論述多高層鋼結構中的組合結構形式及特點

沈立波

在高層鋼結構中，鋼—混凝土組合結構運用得越來越廣泛。比如在鋼與混凝土組合樓蓋中，將混凝土樓板和鋼梁通過栓釘等連接件組合在一起，就形成了鋼—混凝土組合梁或組合連續梁;或者在鋼梁外包裹混凝土組成鋼骨混凝土梁共同工作等等。組合結構形式多樣，又各有其不同特點。組合結構主要包括組合柱、組合梁和組合樓板。組合柱包括鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱等;組合梁包括鋼梁—混凝土樓板組合梁、鋼梁—壓型鋼板混凝土樓板組合梁、鋼骨混凝土梁等;組合樓板包括壓型鋼板—混凝土疊合樓板等，由這些組合結構構件可以構成組合結構體系。

1 鋼—混凝土組合梁

1.1 組合梁的特點

承載力高剛度大，抗震性能好。無組合作用下剛度I1=bh3/12+bh3/12=bh3/6。有組合作用，剛度 I2=b(2h)3/12=2bh3/3。剛度比:I2/I1=4.0，剛度提高了3倍。

同混凝土梁相比，減輕自重50%以上，減小地震作用，減小構件尺寸，降低基礎造價，減輕自重帶來的綜合效益相當可觀;減小結構高度，施工簡化，周期縮短，工廠化制作，不需支模，不需搭腳手架;減少預埋件數量，整體性強，抗剪性能好，抗震性能提高。

同鋼梁相比，承載力提高50%以上，剛度提高100%以上，整體穩定性提高，混凝土板作為鋼梁的連續側向支承，局部穩定性提高;耐久性增強，上翼緣被混凝土覆蓋，防腐面積減小。

1.2 組合梁截面彎曲強度

1)彈性彎曲強度。換算截面法:把混凝土換算成鋼—混凝土截面參數除以模量比n;把鋼換算成混凝土—鋼梁截面乘以模量比n，n=Es/Ec(鋼與混凝土的彈性模量比)。2)極限抗彎強度。按全截面塑性發展進行組合梁截面承載力計算時，鋼梁及連續組合梁所配負鋼筋的抗拉強度設計值，按《鋼結構設計規范》及《混凝土結構設計規范》中相應的規定取值。混凝土強度按《混凝土結構設計規范》中的相應規定取值。對于連續組合梁采用塑性設計方法時，內力調幅系數不超過15%。

鋼—混凝土組合梁具有極好的延性，對于完全剪力連接組合梁，在承載力極限狀態時，鋼梁下翼緣甚至部分腹板已進入強化階段，并且這部分截面距混凝土壓應力合力點的距離最遠，故強化效應有利于增大，因此強化效應對彎曲極限強度的提高可以彌補滑移效應引起彎曲極限強度的降低，這就是大部分實測彎曲極限強度與簡化塑性理論計算值吻合較好的原因?？紤]強化效應的有利影響，滑移效應對極彎曲強度的影響可以忽略不計。

1.3 鋼—混凝土連續組合梁

歐洲規范4(EC4)將鋼—混凝土連續組合梁定義為:“組合梁具有三個或更多個支座，其中鋼梁在內支座處連續或用完全剛性節點連接，而且支座傳遞給梁的彎矩較小，在內支座處組合梁可以配有受力鋼筋或僅有構造鋼筋?！碑斀孛鏄嬙旒昂奢d條件相同時，連續組合梁相對于簡支組合梁的優勢主要有:在一定的撓度限值下可以采用更大的跨高比;更有效地控制內支座附近樓板的裂縫寬度;樓板體系整體性能好，抗震及承受動力荷載的能力更強，但連續組合梁負彎矩區會出現混凝土板受拉、鋼梁受壓的不利情況，需要在設計過程中加以重視。總之，其綜合性能相對于鋼材受拉、混凝土受壓的簡支組合梁仍具有優勢。

由于混凝土開裂等因素的影響，很難精確計算連續組合梁的內力和變形。采用彈性分析時，考慮剛度分布和截面強度特征，當任何截面的內力達到其彈性強度時，組合梁達到彈性承載力。正彎矩區的剛度與簡支梁相同，負彎矩區的剛度僅考慮鋼梁和鋼筋形成的組合截面。彈性分析的困難在于正、負彎矩區的長度難以確定。

塑性分析可采用極限平衡法:將結構簡化為一系列由塑性鉸連接的剛性桿組成的破壞機構，直到某一跨形成足夠的塑性鉸并產生了最弱的破壞機構時連續組合梁達到其承載力。內力分析決定于構件的強度和延性，與截面剛度無關。根據破壞機構和各個塑性鉸的抗彎強度，利用極限平衡法可以計算連續組合梁的極限承載力。

