多高层钢结构中组合结构设计

曲 萍

(中国建筑上海设计研究院有限公司辽宁分公司,辽宁 沈阳 110000)

钢结构是现代建设主要应用的建筑形式之一，与传统的混凝土结构相比，具有高强度，结构自重较轻，抗震性好的特点。在同等强度要求情况下，钢结构应用的材质更少，所占的空间更小，这种优势对于当前建筑要求跨度较大，建筑周期较短的工程，具有独特的优势。钢材具有化学属性稳定，结构不易受到外界因素干扰的特点。钢材还具有非常强的可塑性能，延展性以及防震效果在建筑行业是首屈一指的。与此同时，钢结构中的构件都是提前制作完成的，施工人员可以根据图纸或者设计的方案进行安装，无需像传统混凝土建筑那样，等到混凝土达到养护周期，再进行下一阶段的施工。为工程其它阶段的建设，预留出大量宝贵的时间，使生产的效率大大的增强。

在当前多高层建筑施工的过程中，钢结构与混凝土建筑结构的组合，得到了更加具体的应用。楼板与钢梁利用栓钉等连接件进行连接，在混凝土楼盖中得到了更广泛的使用。与此同时，在钢梁的外侧用混凝土进行包裹，形成的钢骨混凝土结构的建筑体系，还有工程中大量用到的钢框架-钢筋混凝土核心筒，钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构等等。钢结构与混凝土结构的合理搭配，大大的丰富了建筑的表现形式，在建筑主体梁，板，柱的主体结构中得以更加广泛的应用。不但使结构的承载力得到了保障，还节省了建设周期。各种钢结构的组合形式，在主体结构的建设施工中起到了至关重要的作用，不但加强了主体的强度，还能够将主体内部的作用力合理的分配，使组合结构的刚度以及承重能力大大加强，是未来建筑行业发展的新方向。

1 多高层钢结构中组合结构的特点

1.1 钢与混凝土组合梁

钢结构具有自重较轻，承载能力强的特点。在正常情况下，利用具有抗剪性的连接件，如栓钉和槽钢等将钢与混凝土进行连接，组合成为一个整体。其强度要比钢筋混凝土梁的强度高出一倍之多。在高层建筑中应用钢与混凝土组合梁的组合形式，可以减少构件截面所占的空间，从而增加用户更大的使用面积，无论是对于企业还是用户，都具有积极的推广意义。

钢与混凝土结构组合梁能更好的发挥钢材的抗拉属性，还能更好的展现混凝土的抗压特点，组合梁的挠度比单独钢梁作业的挠度要小上1/3～1/2，在挠度不发生变化的情况下，梁的整体高度可下调15～20%。与传统的混凝土结构梁体相比，梁体自身的重量会再减少1/2。由于组合梁结构可以提前进行制作，在工程建设时，只需要将提前制作的构件进行组装，不仅可以节省大量建设的空间，时间，同时还可以为企业创造更大的经济利益。作业的流程也变得更加简化，减少支模，胀模的消极影响。并且，结构的强度以及抗拉，抗剪的性能也要高出混凝土结构很多。

另外，组合梁与单独的钢梁相比，也有较明显的优势。承重的能力要高出普通钢梁的1/2，强度也要高出它的一倍以上，而且其稳定的性能变得更加突出，组合梁的抗压性能及抗弯能力的优越性也非常明显，在建筑的主体结构中应用组合梁，可以使关键部位的局部强度得到更好的提升，还能增加整体结构的使用寿命，由于连接处被混凝土包裹，减小了横截面氧化的接触面积，所以耐久性能与防腐的性能均有所改善。

1.2 组合梁的抗弯性能

组合梁的抗弯性能可以应用截面法进行计算。用n代表混凝土的参数换算成组合梁的参数与模量相除，钢换算为混合梁截面与模量相乘可得到n=Es/Ec，对于组合梁极限抗弯性能计算时，则以《钢结构设计标准》作为依据。还可能照《混凝土结构设计规范》的表述进行计算。不同材质的结构应用不同构件的规范进行计算。如果应用塑性方法实行设计时，其内力计算上调的幅度系数不应大于15%。以确保组合梁抗弯性能的客观性。例如，长为L的等截面简支梁，承受均布载荷q的作用。从弹性理论看，正中央截面的弯矩最大，Mmax=qL2/8，最大应力为σ(max)=Mmax/Wz≤[σ]其中Wz为抗弯截面模量，因此q≤8[σ]Wz/L2即是梁能承受的最大均布载荷，q是可以达到这个值的。

另外，组合梁在其荷载达到极限时，能够更好的展现其延展性的特点。组合梁最下端的腹板已接近最大的强度值，其受力弯度与抗压应力应保持最远的距离，弯度的作用力最小，因而可以最大限度的发挥组合梁的抗弯优势。强度的增加，能使滑移的负面效果降到最低，使得实测与塑性计算的理论更好的统一。

