淺析高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盧 澤

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

引言

在高層建筑中，提高高度和結(jié)構(gòu)不斷變化的條件下，選擇好的結(jié)構(gòu)形式和體系是非常重要的一項(xiàng)工作，目前混凝土結(jié)構(gòu)得到了非常廣泛的應(yīng)用，盡管具備很好的受力性能，并且建設(shè)造價(jià)成本比較低，結(jié)構(gòu)剛度比較小，造價(jià)成本比較高，因此應(yīng)該將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合在一起，就能保證應(yīng)用效果更好。

1 鋼-混凝土結(jié)構(gòu)特征

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種特殊類型的結(jié)構(gòu)，它是將鋼筋置于型鋼周圍并澆筑混凝土，具有承載力高、彈塑性好、剛度大、斷面尺寸小等特點(diǎn)。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)主要為：全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，適用于框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、中筒結(jié)構(gòu)等。

2 鋼-混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

和傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼受到周圍混凝土的共同載荷，提升了型鋼受壓穩(wěn)定性，同時(shí)也提升了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火性，因此型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：優(yōu)良的耐久性和耐火性；結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性好。

與普通鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)由于同混凝土相互作用受力，增加了混凝土的強(qiáng)度和型鋼的強(qiáng)度，改善了混凝土本身不利于抗震的特性，增加了組合結(jié)構(gòu)的抗震性能；由于在型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼和鋼筋混凝土共同作用，利用其型鋼固有的強(qiáng)度和延性，使型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)具備了承載力大、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)。還有一點(diǎn)是型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，可大大的節(jié)約鋼材，型鋼混凝土框架比鋼框架可節(jié)省鋼材達(dá)50%或者更多一些。

3 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)布置

高層建筑的高度較高、層次多，結(jié)構(gòu)需要按照其高度方向以規(guī)則、均勻的方式。鋼-混凝土剪力墻是其中主要的抗側(cè)力構(gòu)建類型，從下到上其剛度逐漸遞減，且剪力墻厚度也需要適當(dāng)減薄處理。鋼框架部分豎向支撐需要按照從下到上的方式以均勻、連續(xù)的方式布置以及底層部分，要保證支撐在布置以及形式方面具有上下一致的特征。通常情況下，為了實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)筒以及結(jié)構(gòu)側(cè)移彎矩的減小，需要沿著豎向方向?qū)椎兰訌?qiáng)層進(jìn)行布置，而鋼-混凝土結(jié)構(gòu)也將分為立面以及平面兩種布置類型：第一，結(jié)構(gòu)平面布置。建筑結(jié)構(gòu)的平面布置將保證所產(chǎn)生水平荷載的中心與結(jié)構(gòu)側(cè)向力的中心根據(jù)其應(yīng)力布置相互重疊，減小偏心。第二，應(yīng)用鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，如所有構(gòu)件均使用鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，包括混凝土筒體和鋼-混凝土框架結(jié)構(gòu)，需要設(shè)防烈度9 度，根據(jù)實(shí)際需求增加房屋最大高度30-40%。

4 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：

第一，梁設(shè)計(jì)與構(gòu)造需求。在型鋼混凝土中，包括降低承載力和抗彎承載力設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面，如果梁本身負(fù)荷較大，為了能夠節(jié)約鋼材，可以使用桁架空腹型鋼-混凝土梁，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行抗彎承載力的計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，梁需要型鋼以縱向鋼筋類型進(jìn)行計(jì)算，斜腹桿承載力豎向分離以受剪力箍筋方式進(jìn)行計(jì)算。

