钢-混凝土组合结构施工技术研究

王 维（上海建工集团股份有限公司，上海 200080）

1 工程概况

某公司上海滨江项目位于上海市徐汇区市滨江区域，本工程地块东西总长约 131 m，南北约 102 m，总用地面积约13 094.00 m2，总建筑面积约 77 163.23 m2，地上计入容积率的总建筑面积约 68 885.20 m2。该项目由 1 栋 29 F 办公楼、1 栋 4 F 商业用房组成，地下 3 F。塔楼上部主要为甲级办公以及办公辅助用房。其中，塔楼 10 F、21 F 为设备层、避难层。裙楼 1、2 F 为商业餐饮，3、4 F 为办公区域。塔楼地下 2、3 F 为设备用房，地下 1 F 为设备用房及后勤。

塔楼为混凝土核心筒-装配整体式钢筋桁架楼层板，裙楼为钢结构框架。结构层为标准层高 4.5 m，1 F 7.5 m，2 F 5.5 m，3 F 4.5 m。混凝土强度等级为楼板、梁 C 40；柱C 60；核心筒剪力墙 C 40、C 50、C 60。混凝土厚度普通混凝土板厚 150 mm，外圈钢筋桁架板部位厚度为 110 ～ 150 mm；剪力墙厚度为 400 ～ 800 mm。

上部结构塔楼钢结构主要由核心筒内劲性钢柱、楼层劲性梁、钢筋桁架楼承板及塔冠框架结构组成。为确保顺利完成以上结构的安装，根据现场工况，需配备 2 台 ZSL 230 塔吊满足吊装条件。核心筒钢构分布于 L 1 ～ L 16，共 16 层，截面尺寸为 700 mm ～ 900 mm（高）× 300 mm（宽） ×30 mm（腹板厚） × 40 mm（翼板厚）。塔楼钢结构主要为楼层钢次梁。核心筒内楼面采用现浇混凝土楼面，核心筒外围结构楼面采用钢筋桁架模板混凝土楼板。桁架的次梁均采用钢梁，次梁适当起拱，结构出屋面层有一塔冠框架结构。钢框架为 Q 345 B；钢次梁为 Q 345 B、Q 235 B；钢板剪力墙为 Q 345 B；型钢柱为 Q 345 B。钢框架梁一般采用焊接 H 形截面，其余楼面次梁桁架梁采用轧制 H 型钢。建筑物耐火等级为一级。

2 组合结构优势

2.1 优化梁柱节点

本项目在考虑项目的质量、经济等各方面因素后，在塔楼主体结构施工中采取了将混凝土主梁与钢结构次梁结合进行的施工方式。最终，项目的质量及安全性方面得到较大的提升。

传统混凝土浇捣施工中，在梁柱交接位置，由于浇捣时间及混凝土级配不同等差异，较易产生冷缝等问题。既不美观又影响结构的安全性和承载力。项目在施工中次梁用钢梁代替混凝土梁，不仅在源头上杜绝了冷缝的出现，同时钢次梁与混凝土楼板形成组合梁，组合成整体使钢筋混凝土板成为组合梁的翼缘，强度、刚度较之非组合梁均明显提高。从而达到了有效降低结构高度、增加净空、降低工程造价、提高工程经济效益的效果。

以本项目为例，采用钢-混凝土组合结构，塔楼主梁（混凝土梁）尺寸为 1 200 mm（高） × 700 mm（宽），次梁（钢结构）尺寸为 490 mm（高） × 250 mm（宽）× 8 mm（腹板厚） × 14（翼板厚）/490 mm（高） ×250 mm（宽） × 16 mm（腹板厚） × 20 mm（翼板厚）。根据原设计计算，相同荷载下，若采用全钢筋混凝土主次梁，主梁尺寸需达到 1 440 mm × 840 mm，次梁尺寸需达到 800 mm × 600 mm 以上，因此每层净高较传统混凝土结构形式整体提高 140 mm，局部次梁区域提高 210 mm。且钢梁与混凝土梁相比，在设计允许的情况下，穿梁套管位置可在后阶段进行调整。以上优势使得钢-混凝土组合结构不仅可以提升楼层净空，还为后阶段机电综合管线排布留下了更多的调整空间。

2.2 应用预制构件提高装配式比例

本工程中，预制柱/钢柱数量达到 414 根，预制构件比例为 0.43；预制梁（钢梁）达到 14 879 m，预制构件比例为 0.42；预制板达到 489 m2，预制构件比例为 0.01；预制楼梯（钢楼梯）达到 11 个，预制构件比例为 0.79。项目单体预制装配率达到 26.97 %。现场现浇作业大幅减少，节约了资源及人工，符合绿色建筑的要求。

塔楼核心筒内为劲性钢柱，在混凝土未浇注前已形成钢结构，已具有相当大的承载能力，可承受构件自重和施工时的活荷载。塔楼次梁采取钢结构形式，虽增加了钢梁吊装时间，但整体取消了次梁模板、钢筋施工，提升了施工速度。裙房楼板为钢筋桁架楼承板，无须搭设排架模板，节省了大量木模板及其支撑，大幅加快了施工进度，缩短了施工工期。同时，相对于木模板而言，火灾发生的可能性有所降低。

