多高层钢结构中组合结构设计

孙军　战书东

【摘 要】 在高层钢结构中，钢-混凝土组合结构得到了广泛应用，如在钢与混凝土组合楼盖中，将混凝土楼板和钢梁通过栓钉等连接件组合在一起，就形成了钢-混凝土组合梁或组合连续梁；或者在钢梁外包裹混凝土组成钢骨混凝土梁共同工作等等。组合结构形式多样，又各有其不同特点。笔者首先阐述了多高层钢结构的设计特点，其后就其中的组合结构设计进行了具体分析，以供参考。

【关键词】 多高层钢结构；组合结构；特点

【Abstract】 In high-rise steel structures， steel-concrete composite structures have been widely used. For example， in steel and concrete composite floor slabs， concrete slabs and steel beams are combined together by means of studs to form a steel-concrete composite beam. Or a combination of continuous beams； or steel beams wrapped with concrete， composed of concrete， reinforced concrete beams， etc. The compositional structure is diverse and has its own characteristics. The author first elaborated on the design features of multi-storey high-rise steel structures， and then carried out a detailed analysis of the combined structure design for reference.

【Key words】 High-rise steel structure；Composite structure；Characteristics

我国经济建设持续发展，于上世纪90年代初期与末期分别形成了两个高层钢结构建设的高峰期，至今已建成以上海环球金融中心为首的地上101层、总高度492m，高度居世界最高建筑的第三位，还有金茂大厦88层、总高度421m。08年奥运会主会场鸟巢的建成，表明我国国产高性能优质钢板、厚板以满足高层钢结构的用材要求。目前，我国已具备建造高层、超高层钢结构的能力，本文就多高层钢结构中的组合结构设计展开论述。

1. 多高层钢结构的设计特点

（1）设计应遵照专门的设计规程“高层民用建筑钢结构技术规程”进行。应严格要求合理的结构布置与结构体系的选用（如控制结构的偏心率与高宽比等），以及合理的技术经济性能。

（2）结构的抗震设计应进行两阶段设计，第一阶段设计按多遇地震计算地震作用，第二阶段按罕遇地震计算地震作用，并分别验算其位移限值及层间侧移延性比等限值的要求。

（3）严格要求对侧移变形的控制。为了避免过大的P-△效應以及舒适度与围护结构不严重损坏要求，结构设计必需满足规定的顶点位移与层间位移限值要求，致使结构的侧向刚度往往是设计中的控制指标。此外，为参照考虑舒适度的要求及避免横向风振的发生，还应验算风荷载作用下的结构顶点加速度与临界风速等。

（4）结构抗震设计对节点抗震承载力验算及构件长细比、板件宽（高）厚比、焊透要求、支撑要求等抗震构造措施，在新的“抗震规范”中均有严格的、专门的要求。

（5）因设计计算的复杂性与较高难度，要求采用更加准确与完善的计算方法与手段，如以风洞试验确定风荷载体型系数，抗震设计需采用震型分解法、弹塑性分析、时程分析法，以及相应的专用计算机软件等。

（6）对钢材等材料的选用要求更高、更严格。如对厚板、H型钢、枪钉、高强螺栓等选用，以及对Z向抗撕裂性能、焊接性能、冲击韧性、延性性能等技术性能的选用等。要求设计人员对所用钢材性能及应用要求有更多了解。

（7）在设计管理及程序上也有严格的要求。如对超规超限的高层钢结构抗震设计，其方案应经专家论证审查通过，同时高层钢结构的计算分析一般应有校核复算（采用不同程序）。

（8）新修订的《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）明确对50m、50～200m及200m以上的多层钢结构规定了抗震设计的有关参数（阻尼值、长细比、板件宽厚比等），需注意区别采用。

2. 组合结构设计

组合结构主要包括组合柱、组合梁和组合楼板。组合柱包括钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱等；组合梁包括钢梁-混凝土楼板组合梁、钢梁-压型钢板混凝土楼板组合梁、钢骨混凝土梁等；组合楼板包括压型钢板-混凝土叠合楼板等，由这些组合结构构件可以构成组合结构体系。本文主要就钢-混凝土组合梁的设计进行了具体分析，如下：

