型钢混凝土在房屋建筑施工中的应用

裴涛

合肥建筑质量安全监督站

1 引言

型钢混凝土结构具有承载能力强，刚度大，构件截面尺寸小，适合大跨度结构工程，且抗震性能好，有利于降低工程造价，且型钢混凝土施工方便简单，材料利用率高。型钢结构按照结构形式可以分成实腹式、空腹式。其中，空腹式是通过缀条、缀板连接槽钢与角钢，形成稳定性很好的结构。实腹式则是直接将型钢与钢板焊接在一起，如图1。

图1 型钢混凝土构件截面

面对新兴的超高层建筑建设，目前世界各地都更倾向于使用型钢混凝土的组合结构。型钢混凝土组合结构具备别的结构所不具备的特殊优点，是一种非常具有魅力的组合结构形式，并且越来越普遍地应用在各种建筑和桥梁结构中。总之，凡是可以使用钢筋混凝土结构的，都可以使用型钢混凝土结构。

2 型钢混凝土组合结构的特点

2.1 承载能力高、刚度大

型钢混凝土结构是型钢包裹混凝土形成的结构整体，型钢与混凝土形成受力整体，共同承受荷载，力学性能更优。同时还能够解决钢结构耐火性、耐久性不优，易屈曲失稳等短板，使型钢性能可以充分施展出来，而且可以最大限度利用混凝土的抗压性能以及钢材的抗拉压性能。

2.2 抗震性能好

外包混凝土对型钢产生强大的限制作用，能够避免型钢的局部屈曲，增强型钢骨架的整体刚度和抗扭能力。因为配置了型钢，大幅度提高了构件的承载力，特别是采用实腹型钢的型钢混凝土组合结构构件，它的抗剪承载力得到极大提高，而且使得受剪破坏时的脆性性质得到极大改观，使它拥有比钢筋混凝土结构构件更杰出的延性和耗能性能，展现出良好的抗震性能。

2.3 综合经济效益好

由于型钢混凝土组合结构可以最大限度利用混凝土抗压性能好的长处，与钢结构相比能够减少大概1∕3的钢材用量，并且避免了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能差，必须频繁维护的弊端。与钢筋混凝土结构相比，承载能力一致的条件下，型钢混凝土组合结构截面更小，自重更轻，布置更灵活，进而节省了成本。

2.4 施工便捷，施工周期较短

型钢混凝土组合结构在施工时，型钢骨架既可以替代脚手架工程，用作下方楼层浇筑混凝土的操作平台，又能够当作临时的支架负担上方若干层施工荷重，所以，型钢混凝土结构无需待混凝土达到一定强度就能够接着进行上层的施工，很大程度上缩短了施工周期。

3 型钢混凝土组合结构的结构类型

型钢混凝土结构组合中，可以是全部构件都采用型钢混凝土，也可以是部分构件采用型钢混凝土。这两种组合形式都可以广泛应用于各种结构体系中，比如核心筒、框剪结构、大空间结构体系中等。型钢混凝土构件的应用形式主要有以下几种：第一，型钢混凝土框架结构；（2）型钢混凝土框筒或核心筒结构；（3）地下结构或底部几层采用型钢混凝土，地上采用钢结构；（4）框架柱使用型钢混凝土，梁使用钢或钢筋混凝土。如果通过受力科学、经济实惠、施工便捷等可行性分析及验证，还可以使用另外的组合形式。

4 型钢混凝土组合结构计算方法

4.1 关于型钢混凝土组合结构的计算

依据目前情况，世界其他国家对型钢混凝土构件的计算方法大约可以分三类。

（1）以试验及数值计算为基础，从钢结构计算理论出发，考虑混凝土对型钢刚度的提升，依照钢结构稳定理论计算。该算法适合用在含钢率较高的情形。

（2）按照钢筋混凝土计算理论，将型钢和混凝土看作一个整体，分析这个整体构件的受力情况，并进行内力计算。这种方法没有考虑型钢与混凝之间的黏结，不能完全反应型钢与混凝土的受力状况。

（3）承载力叠加法。该方法于1950年被日本学者提出，该方法将型钢与混凝土分别单独计算，假设二者相互独立，且在型钢不发生屈曲，对型钢与混凝土的内力分别进行计算，然后将二者承载力与刚度的计算结果进行叠加，该结果就是型钢混凝土刚度与承载力情况。承载力叠加法计算方法下，型钢与混凝土并没有真正达成同步工作状态，仅仅是将二者内力计算结果进行叠加，作为型钢混凝土组合构件的抗弯能力。除此之外，这个方法对构件的刚度计算时将弹性理论作为基础，也就是取两者的弹刚度作为构件刚度。

4.2 型钢混凝土内力计算

主要有两种方法：第一，利用概率论的理论，按照极限状态设计，假设构件达到极限状态时，型钢与钢筋混凝土具有一致的中性面，利用力矩与力的平衡，建立受力平衡的方程；（2）承载力叠加法，也就是将这两个单独计算出来，最后加在一起。