2 鋼管混凝土

鋼管混凝土是由圓形或矩形截面鋼管及內填混凝土所構成的。在受力過程中，鋼管對混凝土的套箍作用使混凝土處于三向受壓狀態，從而提高了混凝土的極限強度，并且大大改善了其塑性和韌性;同時由于混凝土的支撐作用可以避免延緩鋼管發生局部屈曲，保證了鋼材的性能得以充分發揮。鋼管與混凝土相互約束，共同工作，提高了構件的整體性能，具有承載力高，延性及抗震性能好等優點。鋼管兼有縱向鋼筋和箍筋的作用，現場安裝方便快捷，同時也可作模板使用，便于澆筑混凝土，因此鋼管混凝土具有良好的施工性能，且具有較好的防火性能。鋼管混凝土與普通鋼筋混凝土結構相比，在保持用鋼量和承載能力相近的條件下，構件截面面積可減小約50%，從而增大了建筑的有效使用面積，且極大地減小了構件自重，鋼管混凝土與鋼結構相比，可節省鋼材約50%。因此鋼管混凝土結構在高層建筑中得到廣泛應用。

3 鋼—壓型鋼板混凝土

3.1 鋼—壓型鋼板混凝土組合板

壓型鋼板混凝土組合樓板是通過剪力連接件與鋼梁連接起來，形成整體共同受力和協調變形的一種新型組合樓板體系。它能充分利用鋼材優越的抗拉性能和抗壓性能，具有自重輕、塑性和抗震性能好、施工簡便和經濟效果顯著等突出優點。大部分將壓型鋼板作為永久性模板使用，方便施工，同時作為結構的安全儲備，而沒有利用壓型鋼板代替板中的受力鋼筋。

3.2 鋼—壓型鋼板混凝土組合梁

壓型鋼板混凝土組合梁截面形式按壓型鋼板和鋼梁之間的組合方式可以分為壓型鋼板肋垂直于鋼梁;壓型鋼板肋平行于鋼梁;壓型鋼板倒置;壓型鋼板順置。按壓型鋼板類型可以分為開口型，閉口型，縮口型等。

壓型鋼板組合梁的優點是:壓型鋼板作為永久性模板，節省支模、拆模工序和模板，加快施工速度，節省施工費用;在施工階段，壓型鋼板作為鋼梁的連續側向支承，增大了鋼梁的整體穩定性;壓型鋼板可以作為施工工作平臺，增加施工作業面;壓型鋼板形成的凹槽可以安放電線、電訊電纜及通風管道等。閉口型壓型鋼板組合板可以不在板底做吊頂，做吊頂也可以不焊接吊鉤。

4 鋼骨混凝土

4.1 鋼骨混凝土概念

鋼骨混凝土(Steel Reinforced Concrete，以下簡稱SRC)結構是指在鋼骨周圍配置鋼筋，并澆筑混凝土的結構。鋼骨分為實腹式和空腹式。實腹式SRC構件具有較好的抗震性能，而空腹式SRC構件的抗震性能與普通鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)構件基本相同。

4.2 鋼骨混凝土結構特點

與鋼結構相比，SRC構件的外包混凝土可以防止鋼構件的局部屈曲，并能提高鋼構件的整體剛度，顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發揮。采用SRC結構，一般可比純鋼結構節約鋼材達50%以上。此外，外包混凝土增加了結構耐久性和耐火性，歐美國家最初發展SRC結構就是出于對鋼結構防火和耐久性方面的考慮。

與普通鋼筋混凝土結構相比，由于配置了鋼骨，大大提高了構件的承載力，尤其是采用實腹鋼骨的SRC構件，其抗剪承載力有很大提高，并大大改善了受剪破壞時的脆性性質，提高了結構的抗震性能。

5 結語

一般在建筑工程中所用的組合結構是把結構鋼和混凝土巧妙地結合在一起，充分利用鋼材和混凝土各自的材料特性，揚長避短?；炷量箟簭姸雀?，抗拉強度低，脆性大，延性差;鋼材抗拉強度高，延性好，受壓易失穩。廣泛應用于建筑、橋梁結構、地下結構、結構加固與改造等領域，應用前景廣闊，綜合效益好。

[1] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2] 聶建國，余志武.鋼—混凝土組合梁在我國的研究及應用[J].土木工程 學報 ，1999 ，32(2):32-33.

[3] 夏再海.鋼—混凝土組合結構的特點和應用[J].福建建材，2007(1):40-41.

[4] 葉列平，方鄂華.鋼骨混凝土構件的受力性能研究綜述[J].土木工程學報，2000(10):30-31.

[5] 胡 利，王春磊，李鋒寧.鋼—混凝土組合結構的研究進展[J].華北水利水電學院學報，2009(4):55-56.