2.1 钢-混凝土组合梁的特点

承载力高刚度大，抗震性能好。无组合作用下刚度I1= bh3/12+bh3/12= bh3/6。有组合作用，刚度I2= b（2h）3/12= 2bh3/3。刚度比：I2/ I1= 4.0，刚度提高了3倍。同混凝土梁相比，减轻自重50%以上，减小地震作用，减小构件尺寸，降低基础造价，减轻自重带来的综合效益相当可观；减小结构高度，施工简化，周期缩短，工厂化制作，不需支模，不需搭脚手架；减少预埋件数量，整体性强，抗剪性能好，抗震性能提高。同钢梁相比，承载力提高50%以上，刚度提高100%以上，整体稳定性提高，混凝土板作为钢梁的连续侧向支承，局部稳定性提高；耐久性增强，上翼缘被混凝土覆盖，防腐面积减小。

2.2 组合梁截面弯曲强度。

（1）弹性弯曲强度

换算截面法：把混凝土换算成钢-混凝土截面参数除以模量比n；把钢换算成混凝土-钢梁截面乘以模量比n，n= Es/ Ec（钢与混凝土的弹性模量比）。

（2）极限抗弯强度

按全截面塑性发展进行组合梁截面承载力计算时，钢梁及连续组合梁所配负钢筋的抗拉强度设计值，按《钢结构设计规范》及《混凝土结构设计规范》中相应的规定取值。混凝土强度按《混凝土结构设计规范》中的相应规定取值。对于连续组合梁采用塑性设计方法时，内力调幅系数不超过15%。钢-混凝土组合梁具有极好的延性，對于完全剪力连接组合梁，在承载力极限状态时，钢梁下翼缘甚至部分腹板已进入强化阶段，并且这部分截面距混凝土压应力合力点的距离最远，故强化效应有利于增大，因此强化效应对弯曲极限强度的提高可以弥补滑移效应引起弯曲极限强度的降低，这就是大部分实测弯曲极限强度与简化塑性理论计算值吻合较好的原因。考虑强化效应的有利影响，滑移效应对极弯曲强度的影响可以忽略不计。

2.3 钢-混凝土连续组合梁

（1）欧洲规范4（EC4）将钢-混凝土连续组合梁定义为：“组合梁具有三个或更多个支座，其中钢梁在内支座处连续或用完全刚性节点连接，而且支座传递给梁的弯矩较小，在内支座处组合梁可以配有受力钢筋或仅有构造钢筋。”当截面构造及荷载条件相同时，连续组合梁相对于简支组合梁的优势主要有：在一定的挠度限值下可以采用更大的跨高比；更有效地控制内支座附近楼板的裂缝宽度；楼板体系整体性能好，抗震及承受动力荷载的能力更强，但连续组合梁负弯矩区会出现混凝土板受拉、钢梁受压的不利情况，需要在设计过程中加以重视。总之，其综合性能相对于钢材受拉、混凝土受压的简支组合梁仍具有优势。

（2）由于混凝土开裂等因素的影响，很难精确计算连续组合梁的内力和变形。采用弹性分析时，考虑刚度分布和截面强度特征，当任何截面的内力达到其弹性强度时，组合梁达到弹性承载力。正弯矩区的刚度与简支梁相同，负弯矩区的刚度仅考虑钢梁和钢筋形成的组合截面。弹性分析的困难在于正、负弯矩区的长度难以确定。

塑性分析可采用极限平衡法：将结构简化为一系列由塑性铰连接的刚性杆组成的破坏机构，直到某一跨形成足够的塑性铰并产生了最弱的破坏机构时连续组合梁达到其承载力。内力分析决定于构件的强度和延性，与截面刚度无关。根据破坏机构和各个塑性铰的抗弯强度，利用极限平衡法可以计算连续组合梁的极限承载力。

3. 结语

综上所述，组合结构在建筑工程中的应用十分广泛，结构钢和混凝土的巧妙结合，充分发挥了两者的材料特性，扬长避短。混凝土抗压强度高，抗拉强度低，脆性大，延性差；钢材抗拉强度高，延性好，受压易失稳。除了用于建筑，在桥梁结构、地下结构、结构加固与改造等领域也产生了良好的综合效益，具有广阔的发展前景。

参考文献

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[3] 万江.多高层钢结构各种结构体系的优点与不足[J].住宅与房地产，2015（19）：154～155.

[文章编号] 1619-2737（2018）01-15-615