我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望

我国高层建筑钢 -混凝土混合结构发展与展望

陈静

身份证号： 32068319801020 **** 江苏省子午建筑设计有限公司

摘要：随着我国社会经济和科技的不断提升，城市化进程得到不断的发展，城市化进程在加快的过程中城市居民的增多使得城市用地越来越紧张，基于这种情况，为了缓解城市用地紧张等情况，高层建筑得到了极大的发展，高层建筑的不断发展有效的缓解了城市土地紧张的情况，也为城市增添了一定的繁华景象。高层建筑相比于低层建筑来说，由于其自身高度较高，自重较大，在地震及风荷载作用下，其位移及剪重比都相对比较难以控制在规范要求范围内，这时采用钢-混凝土混合结构，能够较好的满足地震及风荷载作用且其各项整体指标均可控制在规范允许及经济承受范围内，尤其对于高层竖向构件出现的偏拉工况有很可靠的措施。本篇文章主要就我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望进行的分析和探讨。

关键词：高层建筑，混合结构，发展展望，结构类型与体系

1. 钢-混凝土结构的概述

钢-混凝土混合结构简单来说就是采用钢结构和混凝土结构两种材料结合发展而来的一种新型结构，由于这种结构较高层钢结构具有更好的耐久性和更高的荷载承重能力，所以一般被用在B级高层和超高层建筑中对应一些大跨度建筑及桥梁工程也有采用，钢-混凝土混合结构体系应用在高层建筑中，不但能够提升高层建筑的抗震性能和承重能力，同时，在获得结构所需的合理刚度前提下，最大限度的减小构件截面，减轻自重，使建筑使用空间更加舒适合理。将这种技术应用在高层建筑设计中，能够有效的提升建筑企业经济效益和社会效益。

钢-混凝土混合结构主要是抗侧力结构的混合，这种混合形式常见的为：外部常采用钢框架、型钢混凝土框架或混合框架和内部常使用的钢筋混凝土剪力墙或钢骨混凝土剪力墙围合筒的组合。同时对于钢-混凝土混合结构的设计也已经有了相应的协会标准《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》CECS 230-2008和行业标准《组合结构设计规范》JGJ138-2016、《钢骨混凝土结构设计规程》YB 9082-2006等。正是由于混合结构中使用的材料强度较高，所以通过对两种强度高的材料进行组合不但能够满足建筑在使用功能上的需求也能够使高层建筑在设计中不断突破高度的极限^[1]。

2. 混合结构的发展现状和发展展望

钢-混凝土结构有其自身特有的优点。在相同的荷载条件下，钢-混凝土结构构件的尺寸相较于钢筋混凝土结构的构件尺寸小，从而减小结构构件占用的面积净高和自重。就型钢柱而言，型钢的加入可以有效的减小柱截面尺寸，增加建筑实际使用的面积，提高柱子的承载能力；而对于混合结构中采用的钢-混凝土组合梁来讲，在大跨度结构中，可以有效降低截面高度，使得在相同层高情况下，钢-混凝土结构能增加空间净高，这样在设计时，可以大大减小建筑总高度，节约成本，提高经济效益。而由于构件尺寸减小，其自身的结构自重就相对减轻，相对于同等条件下的钢筋混凝土结构，其基础截面尺寸与厚度就可以相应减小，从而使基础的造价可以有效降低。同时，使用钢-混凝土结构可以加快施工速度。在抗震性能方面，钢-混凝土结构构件延性一般都要好于钢筋混凝土结构构件，所以如果设计得当，钢-混凝土混合结构的抗震性能要好于钢筋混凝土结构。由于钢结构或钢-混凝土混合（组合）结构构件的材料强度高，所以在相同承载力要求下，有着较好的抗侧力性能，钢-混凝土的结合，使原纯钢结构在防火方面的弱势得以大大改进，进而极大限度的提高了建筑防火性能。在我国现阶段的钢-混凝土混合结构应用中，高烈度区采用这种结构形式的建筑开始逐年增多。而且这种结构形式不仅仅限于高层建筑的使用，近些年，在多层建筑中，也逐渐开始采用以满足设计中大跨度结构的需求。比如一些大型体育馆，报告厅等，由于其内部需要大空间，稍早前一般是通过预应力梁来实现。预应力虽然能实现大跨度的结构形式，但其具有工艺比较复杂，反拱度不易控制等缺点，使得其在运用中存在一些不确定性；而钢-混凝土组合梁或型钢混凝土梁由于其承载能力高、延性好和施工方便等特点，使其越来越受大跨度结构的青睐。

