高层建筑钢—混凝土混合结构科学应用略论

韩功卿

（大连弘艺规划建筑设计研究有限公司）

高层建筑钢—混凝土混合结构科学应用略论

韩功卿

（大连弘艺规划建筑设计研究有限公司）

钢——混凝土混合结构是我国目前在高层建筑领域里应用较多的一种结构型式。钢结构和混凝土结构各有所长，前者具有重量轻、强度高、延性好、施工速度快、建筑物内部净空气大等优点，而后者刚度大、耗钢量少、材料费省、防火性能好。综合利用这两种结构的优点为高层建筑的发展开辟了一条新途径。本文主要研究如何科学利用这一结构。

钢—钢筋混凝土组合结构；住宅；应用

人类建筑史上传统的结构形式主要有：木结构、砖石（砌体）结构、钢筋混凝土结构和钢结构等四类。随着建筑科学技术的发展，钢——混凝土结构最早于1972年用于芝加哥的Gateway Ⅲ Building（36层137米），我国至80年代才将钢结构用于高层建筑，目前已建成或在建的高层结构建筑（约有40余幢）中，有一半以上采用的是钢—混凝土混合结构。该种新型建筑结构，充分发挥了钢材和混凝土的材料特性，具有施工简便、工期短、结构性能好、承载力高、抗震性能好、节约钢材的特点，已成为21世纪住宅建筑中最为实用和主要的结构形式。

1.钢—混凝土混合结构在高层建筑中的应用

1.1 工程实例

某大厦是一集商住两用于一体的综合性大楼，建筑 176，100m2，主楼地上59层，地下4层，高231.5米。主楼结构的地上部分为中央钢筋混凝土剪力墙组成的八边形核心筒体和外框的八个钢骨混凝土巨型组合柱、八根钢巨型柱及钢梁。核心筒体的厚度由下至上逐步减小，从750mm到350mm。核心筒腹部剪力墙呈井字形布置，起至地下三层，终止于四十二层，厚度为 350mm，是典型的钢-混凝土混合结构。其平面位置通过转换钢柱11次转换，逐步向核心筒内收。楼板为钢梁、金属压型钢板组合楼板，一般跨度为4.5m.大楼的主要抗侧力构件为中央钢筋混凝土筒体，混凝土结构提供了非常好的质量与刚度比以及内在动力阻尼特性，大大减小了风荷载引起的结构动力反应，对抗风设计相当有利，不仅满足了风荷载下的位移和强度要求，也满足了建筑物的舒适度要求。竖向荷载承重构件采用钢结构，则大大减轻了结构自重，并且加快了施工速度。

图1 办公楼标准层平面梁、柱布局图

1.2 高层钢—混凝土混合结构特征与优势分析

侧向刚度大于钢结构。钢—混凝土混合结构由于设置一定数量的钢筋混凝土剪力墙或核芯筒作为主要抗侧力结构,其侧向刚度大于一般钢结构,会大幅度地减小风荷载作用下的建筑物侧移和风振加速度。

抗震性能优于混凝土结构。位于地震区的高层建筑,当采用钢—混凝土混合结构,将外圈框架或框筒改用钢构件或组合构件,可加大结构的延性,提高结构的抗震可靠度。

减少用钢量。高层建筑采用钢—混凝土混合结构,既保持了钢结构截面尺寸小的优点,又在不增大用钢量的情况下,加大了结构体系的抗推刚度,造价还有所降低。统计分析表明，其用钢量约为钢结构的75%。

结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。根据我国国情,钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构。钢—混凝土混合结构钢材用量小于钢结构,又可节省部分防火涂料费用,因此,钢—混凝土结构的造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。

施工速度比钢筋混凝土结构有所加快。钢—混凝土混合结构的施工特点,可将混凝土核芯筒安排先行施工,且施工进度也安排快于周边钢结构的安装。同时在钢—混凝土混合结构中的柱、梁采用钢构件或组合构件,楼板结构采用在压型钢板或预制板上现浇混凝土。因此,钢—混凝土混合结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构,施工周期缩短。