5 结构选型和布置中要注意的问题

5.1 结构选型的问题

结构选型也依据建筑的使用功能，建筑高度等因素，尤其是高层建筑，要结合多项因素综合考虑，选择最佳结构体系，然后依据结构布置，对结构构件进行合理的受力分析，确定构件选材与截面尺寸，在选型中，除了要满足建筑功能性的要求，还应当注意兼顾经济性、美观性与安全性。如果建筑层高较高、柱距较大，这时候结构柱内力较大，受到轴压比的限制，柱的截面尺寸也应当稍微大一些。这样就会增加建筑结构自重，消耗大量的建筑材料与其他能源，对建筑功能也可能产生一些影响。型钢混凝土组合结构对处理这些矛盾有一定的帮助，面对跨度较大同时楼层较高的情形时，应用型钢混凝土组合结构，能够提高建筑结构的科学性和美观性。

5.2 侧向失稳问题

在型钢混凝土结构中，如果型钢与混凝土黏结不到位，造成黏结应力不足，则可能造成构件开裂，导致型钢外包裹的混凝土剥落。例如在型钢混凝土柱中，由于两种材料之间黏结不足，造成型钢柱自身强度不足，在荷载作用下，结构柱型钢屈服，引起型钢混凝土结构柱侧向失稳。另外，由于型钢外混凝土剥落造成型钢混凝土柱的侧向刚度不足，同样造成结构柱的失稳。因此，型钢混凝土组合结构中，处理好型钢与混凝土之间的黏结，是有效规避结构构件出现侧向失稳的关键因素。

5.3 构件经济比较

型钢混凝土组合结构中，型钢截面的选择，配筋率的控制，以及构件的截面尺寸选择等问题，必须结合规范进行严格的验算，在设计中科学计算，并进行一定的优化设计。受到建筑功能、跨度等因素的影响，会对构件截面有一定的限制，在设计阶段，要结合各类材料的力学性能，合理选择截面面积，避免截面面积过大或者型钢占比过高的现象。对于型钢的选择，优先选择实腹式宽翼H型轧制型钢和各种焊接型钢。除此之外，如果选择十字形钢，则需同时配置合适的箍筋与纵筋，保证结构构件受力合理，能够满足规范及设计要求。最后，必须控制优化型钢混凝土设计，控制型钢外包裹的混凝土的厚度，对配筋率进行严格的验算，达到截面的最优状态。

6 型钢混凝土组合结构在房屋建筑中的应用

6.1 节点中的应用

在型钢混凝土组合结构中，两柱节点是设计及施工中的重要控制点，梁柱连接的位置，要处理好型钢及内部配筋的连接问题，选择套筒连接的形式，将套筒与柱翼缘联结。在施工阶段，梁柱连接点是施工难点，施工操作比较困难，为了便于施工，可以设置不通长布置的加劲肋，在翼缘之间以及梁水平筋的位置，合理设置加劲肋，翼缘板周边一定范围内合理设置加劲肋。在加劲肋高度设置上，必须经过验算，确定高度能够满足要求。这样能够最大限度保证梁结构翼缘拉力可以成功传达给桩基，并且防止翼缘板出现弯曲的现象。

6.2 结构装配中的应用

钢结构构件在工厂统一加工运至施工现场进行现场拼装，构件运至施工现场后先进行构件的检查，确保构件无损伤，检验合格后开始进行现场的预拼装，再进行构件的校正，待构件验收合格，采取分段运输的方式运送到施工地点，在连廊支撑架上完成钢桁架的组装。另外，如果选用十字型钢柱，则会增加施工难度，现场拼装中，要注意不同构件之间的连接问题，按照规范要求进行构件的吊装与拼装，做好施工过程中的安全保护，确保施工安全，提高施工质量。

6.3 质量控制要点

型钢混凝土施工工艺较普通钢筋混凝土有所不同，质量控制要点也有一定的差异性。不仅设计重点有差异，施工技术难点也有不同。型钢混凝土组合结构中，要明确型钢位置，根据型钢翼缘板的宽度，确定框架的宽度，由于钢筋直径对结构构件力学性能有较大的影响，因此，在型钢混凝土中要精确钢筋孔径，根据设计图纸，明确梁柱钢筋穿孔的位置，此外在型钢中，要选取纵横方向的穿孔位置，两者之间应该留出一个孔径的间隔。进行型钢混凝土组合结构施工时，必须重视对施工过程的质量控制。

7 结语

鉴于型钢混凝土组合结构优越的力学性能，人们在房屋建筑结构中对它的应用越来越普遍。但同时，它又是一种具有一定技术难度的施工方式。我们应当加大科研工作的研究力度，深入完善计算理论知识，尽可能有针对性地将型钢混凝土组合结构推广到更多建筑领域，这样必定能够优化和改善建筑结构抗震性能，对我国建筑行业发展乃至社会经济发展都将具有极其重大的意义。