如今通过对钢-混凝土混合（组合）结构不断的深化设计，实现了多种组合形式，例如：型钢剪力墙连梁、钢板剪力墙连梁和高含钢率型钢组合柱，使混合（组合）结构具有了更高的抗震性能，也为钢-混凝土混合结构的进一步发展提供发展空间。

科技的不断发展，钢-混凝土混合（组合）结构给超高建筑带来了理论依据，所以在高层以及超高层结构中具有非常广泛的应用前景，将这种混合结构的抗震性能进行提升，也能有效地应用在地震高烈度区域的建筑结构设计中，由此可见，在我国社会的后续发展中，由于钢-混凝土混合结构的这种优势，会使得钢-混凝土混合结构得到越来越广泛的应用^[2]。

3. 钢-混凝土混合结构类型与体系

（一）钢-混凝土混合结构中的结构构件。

型钢混凝土构件简单来说就是在原混凝土构件中设置型钢，并在其周围配置适量钢筋完成浇筑的结构构件。在高层建筑中对于型钢混凝土结构的使用一般是用在梁、柱、剪力墙和连梁构件中，型钢的加入，可以大大提高水平构件的抗剪、抗弯能力，可以减小柱等竖向构件的截面尺寸，同时又能提高结构的延性，所以在高层设计中得到了较为广泛的应用。钢管混凝土结构构件简单来说就是在钢管的内部采用高强度混凝土进行浇筑的一种结构，一般钢管内是不需要配置钢筋，钢管混凝土结构内的混凝土会受到钢管的约束，钢管混凝土柱抗压和抗剪承载能力相对普通钢筋混凝土优势较为明显。钢管混凝土的塑性性能好,防止了管内砼的脆性破坏。所以能够有效的提升自身的抗压强度和极限压应变能力，内芯的混凝土也可以有效的提升钢管的稳定性和强度，钢管混凝土结构相比于其他两种结构来说具有的抗震效果较好^[3]。钢-混凝土结构设计也已经有了相应的协会标准《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》CECS 230-2008、《钢管混凝土结构技术规程》CECS 28-2012、《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS 159-2004和行业标准《组合结构设计规范》JGJ138-2016等。

（二）钢-混凝土混合结构的体系

钢-混凝土混合结构类型有混合框架结构、双重抗侧力体系和非双重抗侧力体系三个重要结构体系。

在高层建筑中，为了提升高层建筑的抗变形能力，必须对梁、柱等重要构件的刚度及延性进行提升，采用钢-混凝土混合结构的高层建筑，主要就是在外围采用钢梁和钢柱形成的钢框架、型钢（钢管）混凝土框架或混合框架来代替以往结构中的钢筋混凝土梁和柱。在钢-混凝土混合结构设计中，也要对结构体系进行合理运用，才能使钢-混凝土混合（组合）结构在高层或超高层建筑中发挥出自身特有的优势。我国当前的钢-混凝土混合（组合）结构设计中，常采用的结构体系有：框架体系、框架-核心筒体系、筒中筒体系等。

框架体系，即利用横向和纵向的梁和竖向的柱共同组成框架结构体系，并承受水平和垂直方向全部荷载的建筑结构体系。当钢-混凝土混合（组合）结构采用该体系时，一般楼层数不高，但是跨度较大。为实现大跨度的需要，稍早的设计中，为了达到大跨度的效果，并满足空间的净高要求，一般都会采用预应力混凝土梁来实现大跨空间。然而预应力混凝土虽然能解决大跨度问题，并且在控制裂缝与减小梁截面方面有其自身的优势，但其也存在着前文所述的一些缺点，这时如果采用型钢混凝土结构就能很好的解决预应力梁所面临的一些问题。在钢筋混凝土梁、柱中，加入型钢，施工速度快，同时也能很好在减小梁截面的同时保证大跨度的实现，并且保证结构体系有良好的抗震性能和实用性。框架体系的钢-混凝土混合结构被越来越多的大跨度多层建筑所接受，也为建筑在空间上的进一步突破打下了理论基础。