结构面积小于钢筋混凝土结构。随着建筑层数的增多，结构体系的框架柱内力将达到很大数值。若采用钢筋混凝土柱，其截面尺寸会达到难以接受的程度，不仅占用较多的建筑使用面积，而且不便于建筑平面布置，给楼层使用带来困难。试验和分析结果表明：用钢管混凝土柱替代钢筋混凝土柱，将减小柱子的截面尺寸，从而取得良好的使用效果。由于钢—混凝土混合结构中组合柱或钢柱承担较小的水平剪力，其截面甚至可小于钢结构中的柱子。

发挥组合构件的强度和刚度作用。钢—混凝土混合结构工程中采用矩形截面及圆形截面的钢管混凝土柱组合构件,既提高了柱的承载力,又提高了柱的抗推刚度和相应的结构侧向刚度,也有利于提高柱的防火能力。

图2 梁柱连接构造示意图

符合发展住宅产业化的方向。钢—钢筋混凝土组合结构住宅体系从根本上改变了传统建筑业以手工作业为主的小生产方式，基本实现了构配件生产的工厂化，施工的机械化。能够进行标准化的设计、系列化的开发、集约化的生产、社会化的供应，为住宅产业现代化探索出一条途径。

经济效益显著。经测算该体系住宅建筑的造价仅为1100～1200元/平方米。其结构含钢量一般为40～45kg/m2。结构自重轻，一般为650kg/m2。施工周期短，一般可缩短30%～50%。

2.钢—混凝土混合结构在住宅应用中有待研究的问题

目前一些对混合结构的静力、动力和弹塑性分析方法都是建立在楼板绝对刚性和结构规则布置无扭转的假设前提下用简化平面法进行分析。随着住宅建筑个性化发展，经常遇到考虑楼板变形和扭转问题，要求我们建立一种新的分析模型和计算格式。

组合体系中剪力在钢框架和剪力墙之间的分配比例和要求，关系到该体系的安全和经济问题，现行国家有关规范只有一个笼统的不区分抗震等级对钢框架剪力值的要求。应研究不同抗震等级和抗风要求的钢框架和混凝土核心筒的剪力合理分配比例。

对于工程设计特别关心的层间位移限值，与结构布置、使用材料性能以及建筑高度等有关，尤其是强震作用下的弹塑性位移，还没有规范提出相应的限值规定。钢框架和混凝土墙体的连接方式，对结构体系的分析、设计和施工等有重要的影响，值得研究并通过一定的试验和理论确定。

就结构的稳定性、合理性、经济性来说，对于钢－钢筋混凝土组合结构，应考虑地基—基础—上部结构共同作用，探索出一套合理的分析方法和设计技术，并通过实际工程检验。

确定适宜的层间位移限值。我国有关混合结构的规程正在修编，高层住宅建筑钢结构规程没有列出对钢—钢筋混凝土结构的设计规定，但对以钢筋混凝土结构为主要抗侧力构件的结构，高层建筑混凝土规程则提出其侧移限值的要求，规定为等同于相当高度的钢筋混凝土高层建筑结构体系的要求。确定适宜的层间位移和顶点位移限值是该结构体系规程的重要内容之一。

高层钢—钢筋混凝土组合结构住宅，由于自身特性与公共建筑有较大区别。要实现国家建筑科技计划使钢结构在建筑业有所发展，必须从占建筑业大头的住宅方面有所突破。根据住宅体系的特点对结构进行优化，为组合结构住宅提供设计参考和工程实践经验，尚有工作可做。

[1]管昌生,王辉,余地华,张志明.117大厦巨型柱钢管混凝土结构的施工过程模拟[J].混凝土.2013(08)

[2]王新良,周伟,冒鹏飞.高层钢—混凝土组合结构体系性能研究[J].山西建筑.2012(36)

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