初探型鋼混凝土結構在高層建筑中的應用

盧業橙

【摘要】型鋼和混凝土的結合能充分發揮各自的材料優勢，形成一系列組合結構優勢。這兩種材料的組合形式逐漸成熟，形成了現代高層建筑的主要類型。在全球金融危機的大背景下，若能繼續研究鋼材行業在建筑行業的應用，對當前鋼材市場將起到積極的促進作用。

【關鍵詞】組合結構;型鋼混凝土;高層建筑

在高層建筑中，鋼和混凝土是兩種最重要的材料。當代建筑理論的不斷創新與發展，在很大程度上取決于這兩種材料的不斷改進與完善。當建筑高度和層數增加時，若采用普通鋼-混凝土結構時，必須增大柱徑。此外，大型立柱占用大量空間，減少了建筑里面的空間的使用率。為此，研究者提出了鋼與混凝土組合結構的概念，并利用兩者各自的材料性質，將兩者結合起來，創造出具有創新性和高能的結構體系。

從國內外一般認識來看，廣義混雜結構是指由不同材料構成的結構體系（或子結構）。混料法的目的是通過合理有序的混合，達到結構不具備或完全滿足結構體系總體性能的結構性能。

在高層和超高層建筑中，大部分使用的是混合結構的建筑的結構。混雜結構由材料組成、構件截面組合和結構型式復合等多種形式構成。外框架主要承擔豎向荷載作用，分擔部分水平荷載，按剛度分布。SRC 核心筒與 SRC骨架-鋼筋混凝土框架筒混合結構相比，混凝土框架筒的剛度在結構體系總剛度中的比例較大，應采取相應的抗震措施。外框架結構只需要很小的地震測量，但由于下部結構的優點，內筒混凝土結構的屈服強度要比外框架結構高。目前國內工程實踐及試驗結果表明，混凝土中的核心筒的結構里面的強度相對的來說是高于強度的，可外部的結構的強度比較大一些，但剛性度不夠，所以這一種混合的結構的抗地震性能不太協調。由于鋼混凝土框架比鋼框架大，地震沖擊力大，而且兩種材料之間的一致性，使得SRC 框架—RC 核心桶的兩個關鍵性的結構構成了強度與變形的優秀的協調能力。SRC框架技術一般在強烈地震的作用中具有優秀的抗震能力。

1、型鋼混凝土（SRC）結構概述

型鋼混凝土組合結構是型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨立的結構型式。由于在鋼筋混凝土中增加了型鋼，型鋼以其固有的強度和延性，以及型鋼、鋼筋、混凝土三為一體。其核心為型鋼構件，外部為混凝土結構，具有坡度和適當的縱向主位。型鋼結構以混凝土為主，并采用軋制或焊接鋼材。實心軋制鋼構件中還存在少量的鋼棒或鋼環，主要是用來連接所用混凝土和建筑所需的混凝土。這種結構與鋼筋相配合，其輔助功能在計算中也考慮到了。截面是各種各樣的，鋼骨可以是軋制的或焊接的型鋼。鋼的分布可以分為實體纖維鋼和開口軋制鋼。以工字鋼、槽鋼和 H型鋼為主要原料，在角鋼中，空腹型鋼在材料上比較經濟，在日本和前蘇聯已經廣泛使用，但其生產成本較高，抗震性能不如實心腹板鋼。近幾年來，由于整體軋制工藝簡單，承載能力強，日本及西方國家廣泛采用。

2、型鋼混凝土結構的特點

型鋼混凝土結構是型鋼結構的有機結合。測試結果表明，構件部分尺寸可相應減小，對擴展高層建筑的實際應用面積有著至關重要的作用;這種混合的結構有比較強的承載能力，可進行框架外裝配、模板、塔旋轉或墻固固定等多種作業，降低施工難度;把型鋼放置在混凝土的組合中，可有效提高整個工程的回彈，提高抗震性能。

3、型鋼混凝土結構的主要類別及應用

3. 1 SRC巨型柱—混凝土核心筒混合結構體系

上海金茂大廈有八十八層樓高，高四十一米，是現在世界范圍內的最細長的高層建筑物之一，它的細長比例為八比一。結構體系是以水平力為主的型鋼混凝土巨柱彎曲產生，混凝土核心筒主要由水平力產生。型鋼混凝土支座由鋼和混凝土組成，豎向荷載來自周邊鋼結構，結構的整體范圍橫向力主要是取決于混凝土芯筒的抗老化能力、SRC柱的軸力以及周邊鋼結構的抗老化能力。

3.2 SRC外筒—混凝土核心筒體系

外圈由骨架筒和混凝土核心筒組成，核心筒則是由大量密集分布的型鋼的混凝土柱與深射線共同組成。在水平的地震情況中，SRC外筒一般承擔著相對比較大的傾覆作用，而鋼芯則承擔了較小的傾覆作用;由于外筒體的剛度遠遠大于鋼管的外剛度，所以應通過計算確定剪切力的分配。一般情況下核心筒體的抗擊抗剪的強度與剛性都比較強，外框的筒體對于抗彎曲的剛度和側面的剛度抗性比較強，震時的荷載的布置與核筒體抗剪強度和外框筒體具體長度一致，有利于提高抗震性能。

3.3框架—SRC剪力墻體系

其主體一般都是由鋼筋混凝土或型鋼與混凝土的結構組成的，配以一定量的型鋼和前墻。一般在相同條件下，型鋼混凝土的前端墻的強度和實際應用能力明顯要高于普通鋼筋混凝土，但是強度比較低，能耗比較大，具有優秀的抗震性能。

3.4 SRC框架—鋼筋混凝土核心筒體系

這類系統是目前最常用的 SRC組合結構。它的特點是大部分水平荷載采用具有高抗推剛度的鋼芯筒，豎向荷載采用高韌性、高材料強度的混凝土結構，也包括少量荷載，該體系還可實現大型夾緊地面結構，提供更多的空間。例如，上海的茂森大廈、北京香格里拉酒店等。

3.5框架—SRC核心筒體系

舉例：深圳的地王大廈是具有標志性建筑體系中的一個，由公寓樓側樓、兩個塔樓與4層往下的一些裙樓聯合組成，大廈的外面的框架柱是鋼管混凝土結構構成的。這種結構體系主要存在于型鋼混凝土混合結構中。

4、型鋼混凝土結構的應用前景

由于型鋼混凝土結構中鋼筋和混凝土之間的相互約束，使得它們各自的強度都有所提高。另外，由于型鋼的存在，提高了整個結構的回彈，從而改善了高強混凝土的脆性，而高強混凝土的回彈又因其回彈較低而不利于抗震，提高了結構和構件的抗震性能，尤其是壓力型構件的回彈。所以可以預測型鋼高強度混凝土結構在建筑工程中的應用越來越廣泛。

總結：

型鋼—混凝土結構能充分發揮型鋼-混凝土結構優異的力學性能，使構件的使用更合理、更有效，減少構件的截面尺寸。所以鋼結構和混凝土結構在高層建筑中的應用，不僅擴大了其應用范圍，而且還降低了建筑自重和投資成本。型鋼混凝土結構以其優異的性能一直是建筑行業的優勢結構，推動了建筑行業的發展。這是未來研究的一個重要方向，隨著研究的深入和技術經驗的積累，高樓大廈將繼續發展，同時它也是建筑業用鋼的一種新方式，在當前的鋼材市場中發揮著積極的作用。

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