论高层建筑钢与混凝土组合结构设计浅析

论高层建筑钢与混凝土组合结构设计浅析

张默然

身份证号码： 37011219831207**** 250000

摘要：钢-混凝土组合高层结构的设计是一个复杂的过程。只有充分了解复合材料结构的概念、结构特点、构件设计和结构要求，以及混凝土和钢材对结构的影响，并得到设计者足够的重视，才能更好地进行设计。

关键词：高层建筑；钢与混凝土组合结构；设计

前言

混凝土构件和钢结构构件构成高层建筑的各种混合结构系统，具有强度，良好的延展性，轻质的构件，较大的侧向刚度，抗剪强度，钢筋混凝土结构的强度和耐火性等。它广泛用于高层建筑中，可以形成结构体系，例如框架结构，框架剪力墙结构，底部的大空间剪力墙结构以及框架芯管结构。

1结构布置

高层建筑有很多楼层，而且高度很高。结构应沿高度方向均匀，规则或逐渐收缩，没有突然变化或较大的悬挂，以利于抗风和抗震。钢筋混凝土芯管和剪力墙是侧向阻力的主要组成部分，因此应从底部到顶部减小刚度，并应逐渐减小剪力墙的厚度，并且不应使用底架剪力墙或刚度。立柱和钢框架的垂直支撑应从下到上连续均匀地布置，除底层和顶层，加固层和不规则层的较大空间部分外，支撑形式和布局应从上到下保持一致。通常，为了减少结构的横向位移和混凝土内管的弯矩，垂直布置了多条直线。钢筋混凝土复合结构的结构布置分为平面布置和垂直布置。高层建筑的结构平面布置和结构布置应为力使横向力的中心与水平荷载的合力的中心重合，以减小偏心率。对于结构的竖向布置，当采用钢筋混凝土组合结构时，与普通钢筋混凝土结构相比，可以最大程度地提高房屋的最大适用高度。当所有结构构件都是钢筋混凝土结构，包括钢筋混凝土框架和钢筋混凝土，当复合结构由圆柱体组成时，最大可应用高度可增加30%，但加固强度为9%-40%。

2组合构件设计

钢-混凝土组合结构的设计包括梁、柱和节点的设计。下面是对钢-混凝土结构的分析。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、截面高度较高时，为节约钢材、减轻重量，可采用桁架式空心钢混凝土梁。钢筋混凝土柱应考虑混凝土的使用，混凝土、钢筋、型钢的组合计算十分复杂。计算模型通常有两种思路：强度叠加模型和变形协调模型，在中国，已经采用了简单的变形协调模型。钢筋混凝土柱的钢筋配筋率不应太小。只有固定钢筋的数量，钢-混凝土组合构件才能比钢筋混凝土构件具有更高的承载能力和更好的性能。伸长时，必须在组件上设置一定数量的纵向钢筋，以在混凝土中形成钢筋混凝土梁柱节点和纵向钢筋。在钢筋和箍筋的约束下，由于钢腹板和翼缘对混凝土的限制，混凝土的抗剪强度得到了显著提高，并且混凝土的存在还确保了钢腹板不会局部弯曲，因此通常只使用芯钢，可以满足节点的抗剪强度要求，箍筋的作用主要是确保纵向钢筋不会弯曲，节点设计的主要目的是计算节点的抗剪承载力和抗弯承载力。

3组合结构对混凝土的要求

复合结构需要更高等级的混凝土。为了满足结构载荷要求并节省工程成本，通常在结构设计中，上下柱或柱梁的混凝土使用不同强度等级，混凝土强度通常不低于C30。柱的横截面尺寸增加了柱的承载能力，通常使用高级混凝土。为了增加混凝土的强度，可以添加硅粉。另外，可以添加增塑剂以增加坍落度。混凝土柱由轴向压缩比控制。较大的横截面尺寸使建筑物布局困难。钢结构重量轻。钢的体积大，成本高，结构刚度小，侧面大。

