浅析高层建筑钢-混凝土混合结构设计

卢 泽

（中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014）

引言

在高层建筑中，提高高度和结构不断变化的条件下，选择好的结构形式和体系是非常重要的一项工作，目前混凝土结构得到了非常广泛的应用，尽管具备很好的受力性能，并且建设造价成本比较低，结构刚度比较小，造价成本比较高，因此应该将钢结构和混凝土结构组合在一起，就能保证应用效果更好。

1 钢-混凝土结构特征

型钢混凝土组合结构是一种特殊类型的结构，它是将钢筋置于型钢周围并浇筑混凝土，具有承载力高、弹塑性好、刚度大、断面尺寸小等特点。型钢混凝土组合结构主要为：全部结构构件或者部分结构构件采用型钢混凝土结构，适用于框架结构、框架-剪力墙结构、底部大空间剪力墙结构、框架-核心筒结构、中筒结构等。

2 钢-混凝土结构优点

和传统钢结构相比，型钢受到周围混凝土的共同载荷，提升了型钢受压稳定性，同时也提升了型钢混凝土组合结构的耐火性，因此型钢混凝土组合结构的优点有以下几个方面：优良的耐久性和耐火性；结构局部和整体稳定性好。

与普通钢筋-混凝土结构相比，型钢混凝土组合结构由于同混凝土相互作用受力，增加了混凝土的强度和型钢的强度，改善了混凝土本身不利于抗震的特性，增加了组合结构的抗震性能；由于在型钢混凝土组合结构中，型钢和钢筋混凝土共同作用，利用其型钢固有的强度和延性，使型钢混凝土组合结构具备了承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。还有一点是型钢混凝土组合结构与钢结构相比，可大大的节约钢材，型钢混凝土框架比钢框架可节省钢材达50%或者更多一些。

3 高层建筑钢-混凝土混合结构布置

高层建筑的高度较高、层次多，结构需要按照其高度方向以规则、均匀的方式。钢-混凝土剪力墙是其中主要的抗侧力构建类型，从下到上其刚度逐渐递减，且剪力墙厚度也需要适当减薄处理。钢框架部分竖向支撑需要按照从下到上的方式以均匀、连续的方式布置以及底层部分，要保证支撑在布置以及形式方面具有上下一致的特征。通常情况下，为了实现混凝土内筒以及结构侧移弯矩的减小，需要沿着竖向方向对几道加强层进行布置，而钢-混凝土结构也将分为立面以及平面两种布置类型：第一，结构平面布置。建筑结构的平面布置将保证所产生水平荷载的中心与结构侧向力的中心根据其应力布置相互重叠，减小偏心。第二，应用钢-混凝土结构，如所有构件均使用钢-混凝土结构，包括混凝土筒体和钢-混凝土框架结构，需要设防烈度9 度，根据实际需求增加房屋最大高度30-40%。

4 高层建筑钢-混凝土混合结构设计

在钢-混凝土混合结构设计中，其主要设计内容有：

第一，梁设计与构造需求。在型钢混凝土中，包括降低承载力和抗弯承载力设计这两个方面，如果梁本身负荷较大，为了能够节约钢材，可以使用桁架空腹型钢-混凝土梁，根据混凝土结构设计规范的要求进行抗弯承载力的计算。在实际计算中，梁需要型钢以纵向钢筋类型进行计算，斜腹杆承载力竖向分离以受剪力箍筋方式进行计算。

第二，柱的构造与设计要求。型钢混凝土柱方面，需要由钢筋、型钢以及混凝土三者组合的方式受力，在具体计算方面较为复杂。在具体计算中，其主要有变形协调模型以及强度叠架模型这两种，目前，我国使用的是相对简单的变形协调模型。在实际对混凝土柱型钢配筋率进行设计时，要避免该值过小。针对型钢混凝土柱中的型钢截面可采用H 形、十字形、箱形焊接型钢、钢管等。本工程型钢混凝土柱采用800X28 钢管。型钢混凝土柱的长细比不宜大于80，型钢混凝土柱的型钢率不宜小于4%，型钢混凝土柱的纵向钢筋最小配筋率不宜小于0.8%，且在四个角应各设置一根直径不小于16mm 的纵向钢筋以及型钢混凝土柱箍筋的构造设计应满足高规2010 中有关规定。在平面混合结构设计中，虽然混合结构的竖向变形差要小于相同条件下的混凝土框架剪力墙结构，但仍必须考虑混合结构的竖向变形差，并且要尽量减小结构的竖向变形差，建议调整结构竖向构件的轴压比，使柱和墙的轴压比尽可能相近；以及通过型钢混凝土框架子结构和混凝土筒体子结构之间的连接构造，在结构设计中，建议使部分梁与型钢混凝土柱及梁与混凝土筒体之间实现半刚接来实现。

第三，节点设计。在型钢混凝土梁柱节点中，混凝土抗剪能力因钢骨翼缘以及腹板的约束作用而具有较大的提升，而混凝土材料的存在，也将保证腹板不会出现局部问题。对此，在通常情况下，仅仅依靠节点位置型钢抗剪能力的存在，即能够满足节点抗减强度方面的需求，且将避免纵筋出现弯曲情况。而节点设计方面，即主要是对节点位置梁柱受弯承载力以及受剪承载力计算的控制。

梁、柱之间的内力传递主要通过节点进行传递，因此保证结构安全的前提是节点的安全、可靠。所以对梁、柱节点的受力性能、破坏机理进行研究，使梁、柱节点之间的构造合理、受力明确就显得尤为重要。受到地震作用时，如果某个节点发生破坏，就会使这个节点相连的梁和柱都不能正常工作，而且这个节点往上各层的梁柱也不能正常进行工作。

5 高层建筑钢-混凝土混合结构设计思考

针对一些示范工程抗震设计，通过对钢框架-混凝土剪力墙(筒体) 混合结构体系进行了基于性能的设计研究，探索出地震作用产生的剪力在剪力墙子结构和钢框架子结构的规律。剪力墙子结构和钢框架子结构它们的抗侧力能力应与抗震设防水准相协调，从而体现钢框架-混凝土剪力墙(筒体) 混合结构设计的安全性和经济性。

针对混合结构抗震设计的新理念，竖向构件基于安全极限状态和破坏控制极限状态设防水准设计及校核，水平构件按使用极限状态设防水准和避免脆性破坏实现结构延性的控制标准。对于混合结构具有多重抗侧力抗震体系的方法。混合结构的薄弱层发生在建筑底部高度范围的1/8 内，设计时应当给予加强。采用限制混凝土工作承担系数，来保证钢管混凝土柱的延性。应按照建筑抗震设防水准设计相应的节点构造分析和计算，针对高层钢框架-混凝土剪力墙混合结构体系在竖向重力荷载作用下，框架柱与混凝土墙(筒体) 的竖向差异缩短问题。考虑混凝土的收缩和徐变，施工加载方式工况非线性分析的方法，为减小乃至消除混合结构高层住宅中竖向构件差异缩短对结构构件和非结构构件的不利影响，提出应通过在设计方法和施工措施两方面采取相应的对策。

6 结束语

综上所述，在我国城市不断发展的过程中，建筑工程同样发展迅速，建筑高度在不断增高，规模在不断扩大，对建筑结构也有更高的要求，所以需要做好结构设计，将高层建筑钢结构与混凝土结构进行结合，利用钢-混凝土混合结构其抗拉、抗压、抗震、刚度大等特点，确保建筑工程的稳定性，大大提升建筑工程的质量。