压型钢板倒置;压型钢板顺置。按压型钢板类型可以分为开口型，闭口型，缩口型等。

压型钢板组合梁的优点是:压型钢板作为永久性模板，节省支模、拆模工序和模板，加快施工速度，节省施工费用;在施工阶段，压型钢板作为钢梁的连续侧向支承，增大了钢梁的整体稳定性;压型钢板可以作为施工工作平台，增加施工作业面;压型钢板形成的凹槽可以安放电线、电讯电缆及通风管道等。闭口型压型钢板组合板可以不在板底做吊顶，做吊顶也可以不焊接吊钩。

4 钢骨混凝土

4.1 钢骨混凝土概念

钢骨混凝土(Steel Reinforced Concrete，以下简称SRC)结构是指在钢骨周围配置钢筋，并浇筑混凝土的结构。钢骨分为实腹式和空腹式。实腹式SRC构件具有较好的抗震性能，而空腹式SRC构件的抗震性能与普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete)构件基本相同。

4.2 钢骨混凝土结构特点

与钢结构相比，SRC构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用SRC结构，一般可比纯钢结构节约钢材达50%以上。此外，外包混凝土增加了结构耐久性和耐火性，欧美国家最初发展SRC结构就是出于对钢结构防火和耐久性方面的考虑。

与普通钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，大大提高了构件的承载力，尤其是采用实腹钢骨的SRC构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，提高了结构的抗震性能。

5 结语

一般在建筑工程中所用的组合结构是把结构钢和混凝土巧妙地结合在一起，充分利用钢材和混凝土各自的材料特性，扬长避短。混凝土抗压强度高，抗拉强度低，脆性大，延性差;钢材抗拉强度高，延性好，受压易失稳。广泛应用于建筑、桥梁结构、地下结构、结构加固与改造等领域，应用前景广阔，综合效益好。

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