如果辅助梁的跨度和载荷较大，或者结构为异形梁，或者辅助梁为悬臂梁，则可以将辅助梁和主梁刚性连接，从而使辅助梁成为连续梁，可以节省更多的钢材，并减少次梁的挠度。此时，辅助梁的剪切力仍传递到主梁，并且辅助梁末端的弯矩直接传递给相邻的两跨辅助梁。位移大的优点包括钢结构和混凝土结构体系。这是两者优点的结合。对于框架，支撑和其他组件，强弱节点的承载能力高于组件的承受能力，并且节点的保障先于组件的保障。这种钢-混凝土复合结构在高层建筑中具有突出的优势，即具有很强的抗震性。影响抗震性的因素很多。地质，水文和冻结是影响高层建筑中钢-混凝土结构抗震性能较强的因素。

4混合结构体系的创新与应用

4.1结构体系新理念———偏钢结构属性混合结构的提出

偏钢结构属性混合结构是指由钢构件或外包钢-混凝土构件组成的混合结构体系。其主要特点是此类结构是由“不开裂”的组合构件组成，其抗震性能接近于钢结构的抗震性能，具有较高的承载力和良好的延性，与其他混合结构相比，具有更好的力学性能。外包钢-混凝土构件是指外部均匀配置钢板或钢管、内部浇筑混凝土的构件。在钢管或钢板组成的空间内浇筑混凝土增强了外包钢板的整体性和稳定性，钢材的强度能够充分发挥，优于钢筋混凝土结构且构件外围不产生裂缝。在工程中应用得较多的是钢管混凝土柱，关于钢管混凝土柱已有较多的研究成果和实践经验，现阶段已较成熟。为了解决超高层建筑结构体系优化的问题，一些新型的混合结构形式，如前所述的排钢管钢板混凝土剪力墙、带约束拉杆异形钢管混凝土(墙)柱、钢管混凝土与双钢板组合空实结合剪力墙等，在建筑中也逐步得到了应用。但现阶段，对其抗震性能的试验研究、理论研究以及设计方法的研究较少，国内规范对其设计指标尚未给出明确的规定，与普通混合结构相比，其设计指标如结构最大适用高度、扭转不规则程度分类及限值、弹性层间位移角限值、弹塑性层间位移角限值、抗震等级等可以有所放松，放松程度介于钢结构与钢筋混凝土结构之间。

4.2框架-密式异型短肢钢板墙结构

框架-密式异型短肢钢板墙结构主要由异型短肢钢板剪力墙、连梁和楼层板组成。钢板墙采用外包钢板混凝土组合剪力墙，钢板墙墙肢较短，一般不超过3m，墙肢与墙肢之间通过钢-混凝土组合连梁联系。钢板墙外包钢板间通过栓钉、加劲肋或约束拉杆等措施加强钢与混凝土协同工作，同时防止钢板局部屈曲，钢板墙平面投影形状可以为一字形、T形、L形、十字形及相应的弧形。外包钢板混凝土组合剪力墙采用高强螺栓分节组合连接，既能承受水平力，也可避免竖向焊缝。框架-密式异型短肢钢板墙结构技术创新点如下:1)构造合理，抗震延性好;2)整片墙体分离成短肢钢板墙，加工制作简单，焊接量少，整肢一次吊装，方便施工运输及吊装;3)外包钢板混凝土组合剪力墙、连梁内浇灌混凝土，提高内筒刚度，利于结构抗震;4)外包钢板混凝土组合剪力墙采用高强螺栓分节组合连接，既能承受水平力，也可避免竖向焊缝，方便施工。框架-密式异型短肢钢板墙结构克服现有钢板墙核心筒墙肢较长、现场焊缝较多、构造复杂的不足，提供了一种构造简单、合理的钢板墙核心筒结构形式，而且能够避免现场钢板墙超长竖向焊缝焊接工序及墙上开设备洞口，核心筒施工速度也不会因变形而受楼层平面结构施工影响;可以实现工业化，提高施工速度。

结束语

钢-混凝土混合结构在工程中的应用也将会越来越普遍。但是，现阶段对混合结构全面系统的研究工作尚不充分，混合结构的许多技术突破了我国现行结构设计规范的要求，实践走在了理论的前面。需要继续对组合结构构件、混合结构体系、关键节点连接技术的工作机理、抗震性能、设计方法及构造措施等进行全面深入研究，解决理论落后于实践的状况。

参考文献：

［1］汪大绥，周建龙．我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望［J］．建筑结构学报，2010，31(6):62-70．

［2］王翠坤，田春雨，肖从真．高层建筑中钢-混凝土混合结构的研究及应用进展［J］．建筑结构，2011，41(11):28-33．