淺析高層建筑鋼-混凝土混合結構設計

盧 澤

（中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

引言

在高層建筑中，提高高度和結構不斷變化的條件下，選擇好的結構形式和體系是非常重要的一項工作，目前混凝土結構得到了非常廣泛的應用，盡管具備很好的受力性能，并且建設造價成本比較低，結構剛度比較小，造價成本比較高，因此應該將鋼結構和混凝土結構組合在一起，就能保證應用效果更好。

1 鋼-混凝土結構特征

型鋼混凝土組合結構是一種特殊類型的結構，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。型鋼混凝土組合結構主要為：全部結構構件或者部分結構構件采用型鋼混凝土結構，適用于框架結構、框架-剪力墻結構、底部大空間剪力墻結構、框架-核心筒結構、中筒結構等。

2 鋼-混凝土結構優點

和傳統鋼結構相比，型鋼受到周圍混凝土的共同載荷，提升了型鋼受壓穩定性，同時也提升了型鋼混凝土組合結構的耐火性，因此型鋼混凝土組合結構的優點有以下幾個方面：優良的耐久性和耐火性；結構局部和整體穩定性好。

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

3 高層建筑鋼-混凝土混合結構布置

高層建筑的高度較高、層次多，結構需要按照其高度方向以規則、均勻的方式。鋼-混凝土剪力墻是其中主要的抗側力構建類型，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，為了實現混凝土內筒以及結構側移彎矩的減小，需要沿著豎向方向對幾道加強層進行布置，而鋼-混凝土結構也將分為立面以及平面兩種布置類型：第一，結構平面布置。建筑結構的平面布置將保證所產生水平荷載的中心與結構側向力的中心根據其應力布置相互重疊，減小偏心。第二，應用鋼-混凝土結構，如所有構件均使用鋼-混凝土結構，包括混凝土筒體和鋼-混凝土框架結構，需要設防烈度9 度，根據實際需求增加房屋最大高度30-40%。

4 高層建筑鋼-混凝土混合結構設計

在鋼-混凝土混合結構設計中，其主要設計內容有：

第一，梁設計與構造需求。在型鋼混凝土中，包括降低承載力和抗彎承載力設計這兩個方面，如果梁本身負荷較大，為了能夠節約鋼材，可以使用桁架空腹型鋼-混凝土梁，根據混凝土結構設計規范的要求進行抗彎承載力的計算。在實際計算中，梁需要型鋼以縱向鋼筋類型進行計算，斜腹桿承載力豎向分離以受剪力箍筋方式進行計算。

第二，柱的構造與設計要求。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，在具體計算方面較為復雜。在具體計算中，其主要有變形協調模型以及強度疊架模型這兩種，目前，我國使用的是相對簡單的變形協調模型。在實際對混凝土柱型鋼配筋率進行設計時，要避免該值過小。針對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。型鋼混凝土柱的長細比不宜大于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%，且在四個角應各設置一根直徑不小于16mm 的縱向鋼筋以及型鋼混凝土柱箍筋的構造設計應滿足高規2010 中有關規定。在平面混合結構設計中，雖然混合結構的豎向變形差要小于相同條件下的混凝土框架剪力墻結構，但仍必須考慮混合結構的豎向變形差，并且要盡量減小結構的豎向變形差，建議調整結構豎向構件的軸壓比，使柱和墻的軸壓比盡可能相近；以及通過型鋼混凝土框架子結構和混凝土筒體子結構之間的連接構造，在結構設計中，建議使部分梁與型鋼混凝土柱及梁與混凝土筒體之間實現半剛接來實現。

第三，節點設計。在型鋼混凝土梁柱節點中，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，也將保證腹板不會出現局部問題。對此，在通常情況下，僅僅依靠節點位置型鋼抗剪能力的存在，即能夠滿足節點抗減強度方面的需求，且將避免縱筋出現彎曲情況。而節點設計方面，即主要是對節點位置梁柱受彎承載力以及受剪承載力計算的控制。

梁、柱之間的內力傳遞主要通過節點進行傳遞，因此保證結構安全的前提是節點的安全、可靠。所以對梁、柱節點的受力性能、破壞機理進行研究，使梁、柱節點之間的構造合理、受力明確就顯得尤為重要。受到地震作用時，如果某個節點發生破壞，就會使這個節點相連的梁和柱都不能正常工作，而且這個節點往上各層的梁柱也不能正常進行工作。

5 高層建筑鋼-混凝土混合結構設計思考

針對一些示范工程抗震設計，通過對鋼框架-混凝土剪力墻(筒體) 混合結構體系進行了基于性能的設計研究，探索出地震作用產生的剪力在剪力墻子結構和鋼框架子結構的規律。剪力墻子結構和鋼框架子結構它們的抗側力能力應與抗震設防水準相協調，從而體現鋼框架-混凝土剪力墻(筒體) 混合結構設計的安全性和經濟性。

針對混合結構抗震設計的新理念，豎向構件基于安全極限狀態和破壞控制極限狀態設防水準設計及校核，水平構件按使用極限狀態設防水準和避免脆性破壞實現結構延性的控制標準。對于混合結構具有多重抗側力抗震體系的方法。混合結構的薄弱層發生在建筑底部高度范圍的1/8 內，設計時應當給予加強。采用限制混凝土工作承擔系數，來保證鋼管混凝土柱的延性。應按照建筑抗震設防水準設計相應的節點構造分析和計算，針對高層鋼框架-混凝土剪力墻混合結構體系在豎向重力荷載作用下，框架柱與混凝土墻(筒體) 的豎向差異縮短問題。考慮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構高層住宅中豎向構件差異縮短對結構構件和非結構構件的不利影響，提出應通過在設計方法和施工措施兩方面采取相應的對策。

6 結束語

綜上所述，在我國城市不斷發展的過程中，建筑工程同樣發展迅速，建筑高度在不斷增高，規模在不斷擴大，對建筑結構也有更高的要求，所以需要做好結構設計，將高層建筑鋼結構與混凝土結構進行結合，利用鋼-混凝土混合結構其抗拉、抗壓、抗震、剛度大等特點，確保建筑工程的穩定性，大大提升建筑工程的質量。