钢-混凝土组合结构在高层建筑中的设计及应用探讨

颜世辉

天津市东丽区住房和建设委员会 天津 300000

在我国，城市化建设速度明显加快，房屋建筑高度增高，结构体系、形式的选择变得更加重要，以钢与混凝土为主的结构是组合结构的典型成果之一。在激烈的市场竞争中，如何处理好组合结构的设计及布置，在高层建筑应用中起着重要作用。

1 钢-混凝土组合结构概述

钢-混凝土组合结构是由钢材（含轧制及焊接成型的型钢、钢筋）和混凝土组成的结构。组合结构具有能发挥不同材料的优良性能，钢材和混凝土的利用比较充分，受力合理，造价低，稳定性好，抗震性能也好，以及施工方便，建造速度快等特点。组合结构以其优良的结构性能显示了未来的发展潜力和发展前景，已经成为高层建筑的新的结构类型。

钢-混凝土组合结构有两种形式：一种是型钢-混凝土组合结构，即混凝土内配置型钢、纵向钢筋和箍筋的结构；另一种是钢管混凝土组合结构，即在钢管中充填混凝土形成的结构[1]。

2 钢-混凝土组合结构性能的比较

（1）与钢筋混凝土结构相比，组合结构构件尺寸小，占用建筑面积和净高小，施工速度快，抗震性能好，但组合结构施工技术要求高。综合地考虑，组合结构还是有明显的优势。

（2）与钢结构相比，组合结构整体刚度大，结构的防火、防腐性能也好于钢结构。然而组合结构也有不足之处：混凝土用量大，自重大，基础工程量大；施工要求严、复杂。

（3）对比组合结构与钢筋混凝土结构和钢结构之间的经济指标时，应全面分析比较。既应考虑地区人工费与材料加工费的关系，还应综合比较使用效益高低。

3 钢-混凝土组合结构的设计过程

组合结构的设计过程基本与钢筋混凝土结构的设计过程相同，首先对建筑结构合理简化后进行整体结构力学分析，然后根据力学分析结果，分别对柱、梁和节点等组合构件进行设计，使其满足承载力和正常使用极限状态的要求。在进行组合结构整体设计分析时，组合构件的轴向刚度、抗弯刚度和抗剪刚度，可采用钢截面部分的刚度与钢筋混凝土部分的刚度叠加确定。

应用最广泛的组合结构体系是型钢-混凝土组合结构体系。此结构的设计重点是处理好与不同结构材料的连接节点，避免因结构类型改变造成承载力及刚度的突变。因下半部选用型钢混凝土柱，上半部选用钢筋混凝土柱的其他框架，刚度和承载力突变处易破坏，所以，设计中应重点考虑过渡层构造。采用型钢-混凝土组合结构房屋的最大适用高度可比规定的最大适用高度值略有提高，当全部构件均采用型钢混凝土结构时，除设防烈度为9度外，房屋最大适用高度可相应提高30%。为保证型钢与混凝土共同作用，应采取如下设计措施：①在型钢上翼缘处焊接抗剪连接件；②配置充满型实腹型钢；③加强对混凝土的约束，配置必要的纵向钢筋和箍筋；④限制型钢的宽厚比。

4 组合结构的布置要求

（1）平面布置。从抗震的角度，组合结构房屋的平面宜简单规则，宜采用风压体型系数较小的平面形状；从方便制作的角度，宜减少构件的规格，以有利于制作和施工；结构平面布置尽量减少偏心，使结构的抗侧力中心与水平荷载的合力中心重合，否则应考虑扭转影响。柱网布置时，钢柱截面不宜过大，钢板厚度宜小于100mm[2]。对于较高高层建筑，采取构造和施工措施，宜调整平面形状和尺寸，最好不设温度变形缝，当需要设缝时，应划分独立结构单元，满足设缝的构造要求。

（2）竖向布置。高层建筑结构沿高度方向宜规则，均匀，避免有过大的外挑或突变，有利于抗震和抗风。抗侧力构件的刚度自下而上减少，剪力墙厚度也应减小，不应采用突变的筒体或者框支剪力墙。竖向支撑应自下而上连续、均匀布置。支撑的形式宜上下一致，通常沿竖向布置几道加强层，加强层可采用外伸桁架形成。从抗震抗风角度考虑，对于高宽比还要做出限制，一般不宜超过10。

5 钢-混凝土组合结构在高层建筑中的应用

型钢-混凝土组合结构在高层建筑的各种结构体系中可以全部采用，也可以在某些局部部位或某几层采用。型钢混凝土结构构件可与钢结构构件组合，也可以与钢筋混凝土结构构件组合，它把钢结构的构件轻的长处、强度高和钢筋混凝土抗剪性能和防火性能好的优势组合起来，以钢框架为主承担竖向荷载，以混凝土部分来承受风荷载和抗震作用，受力合理，使不同结构具有各自不同的特点。在我国高层建筑中，根据结构受力特点，在能发挥型钢混凝土刚度大、承载力大、延性好的部位采用，可以形成框架剪力墙结构、框架核芯筒、框架结构等结构体系[3]。但对于各类结构体系的框架柱，当抗震等级为一级，设防烈度为9度，框架柱全部结构构件应采用型钢混凝土结构。

钢管混凝土结构构件以它的经济、轻巧、良好的抗震性能和简单施工方法广泛用于高层建筑中，采用钢管混凝土后，柱截面尺寸大大减小，扩大了使用空间，柱的抗压和抗剪承载力较高，且地震反应小，利于抗震，同时还降低了地基基础的造价。施工简单可行，缩短了工程周期，因为零件少，柱脚构造简单，焊缝短，加上成功运用的泵送混凝土及高位抛落无振捣施工工艺，混凝土的施工质量得到很好的保证。

6 结束语

随着我国工程建设行业技术的不断增强，新型材料和新的组合方式不断涌现，还会出现新的组合结构，在目前的土木工程领域内，钢-混凝土组合结构在房屋高层建筑得到广泛应用，从经济与实用的角度来看，组合结构具有非常大的经济性和实用性。今后在实践过程中，对组合机构要进行深入研究并加以改进，不断探索新的组合方式，并为城市居民营造安全的生活场所。