浅谈建筑工程中的钢-混凝土组合结构设计

（大地建筑事务所（国际），北京 100195）

浅谈建筑工程中的钢-混凝土组合结构设计

钟义平

（大地建筑事务所（国际），北京 100195）

介绍了钢-混凝土组合结构的类型，进而分析了各类钢-混凝土组合结构的特点，指出了钢-混凝土组合结构在设计方面的一些要点，指导以后的钢-混凝土组合结构的工程实践。

钢-混凝土组合结构；设计；组合构件

1 概述

钢结构和混凝土结构各有其优点，在建筑工程合理的选择结构形式不仅能有效的节省成本，还能缩短工期；然而，很多工程中如果单独的选择钢结构设计或者混凝土结构设计不能满足该工程的施工成本和工期等方面的要求，所以，越来越多的的工程中都采用钢-混凝土组合结构。

钢-混凝土组合结构就是结合这两种结构的优点，取长补短，但两种材料组合后的整体工作性能并不是二者性能的简单叠加，而明显优于一般的简单叠加，使其综合性能得到了很大的提升。学者对组合结构进行了大量的研究，现在组合结构已运用于结构工程的各个领域，并广泛应用于建筑、桥梁结构、地下结构、结构加固与改造等领域，其综合效益良好，应用前景广阔。

目前，一般常用的钢-混凝土组合结构有压型钢板混凝土组合板、钢-混凝土组合梁、型钢混凝土结构和钢管混凝土结构四种类型。这几类组合结构的特点和设计要求各不相同。

2 钢-混凝土组合结构的特点和设计

2.1 压型钢板混凝土组合板

2.1.1 压型钢板混凝土组合板的特点

由于不需要模板，免除了模板拆卸安装工作，也降低由易燃的模板而引起的建筑失火的危险；压型钢板混凝土组合板仅需要在必要之处加设钢筋，用以抵抗混凝上收缩及温度影响；压型钢板自身可以看做平整的混凝土楼层顶棚表面；在安装后，不用搭建钢管脚手架，压型钢板为材料和施工人员提供了安全的工作台；通信、电力等工程的安装，可利用压型钢板波纹之间的预加工槽；缩短了施工时间，可以进行两个楼层的同时施工；压型钢板不仅存储简单，而且运输方便；压型钢板混凝土组合板的质量较轻，减少了结构的恒荷载，降低了用于下部基础的成本。

2.1.2 压型钢板混凝土组合板的设计要点

组合板的计算分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。在组合板的施工阶段，作为浇注混凝土底模的压型钢板，要进行强度和挠度的验算，但是只计算顺助（强边）方向压型钢板强度和挠度；在组合板的使用阶段，要对组合板进行全部荷载作用下的强度和挠度验算。

对于组合板的变形验算，按弹性理论进行，分为短期荷载作用和长期荷载作用。按短期荷载作用计算时，可将混凝土面积除以n（钢材与混凝土弹性模量比）换算为钢面积；按长期荷载作用计算时，将截面中的混凝土的弹性模量除以2n换算成钢截面。

2.2 钢-混凝土组合梁

2.2.1 钢-混凝土组合梁的特点

钢-混凝土组合梁与钢板梁相比，最少可节省约20%钢材，有效的降低了造价；钢梁与混凝土板共同工作，可使钢材与混凝土材料各自的材料特性得到充分发挥；增大梁的截面刚度，降低梁的截面高度和建筑高度；降低冲击系数，抗冲击、抗疲劳性能优越；增加了梁的侧向刚度，防止了在使用荷载下主梁的扭曲失稳；减少施工支模工序和节省模板，现场施工更为简捷方便。

2.2.2 钢-混凝土组合梁的设计要点

为了保障钢梁和混凝土共同工作，需使用大量的抗剪连接件时，要防止钢与混凝土接触面产生滑移和竖向掀起；为了防止腹板受剪局部屈曲，支座附近一般要加厚钢梁腹板或使用大量加劲肋。

2.3 型钢混凝土结构

2.3.1 型钢混凝土结构的特点

型钢混凝土结构截面小，承载力高，刚度大，对于高层及超高层建筑的适用性更强；延性好，抗震性能更加优越；相比于钢结构，其耐久性和耐火性更好，而且很大程度上节约钢材，减少成本；施工速度快，工期短。

2.3.2 型钢混凝土结构的设计要点

为了焊接方便和满足局部稳定要求，型钢混凝土组合结构中的型钢板厚不宜过薄，厚度不宜小于6mm；框架梁的截面宽度不宜小于300，从而保证框架梁对框架节点的约束作用；混凝土强度等级不宜小于C30，以便最大程度发挥型型钢在钢混凝土组合结构的作用；规定混凝土最大骨料直径小于型钢外侧混凝土保护层厚度的1/3，且不宜大于25mm，这样便于混凝土的浇筑；规定高宽比不宜超过4，以保证梁抗扭和增强侧向稳定性。

2.4 钢管混凝土结构

2.4.1 钢管混凝土结构的特点

钢管混凝土结构承载力高，经过大量的实验和理论分析可以得到钢管混凝土受压构件强度承载力是钢管和混凝土单独承载力之和的1.7～2.0倍；延性好，由于钢管和混凝土之间的相互作用，钢管内部混凝土的破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能大幅加强；抗震性能优越；施工方便，简化了施工安装工艺；由于钢管内填有混凝土，可以吸收大量的热量，耐火性能良好。

2.4.2 钢管混凝土结构的设计要点

由于在建筑工程中钢管混凝土结构主要应用于高层或超高层建筑、大跨度且单柱轴力大以及抗震等级较高的建筑，故钢管混凝土结构设计的最大的要点和难点是其柱脚节点和梁柱节点；目前此类工程设计中惯用的节点有四种：加强环式节点，双梁节点，半穿心牛腿节点和环梁节点。

应依照相关的设计规范进行节点设计计算，尤其在进行抗震设计时应满足“强柱弱梁、节点更强，以及强剪弱弯”的要求，并尽量减少现场焊接工作量，达到质量控制的要求。

结语

钢-混凝土组合结构在多年的工程实践中得到了很好的检验，学者们对钢-混凝土组合结构的理论研究也在不断深入，钢-混凝土组合结构已经在越来越多的领域内得到推广应用，同时组合结构的发展方向也由组合构件转向组合结构体系。然而，对于钢筋混凝土构件、钢构件、钢管混凝土构件、钢骨混凝土构件、预应力筋等不同材料元素进行优化组合，还要进行进一步的深入研究。在未来的建筑行业中，钢-混凝土组合结构必将作为建筑结构中一种新型的结构形式发挥其特有的、独一无二的作用。

[1]夏再海.钢-混凝土组合结构的特点和应用[J].福建建材，2007（01）.

[2]王越.浅谈钢与混凝土组合结构设计[J].山西建筑，2008，34（34），91-92.

[3]聂建国，余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究与应用[J].土木工程学报，1999.

TU318 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A