若按照传统混凝土结构形式施工，主要流程为排架搭设→ 底模铺设 → 梁钢筋绑扎 → 侧模封闭 → 梁板面筋绑扎 →混凝土浇捣。参照本项目体量，一般每层施工周期为 7 d，本项目塔楼核心筒内采用劲性钢柱，提升承载力。次梁改为钢梁，虽增加了一道钢梁吊装工序，但项目通过划分东西施工区段交错施工，避免了吊装与主梁钢筋绑扎同时交叉施工，使吊装施工完全融入了主梁钢筋绑扎的工作时间段。由于省去了次梁钢筋绑扎的时间，且每层结构钢筋绑扎的工作量减少，为每层的结构施工至少节省了 0.5 d 时间。此外，本项目裙房楼板采取钢筋桁架楼承板，无须搭设排架模板。较传统排架模板施工工艺可在每块区域施工节省 1 d 时间，缩短了施工工期。

2.3 增强稳定性及抗震能力

考虑于本工程核心筒内增加劲性钢柱，使型钢、钢筋、混凝土 3 种材料协同工作。同传统的钢结构相比，型钢混凝土结构具有更大的刚度和强度、更好的局部和整体稳定性。且型钢混凝土结构用钢量大幅减少，具有良好的经济性。同传统的钢筋混凝土结构比，此结构承载力大、刚度大，具有良好的变形能力和延性，抗震性能优越。且可有效减小构件截面，增大使用空间，节省钢筋混凝土用量，可免除构件中的预埋件，有更好的抗震性能。型钢混凝土配置实腹式型钢比空腹式型钢具有更好的强度及延性，且抗震性能更好。

本项目由于在剪力墙中使用型钢柱进行加强，相比全钢筋混凝土结构，相同条件下剪力墙宽度缩小了 100 mm，增大了室内空间。同时节省了钢筋、混凝土等材料的用量。根据估算，塔楼层单层增大使用空间约 36.10 m2、节省混凝土用量约 158.84 m³。整栋塔楼合计增加使用面积约1 046.90 m2、节省混凝土用量约 4 606.36 m³，节省混凝土费用约 295 万元。

2.4 更好的防腐蚀性及防火性

钢-混凝土组合的结构形式相比传统结构形式而言具有更好的防腐蚀性及防火性。本工程主要竖向结构均采用劲性钢结构加外部混凝土整体浇筑的形式，其外部采用混凝土的厚度及材料特性，使得其整体防腐蚀性及防火性远好于传统钢结构防火保护层。同理，本工程主梁也采用混凝土形式，防腐蚀性及防火性均较好。

通过对比分析，钢-混凝土组合结构的防腐蚀性与防火性优势主要有以下几点。

（1）混凝土外包裹对其中劲性部分所起到的保护作用使得结构形式中钢构件部分可有效与外界隔离，不直接承受火灾及空气腐蚀，从而大幅度提高结构的防腐蚀性与防火性。

（2）混凝土本身有一定的热量吸收的功能，其结构中的钢构件在火灾中受影响减小，可使整体承受更高的外部温度，防火性能得以提升。

（3）混凝土的耐高温使得其可在高温中不变形，在钢构件受高温影响下屈服强度降低的同时，能够给结构整体提供一定的支撑作用，延缓钢-混凝土组合结构的整体破坏。

3 结 语

钢-混凝土组合结构作为一种较为新颖的结构形式，其特点在于既充分利用了混凝土与钢构件两种材料各自的优点，也克服了两者的部分缺点。混凝土部分增加稳定性、防火性和防腐蚀性，钢构件部分增加强度，减轻自重、减小截面尺寸，使得施工质量更可控，发挥的作用更明显。

在经济性方面，钢-混凝土组合结构对比钢结构而言，用钢量下降约 50%，造价降低 10% ～ 40%。同样对比混凝土结构，混凝土用量节约 50%，减小了截面，减轻了自重，增大了净空与面积。大幅降低基础部分成本，具有明显的经济效益优势。

本工程通过钢-混凝土组合结构地应用加快了施工进度，确保了施工质量，取得了良好的经济效益。对比传统单一结构形式，其优缺点总结如下。

（1）混凝土梁体采用传统施工方法，质量控制难度大，特别是梁柱交接等混凝土级配不同的位置，容易因施工顺序产生冷缝等施工通病。

（2）预制构件相比混凝土构件施工而言更为便利，节约资源，缩短工期，更符合国家目前大力发展推进装配式建筑的愿景。

（3）相同截面的钢-混凝土组合结构自重轻、承载力更高，建筑物抗震能力好。

（4）在相同的条件下，钢-混凝土组合结构的防腐蚀性及耐火性能优于普通钢结构。

（5）钢-混凝土组合结构有效减少用钢量，减小了构件的截面尺寸，增加使用空间，提高经济效益。

（6）由于施工时钢梁吊装与结构钢筋绑扎施工存在一定程度的交叉施工，因此对施工现场合理的施工区域分割布置、安全管控有着更高的要求。

（7）由于结构上钢梁与混凝土梁的交错布置，对施工现场的测量复核也提出了更高的要求，需要在钢梁放置阶段第一时间进行复核，防止万一偏位带来的预留洞无法使用的施工问题。