框架-核心筒体系一般是由周围框架和内部剪力墙两种结构组合成的筒体结构形式，框架结构承担着竖向荷载和少量水平荷载，而核心筒则主要承担水平抗侧力的功能。在普通钢筋混凝土结构中，这种结构形式在高层结构中使用十分普遍，高层公共建筑用的尤其多。一般在建筑内部的垂直交通区域，比如电梯间，楼梯间，管道进等区域布置核心筒剪力墙，外围布置框架，使其组合体系合理承担竖向力与水平力。为了避免核心筒刚度过度强导致在地震力作用时混凝土墙体的开裂，需要通过合理的刚度分配，来达到整理建筑抗震性能的满足。框架-核心筒结构相较于筒中筒结构，更能灵活布置外围空间。这种结构形式的高层建筑，在满足竖向力的前提下，外围框架的梁柱尺寸必然会相对较大，进而导致其自重较大，成本较高，面对水平力时，变形也相对较大。如果在框架-核心筒的外围框架梁，框架柱，或内部核心筒的剪力墙内布置型钢或钢板，就能有效的减小外围框架梁柱及内部剪力墙的截面尺寸，进而减小自重，这就形成了钢-混凝土组合结构体系中的框架-核心筒结构这样的组合形式。由于这种结构形式的构件截面相对较小，其自重较轻，但延性较大，在面对风荷载和地震作用时，构件能展现出更大的抗变形能力，所以更适用于地震烈度相对较高的高层或超高层建筑使用^[4]。

筒中筒体系简单来说就是由内外筒组合来承担竖向及水平力的一种结构形式，所使用的结构形式主要有心腹筒，框筒等，在对这些部分进行组合时，一般是由心腹筒在内，框筒在中间或者在最外等方式来进行组合。在内外筒设计时，外筒结构通常由密柱组合在一起而形成框筒，这个结构形式通常意味着外柱密度相对较大，结构的整体性能较好，不管是在风荷载，或是地震力作用下，其自身结构都具有较好的抗变形能力，因此，很多高层或超高层建筑会选用这种体系。而在这种体系中加入型钢，使外筒框架的柱子和梁变为型钢柱，型钢梁或直接采用钢结构，则能更大限度的提高其抗侧力能力，为超高层建筑提供有力的技术支持。

4. 结语：

钢-混凝土混合（组合）结构是在现代社会科技提升的前提下进行发展的一种结构体系，这种结构体有着独特的优势，所以在当前社会的发展中得到了广泛的应用。由于钢-混凝土混合（组合）结构是对钢结构和混凝土结构进行组合使用的，所以具有钢结构和混凝土结构的双重优点，形成优势互补。钢构件具有材料强度高、延性好、截面尺寸小、能跨越较大跨度等优点；但用作竖向构件时，其抗侧刚度相对较小。钢筋混凝土墙体或核心筒，则具有较大的抗侧刚度和较高的受剪承载力。高层建筑采用钢构件和钢筋混凝土的构件两者兼有的混合结构，利用钢筋混凝土墙筒提供抗侧刚度和水平承载力，利用钢构件承担竖向荷载，则兼备钢结构和混凝土结构的优点。其侧向刚度大于钢结构，而结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。施工速度比钢筋混凝土结构有所加快，结构面积小于钢筋混凝土结构。在采用这种结构设计时，不但能提升高层建筑的承载力，还能有效的提升结构受力的性能。随着中国经济及技术的不断发展，这种结构形式不仅仅局限于建筑工程中使用，在一些水利，市政等方面也有着其独特的优势。所以钢—混凝土混合（组合）结构是目前适应我国国情的良好方案，也是建筑发展中不可或缺的一种结构形式，也必将在以后的建设中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]苏红艳.我国高层建筑结构发展与展望[J].居业,2015:145+147.

[2]康学峰.钢与混凝土组合结构在高层建筑中的应用[J].房地产导刊,2018:140-141.

[3]侯建民.论高层建筑钢与混凝土组合结构设计浅析[J].城市建设理论研究(电子版),2018:51.

[4]杜俐.我国高层建筑钢筋混凝土混合结构发展与展望[J].工业C,2016:37.