型钢混凝土组合结构的应用与发展

朱小路

摘 要：本文对型钢混凝土组合结构的优点、设计及发展做了简要的介绍。

关键词：型钢混凝土；抗震性能；延性

近年来，随着高层建筑的不断涌现，型钢混凝土组合结构在高层建筑中的应用越来越多了。

所谓型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）组合结构是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构。型钢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混凝土（Reinforced Concrete，简称RC）构件基本相同。因此，目前在抗震结构中多采用实腹式SRC构件。实腹式型钢可由钢板焊接拼制而成或直接采用轧制型钢。下面介绍一下型钢混凝土组合结构的应用：

1 型钢混凝土组合结构的优点

（1）型钢混凝土组合结构与钢结构相比，具有以下优点：

①耐久性、耐火性均优于钢结构，型钢外包的混凝土，可取代刚结构所涂的防锈和防火涂料，混凝土蓄热能力强，耐久性能好。

②节约钢材，可节省钢材50%甚至更多。

③兼做摸板支架，在混凝土尚未浇注前已形成钢架，具有承载力，可用作摸板支架和操作平台。

（2）型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构相比，具有以下优点：

①整体工作性能好，型钢骨架与外包混凝土形成整体，共同受力。

②承载力高，截面小，钢筋混凝土构件受配筋率的限制，提高承载力的途径只能是加大截面尺寸，而组合结构可以设置较大的型钢，提高构件承载力，更能满足高层及超高层建筑设计的需要。

③型钢混凝土组合结构施工进度快，工期短。

④构件的延性好，抗震性能更优越，由于构件中型钢的作用，组合结构的延性远大于钢筋混凝土结构。

2 型钢混凝土组合结构设计要点

（1）抗震设计时，应采取有效措施确保混凝土筒体的承载力和延性。

①混合结构体系的高层建筑，7度抗震设防且房屋高度不超过130m时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱；7度抗震设防且房屋高度大于130m及8度，9度抗震设防时，应在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱。

②为了保证钢筋混凝土筒体的延性，可采取下列措施：a.保证钢筋混凝土筒体角部的完整性，并加强角部的配筋；b.通过增加墙厚控制筒体剪力墙的剪应力水平；c.剪力墙的端部设置型钢柱，四角配以纵向钢筋及箍筋形成暗柱；d.筒体剪力墙配置多层钢筋，必要时在楼层标高处设置钢筋混凝土暗梁；e.采用型钢混凝土剪力墙或带竖缝剪力墙；f.筒体剪力墙的开洞位置应尽量对称均匀；g.剪力墙洞口处的连梁采用交叉配筋方式或在连梁中设置水平缝。

（2）增强外围框架的刚度及承载力混合结构高层建筑中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接，以增强外围框架的侧向刚度及水平承载力。

（3）设置外伸桁架加强层。

采用外伸桁架加强层可以将筒体剪力墙的部分弯曲变形转换成框架柱的轴向变形，以减小水平荷载作用下的侧移，所以外伸桁架应与筒体剪力墙刚接且宜伸入并贯通抗侧力墙体，同时应布置周边桁架以保证各柱受力均匀。因而外伸桁架宜分段拼装。

（4）钢框架柱地震剪力调整。

抗震设计时，钢框架—钢筋混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小者；型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体各层框架柱所承担的地震剪力，应符合钢筋混凝土框架—剪力墙结构中框架柱的相应规定。

3 型钢混凝土组合结构的构造分析

怎样保证型钢混凝土组合结构可以积极发挥出它的优越性，让预期的力学模型得以实现，其中关键之处是构造。对于型钢混凝土的构造，能够划分为节点构造及杆件构造两种。

（1）节点构造分析：

对于节点构造，其主要就是梁柱连接节点域的构造，经常表现为下面的形式：型钢混凝土柱、梁和型钢混凝土梁、柱或者鋼筋混凝土梁、柱的连接。对于型钢混凝土梁柱在节点区的连接，在节点中，内置型钢应该使用刚性连接。在节点处柱内型钢对应着梁内型钢的上下翼缘的地方，需要进行水平加劲肋的设置，其厚度大于或者等于梁内型钢翼缘板厚度，为了保证混凝土浇筑方便起来，对于水平加劲肋，应该在角部进行排气孔的设置。

（2）杆件构造分析：

对于杆件构造，怎样保证外包混凝土与内置型钢构成整体是其要重点解决的问题。一些实验证明，混凝土和型钢间的粘结应力仅为混凝土和圆钢之间粘结应力的一半。所以为了确保型钢和混凝土一起进行工作，应进行剪力连接件的设置，圆柱头栓钉是较为常用的。对于内置型钢自身，应该重视下面几点：①为使内置型钢的最大强度得到发挥，内置型钢的翼缘板不应该开洞。腹板开洞应该焊接钢板进行增强；②全部焊接需要钢厂进行制作，现场施焊是不合适的，进而使焊缝的焊接质量得到良好保证；③内置型钢的接长还应和梁柱的节点区域避开。

在构造设计过程中，需要达到的目的是：施工便利、一起作用、构造简便以及传力可靠。

那么再介绍一下我国SRC结构的应用与研究：

20世纪50年代初，我国从前苏联引进了SRC结构，后由于片面追求节省钢材，于60年代末几乎停止使用。80年代后，随着我国建筑业的迅猛发展，SRC结构在全国兴起，北京、上海、江苏等省市的高层建筑中应用了SRC和RC的混合结构，取得了良好的经济效果。“劲性钢筋混凝土结构性能及设计方法”课题，自1987年开始，在查阅各国有关规范、研究成果、工程应用基础上，进行了系统的试验研究。

通过以上系统研究，取得了一系列的研究成果，并在一些高层建筑工程中应用。经过几年的研究和工程实践，参考日本钢骨混凝土设计标准，1998年我国冶金部颁布了我国第一部YB9082297钢骨混凝土结构设计规程。此规程基本沿用了日本标准的设计方法，包括其名称在内。将型钢作为等效钢筋，参照我国的混凝土规范及国外有关规范，2002年建设部颁布了JGJ3822001型钢混凝土组合结构技术规程。此规程中的设计方法与我国的混凝土规范相近。

随着型钢混凝土构件研究的深入及计算理论的逐步成熟，近年来，型钢混凝土的研究逐步由构件转向体系，由普通混凝土转向高性能混凝土，由单一型钢混凝土体系的研究转向型钢混凝土与混凝土、钢及预应力技术相组合所产生的新结构体系的研究，预应力型钢混凝土技术也由此发展起来。

我国是一个人口大国，所以对建筑的追求也各具特色。在节能减排成为主旋律的今天，使用高性能的结构形式必然是建筑业的发展趋势。所以，今后我们会投入更大的精力去探索与研究。