论高层建筑钢与混凝土组合结构设计浅析

随着高层建筑结构层数增多，高度加大，结构体系、形式的选择变得更加重要，钢筋混凝土结构虽然具有良好的受力性能，造价也比较低，但是自重过大，尤其是对于在软土地基及抗震要求较高的地区，混凝土柱因受轴压比控制，截面尺寸比较大，使建筑布置困难。钢结构具有自重轻、抗震性能好的优点，但用钢量大、造价高、且结构刚度较小，侧移较大;而以钢与混凝土为主的组合结构体系正将两者的优势结合起来，取长补短，因此日益为人们所重视。

一、结构特点

钢与混凝土结构，由混凝土、型钢或钢管、纵向钢筋和箍筋组成，它以型钢或钢管为骨架，外包或内填混凝土形成组合构件，可用作墙、柱、梁等不同用途，它通过连接件或材料间的粘结力使钢部件和混凝土部件一起共同受力和变形，混凝土材料的抗压性能好，但抗拉抗裂性能差，而钢材正具备良好的抗拉压性能，把他们合理、可靠地连接在一起，就能够得到性能良好的组合构件。型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、钢梁部件和支承于其上的混凝土翼板所构成的组合楼面梁等都是被广泛使用的劲性钢筋与混凝土结构的典型形式。

上述结构可与普通钢筋混凝土构件，钢结构构件共同组成各种高层建筑混合结构体系。它把钢结构的强度高，延性好，构件轻巧的长处和钢筋混凝土结构抗侧刚度大，抗剪性能和防火性能好的优势组合起来，以大刚度的混凝土部分来承受风荷载和地震作用，以高强度的钢框架为主承担竖向荷载，在高层建筑中得到了广泛的应用，可以形成框架结构，框架-剪力墙结构，底部大空间剪力墙结构，框架核心筒结构等结构体系，但对各类结构体系的框架柱，当房屋的设防烈度为9度，且抗震等级为一级时，框架柱的全部结构构件应采用型钢混凝土结构。

二、结构布置

高层建筑的层数多，高度大，结构应沿高度方向均匀、规则或逐渐内收，不要突变或者较大的过挑，以利于抗风，抗震。钢筋混凝土核心筒和剪力墙作为主要的抗侧力构件，刚度宜自下而上逐减，剪力墙的厚度也应逐渐减薄。不应采用刚度突变的底层框支剪力墙或筒体。钢框架部分的竖向支撑宜自下而上连续、均匀地布置。除底层部分，顶层大空间部分，加强层和不规则楼层外，支撑的形式和布置宜上下一致。通常，为减小结构的侧移和混凝土内筒的弯矩，会沿竖向布置几道加强层。钢与混凝土组合结构的结构布置分为平面布置和立面布置。①结构的平面布置。高层建筑的结构平面布置应力求使结构的抗侧力中心与水平荷载的合力中心重合，尽量减少偏心，否则应考虑扭转的影响。②结构的立面布置。采用型钢混凝土组合结构时，房屋最大适用高度可比普通钢筋混凝土结构的高度限制适当提高，当全部结构构件均采用型钢混凝土结构，包括型钢混凝土框架和钢筋混凝土筒体组成的混合结构，除设防烈度为9度外，房屋最大适用高度可相应提高30%-40%。

三、组合结构构件设计

钢与混凝土组合结构的设计包括梁，柱及构件节点的设计，以下以型钢混凝土结构为例进行了分析。

1.梁的设计和构造要求。型钢混凝土梁的设计包括抗弯承载力和抗剪承载力的设计，当梁的荷载较大，需要的截面高度较高时，为节约钢材，减少自重，可采用桁架式空腹型钢混凝土梁，其受弯承载力可按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)的有关公式计算，计算中将上下型钢考虑为纵向钢筋，斜腹杆承载力的竖向分力可作为受剪箍筋考虑。

2.柱的设计和构造要求。型钢混凝土柱要考虑由混凝土，钢筋和型钢三者组合起来共同受力，计算比较复杂。它的计算模型一般有两种思路：强度叠架模型和变形协调模型。我国采用的是一种简单的变形协调模型。型钢混凝土柱的型钢配筋率不宜过小，只有配置了一定量的型钢，才能使型钢混凝土构件具有比钢筋混凝土构件更高的承载力和更好的延性，同时构件中也必须配置一定数量的纵向钢筋，以便在混凝土、纵筋、箍筋的约束下的型钢能充分发挥其强度和塑性性能。

3.节点设计。在型钢混凝土的梁柱节点中，混凝土部分的抗剪能力由于钢骨的腹板和翼缘对混凝土的约束而显著提高，而混凝土的存在也保证型钢的腹板不会产生局部屈曲，故一般情况下，仅仅依靠节点核心区型钢的抗剪能力，就可以满足节点抗剪强度的要求，箍筋的作用主要是保证纵筋不发生压屈。节点设计主要是对节点受剪承载力计算和节点处梁柱受弯承载力的控制。

四、组合结构对混凝土的要求

组合结构对混凝土的等级要求比较高，为满足结构承载的要求，节约工程造价，通常在结构设计中对上、下柱或柱与粱的混凝土选择不同强度等级。钢与混凝土组合结构要求混凝土等级一般不低于C30，实际中，工程中为了减少柱的截面尺寸，提高承载力，普遍使用高等级的混凝土，而且，为了提高混凝土的强度，可以加入硅粉，也可以加入塑化剂增加坍落度。

五、结束语

总之，钢与混凝土组合高层结构设计是复杂的过程，只有充分了解组合结构的概念，结构特点，构件设计和构造要求，混凝土和钢对结构的影响，加上设计者的足够重视，才能做出更加优秀的设计。

参考文献：

[1]混凝土结构设计规范(GB50010-2002).2010

[2]中国建筑科学研究院.混凝土结构设计.中国建筑工业出版社.2003

[3]吕西林.高层建筑设计(第二版).武汉理工大学出版社.2003。

[4]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002).2010