第二，柱的構(gòu)造與設(shè)計(jì)要求。型鋼混凝土柱方面，需要由鋼筋、型鋼以及混凝土三者組合的方式受力，在具體計(jì)算方面較為復(fù)雜。在具體計(jì)算中，其主要有變形協(xié)調(diào)模型以及強(qiáng)度疊架模型這兩種，目前，我國(guó)使用的是相對(duì)簡(jiǎn)單的變形協(xié)調(diào)模型。在實(shí)際對(duì)混凝土柱型鋼配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要避免該值過(guò)小。針對(duì)型鋼混凝土柱中的型鋼截面可采用H 形、十字形、箱形焊接型鋼、鋼管等。本工程型鋼混凝土柱采用800X28 鋼管。型鋼混凝土柱的長(zhǎng)細(xì)比不宜大于80，型鋼混凝土柱的型鋼率不宜小于4%，型鋼混凝土柱的縱向鋼筋最小配筋率不宜小于0.8%，且在四個(gè)角應(yīng)各設(shè)置一根直徑不小于16mm 的縱向鋼筋以及型鋼混凝土柱箍筋的構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)滿足高規(guī)2010 中有關(guān)規(guī)定。在平面混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雖然混合結(jié)構(gòu)的豎向變形差要小于相同條件下的混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，但仍必須考慮混合結(jié)構(gòu)的豎向變形差，并且要盡量減小結(jié)構(gòu)的豎向變形差，建議調(diào)整結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的軸壓比，使柱和墻的軸壓比盡可能相近；以及通過(guò)型鋼混凝土框架子結(jié)構(gòu)和混凝土筒體子結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)造，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議使部分梁與型鋼混凝土柱及梁與混凝土筒體之間實(shí)現(xiàn)半剛接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第三，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)中，混凝土抗剪能力因鋼骨翼緣以及腹板的約束作用而具有較大的提升，而混凝土材料的存在，也將保證腹板不會(huì)出現(xiàn)局部問(wèn)題。對(duì)此，在通常情況下，僅僅依靠節(jié)點(diǎn)位置型鋼抗剪能力的存在，即能夠滿足節(jié)點(diǎn)抗減強(qiáng)度方面的需求，且將避免縱筋出現(xiàn)彎曲情況。而節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，即主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)位置梁柱受彎承載力以及受剪承載力計(jì)算的控制。

梁、柱之間的內(nèi)力傳遞主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，因此保證結(jié)構(gòu)安全的前提是節(jié)點(diǎn)的安全、可靠。所以對(duì)梁、柱節(jié)點(diǎn)的受力性能、破壞機(jī)理進(jìn)行研究，使梁、柱節(jié)點(diǎn)之間的構(gòu)造合理、受力明確就顯得尤為重要。受到地震作用時(shí)，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，就會(huì)使這個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的梁和柱都不能正常工作，而且這個(gè)節(jié)點(diǎn)往上各層的梁柱也不能正常進(jìn)行工作。

5 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考

針對(duì)一些示范工程抗震設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)鋼框架-混凝土剪力墻(筒體) 混合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了基于性能的設(shè)計(jì)研究，探索出地震作用產(chǎn)生的剪力在剪力墻子結(jié)構(gòu)和鋼框架子結(jié)構(gòu)的規(guī)律。剪力墻子結(jié)構(gòu)和鋼框架子結(jié)構(gòu)它們的抗側(cè)力能力應(yīng)與抗震設(shè)防水準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，從而體現(xiàn)鋼框架-混凝土剪力墻(筒體) 混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)混合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的新理念，豎向構(gòu)件基于安全極限狀態(tài)和破壞控制極限狀態(tài)設(shè)防水準(zhǔn)設(shè)計(jì)及校核，水平構(gòu)件按使用極限狀態(tài)設(shè)防水準(zhǔn)和避免脆性破壞實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性的控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于混合結(jié)構(gòu)具有多重抗側(cè)力抗震體系的方法。混合結(jié)構(gòu)的薄弱層發(fā)生在建筑底部高度范圍的1/8 內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)給予加強(qiáng)。采用限制混凝土工作承擔(dān)系數(shù)，來(lái)保證鋼管混凝土柱的延性。應(yīng)按照建筑抗震設(shè)防水準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分析和計(jì)算，針對(duì)高層鋼框架-混凝土剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系在豎向重力荷載作用下，框架柱與混凝土墻(筒體) 的豎向差異縮短問(wèn)題?？紤]混凝土的收縮和徐變，施工加載方式工況非線性分析的方法，為減小乃至消除混合結(jié)構(gòu)高層住宅中豎向構(gòu)件差異縮短對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不利影響，提出應(yīng)通過(guò)在設(shè)計(jì)方法和施工措施兩方面采取相應(yīng)的對(duì)策。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)城市不斷發(fā)展的過(guò)程中，建筑工程同樣發(fā)展迅速，建筑高度在不斷增高，規(guī)模在不斷擴(kuò)大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)也有更高的要求，所以需要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將高層建筑鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，利用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)其抗拉、抗壓、抗震、剛度大等特點(diǎn)，確保建筑工程的穩(wěn)定性，大大提升建筑工程的質(zhì)量。