1.3 钢与混凝土结构连续组合梁

随着建筑行业新技术的不断推广，钢与混凝土结构连续组合梁在多高层建筑中，得到了更好的应用。在生活中经常会看到多跨度的大桥，在计算中也可以简化成多跨连续梁的模型，连续组合梁的抗弯性能，主要以钢梁作为抗弯的主要构件，如果钢梁在受压区域，局部可能出现失稳的现象。因此，连续组合梁在挠度不变的情况下，能实现最大程度的跨高比例。从而使内部支座楼板的裂缝得以更好的控制，连续组合梁的抗震系数与整体抵抗荷载的能力，较混凝土结构建筑或钢结构的综合能力更强，其结构整体性更加完整。但在具体应用过程中，应充分考虑到混凝土构件的抗拉性，以及钢梁的受压属性都不是很好，这些因素会使得连续组合梁出现不稳定的情况。因此，在进行连续组合梁的设计中，要给予足够的重视，利用组合梁的强度优势，消除或减弱连续组合梁整体抗拉及负弯矩能力差的缺点，取长补短，从而使连续组合梁更好的应用到多高层建筑的结构中。

2 钢—压型钢板混凝土组合应用特点

2.1 压型钢板与混凝土组合梁

钢—压型钢板混凝土梁，按照组合的形式分类，可分为垂直与平行两种形式。主要以钢板肋与梁所呈现的关系作为划分的依据。按照钢板的顺序划分又分为顺置与倒置两种类型，按照类型划分可分为闭口，开口，以及缩口三种类型(图1,2,3)。压型钢板相当于一次性模板，在使用的过程中，省去混凝土模板的各项流程，让整个工程作业的效率得到了更好的保证。为企业节省了大量的资金。与此同时，作为侧向支撑的主要构件，大大的加强了钢梁的一体性。钢板还可以作为工程建设的工作面，使整个作业的过程更加便利。而且钢板作业期间呈现的凹槽可以用作弱电与强电的线材通道。如果不用作线材的存放，还可以用作建筑的通风管道。

图1 闭口

图2 开口

图3 缩口

2.2 压型钢板混凝土组合板

压型钢板混凝土板的作法，主要由具有抗剪能力连接的构件与钢梁进行组合，形成一个整体的楼板。能够达到均匀受力，相互协调的作用。其在受力的过程中，可以更好地展现钢材的抗拉及抗压的优秀属性。另外，整体构件的自重很小，可塑性能强，操作较为便利，其费用较混凝土结构的建筑要节省得多，大大增加了工程建设的安全强度。

3 钢管混凝土特点

钢管混凝土是当前钢与混凝土结构主要应用的形式之一。当前主要应用的有圆形与矩形两种。在这两种形状的钢管之内填置混凝土，这种型式的结构能满足三向应力的需求。可以将混凝土的最大的强度性能得以发挥，韧性及塑性较传统的混凝土结构也有很大的改善。混凝土的作用使得钢管在受到侧应力时，可以起到支撑作用，能更好地展现钢管的韧性。二者完美地融合为一体，充分发挥两种材质的优势，钢管还可以作为工程建设过程中的模板。在同等强度要求下，钢管混凝土的截面只需纯钢混结构的1/2，不但增大了应用的空间，还使构件整体的体积得到更好的控制，在当前建筑行业中被广泛认可并应用。

4 钢骨混凝土特性

钢骨混凝土是以钢骨为主要原料，利用钢筋对钢骨进行包裹，与混凝土进行浇筑而形成的一种结构。由于有钢结构部分的加持，使结构自重减轻很多，所以钢骨混凝土的抗震性能必然要远远好于纯的钢筋混凝土结构。在具体应用的过程中，根据工程建设的实际情况，进行合理的选择，使钢骨混凝土结构最大限度的发挥自身的优势。这种形式的构件能更好的提升整体的刚度，其抗剪能力，抗弯能力远远要大于单纯的钢结构构件或者钢筋混凝土结构的构件。与此同时，外包钢骨混凝土优秀的防火性能以及耐久的属性，也是当前建筑行业应用所推崇的重要性能。

另外，钢骨混凝土结构与当前建筑行业使用的钢混结构进行性能比较，其整体强度性能及结构的韧性都发生了本质的变化，实腹钢骨构件的抗剪能力要远远高于普通钢混结构构件，而且钢骨混凝土结构占用的空间较小，会节省大量工程建设的空间以及成本，其高强度使得工程整体稳定性更加突出。

5 结 语

综上所述，通过多高层钢结构中组合结构设计分析，认识到多高层钢结构中组合结构的特点，钢与混凝土组合梁，组合梁的抗弯性能，钢与混凝土结构连续组合梁。以及钢-压型钢板混凝土组合应用特点，压型钢板与混凝土组合梁，压型钢板混凝土组合板，钢骨混凝土特性，钢管混凝土特点，相信在专业人士们的共同努力之下，多高层钢结构组合结构的设计会更加的合理，应用的范围也会更加的广阔，不但可以弥补钢筋混凝土抗剪性能的不足，还能更好的展现钢结构的韧性及强度，将二者进行完美的融合，使结构更加稳定，更好地服务于国家的经济建设。