論高層建筑鋼與混凝土組合結構設計淺析

陳亞敏 劉督政

中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450000

1. 結構特點

鋼筋混凝土結構由混凝土，鋼管，縱向鋼筋和箍筋組成。它使用鋼管或鋼筋作為框架，內部和外部混凝土作為復合構件，并且連接器或材料之間的結合力使鋼和混凝土一起工作。在共同作用下，混凝土材料具有良好的壓縮性能，但抗張拉強度和抗裂性較差。

鋼管具有良好的拉伸和壓縮性能，連接合理可靠，并且可以獲得性能良好的復合部件。鋼筋混凝土結構，鋼管混凝土結構以及由它們支撐的鋼梁構件和復合樓板梁是已被廣泛使用的典型鋼筋混凝土結構。混凝土構件和鋼結構構件構成高層建筑的各種混合結構系統，具有強度，良好的延展性，輕質的構件，較大的側向剛度，抗剪強度，鋼筋混凝土結構的強度和耐火性等。它廣泛用于高層建筑中，可以形成結構體系，例如框架結構，框架剪力墻結構，底部的大空間剪力墻結構以及框架芯管結構。

2. 結構布置

高層建筑有很多樓層，而且高度很高。結構應沿高度方向均勻，規則或逐漸收縮，沒有突然變化或較大的懸掛，以利于抗風和抗震。鋼筋混凝土芯管和剪力墻是側向阻力的主要組成部分，因此應從底部到頂部減小剛度，并應逐漸減小剪力墻的厚度，并且不應使用底架剪力墻或剛度。立柱和鋼框架的垂直支撐應從下到上連續均勻地布置，除底層和頂層，加固層和不規則層的較大空間部分外，支撐形式和布局應從上到下保持一致。通常，為了減少結構的橫向位移和混凝土內管的彎矩，垂直布置了多條直線。

鋼筋混凝土復合結構的結構布置分為平面布置和垂直布置。高層建筑的結構平面布置和結構布置應為力使橫向力的中心與水平荷載的合力的中心重合，以減小偏心率。對于結構的豎向布置，當采用鋼筋混凝土組合結構時，與普通鋼筋混凝土結構相比，可以最大程度地提高房屋的最大適用高度。當所有結構構件都是鋼筋混凝土結構，包括鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土，當復合結構由圓柱體組成時，最大可應用高度可增加30%，但加固強度為9%-40%。

3. 組合構件設計

鋼-混凝土組合結構的設計包括梁、柱和節點的設計。下面是對鋼-混凝土結構的分析。鋼-混凝土梁的設計包括抗彎承載力和抗剪承載力的設計。當梁的荷載較大、截面高度較高時，為節約鋼材、減輕重量，可采用桁架式空心鋼混凝土梁。鋼筋混凝土柱應考慮混凝土的使用，混凝土、鋼筋、型鋼的組合計算十分復雜。計算模型通常有兩種思路：強度疊加模型和變形協調模型，在中國，已經采用了簡單的變形協調模型。鋼筋混凝土柱的鋼筋配筋率不應太小。

只有固定鋼筋的數量，鋼-混凝土組合構件才能比鋼筋混凝土構件具有更高的承載能力和更好的性能。伸長時，必須在組件上設置一定數量的縱向鋼筋，以在混凝土中形成鋼筋混凝土梁柱節點和縱向鋼筋。在鋼筋和箍筋的約束下，由于鋼腹板和翼緣對混凝土的限制，混凝土的抗剪強度得到了顯著提高，并且混凝土的存在還確保了鋼腹板不會局部彎曲，因此通常只使用芯鋼，可以滿足節點的抗剪強度要求，箍筋的作用主要是確保縱向鋼筋不會彎曲，節點設計的主要目的是計算節點的抗剪承載力和抗彎承載力。

4. 組合結構對混凝土的要求

復合結構需要更高等級的混凝土。為了滿足結構載荷要求并節省工程成本，通常在結構設計中，上下柱或柱梁的混凝土使用不同強度等級，混凝土強度通常不低于C30。柱的橫截面尺寸增加了柱的承載能力，通常使用高級混凝土。為了增加混凝土的強度，可以添加硅粉。另外，可以添加增塑劑以增加坍落度。混凝土柱由軸向壓縮比控制。較大的橫截面尺寸使建筑物布局困難。鋼結構重量輕。鋼的體積大，成本高，結構剛度小，側面大。

如果輔助梁的跨度和載荷較大，或者結構為異形梁，或者輔助梁為懸臂梁，則可以將輔助梁和主梁剛性連接，從而使輔助梁成為連續梁，可以節省更多的鋼材，并減少次梁的撓度。此時，輔助梁的剪切力仍傳遞到主梁，并且輔助梁末端的彎矩直接傳遞給相鄰的兩跨輔助梁。位移大的優點包括鋼結構和混凝土結構體系。這是兩者優點的結合。對于框架，支撐和其他組件，強弱節點的承載能力高于組件的承受能力，并且節點的保障先于組件的保障。這種鋼-混凝土復合結構在高層建筑中具有突出的優勢，即具有很強的抗震性。影響抗震性的因素很多。地質，水文和凍結是影響高層建筑中鋼-混凝土結構抗震性能較強的因素。

5. 結束語

簡言之，鋼-混凝土組合高層結構的設計是一個復雜的過程。只有充分了解復合材料結構的概念、結構特點、構件設計和結構要求，以及混凝土和鋼材對結構的影響，并得到設計者足夠的重視，才能更好地進行設計。為保證鋼筋與混凝土可靠結合，防止鋼筋銹蝕，鋼筋周圍必須有一定有效的混凝土保護層厚度。如果結構處于腐蝕性介質環境中，應增加保護層的厚度。