1、型钢混凝土组合结构的应用研究摘要：型钢加在钢筋混凝土结构中，且型钢的延性和它的固有强度都较好以及混凝土、钢筋型钢三种材料合为一体地共同工作使型钢混凝土组合结构具备了较明显的优势。与普通的钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土组合结构具有刚度大、承受荷载的能力强、抗震性能大的优点。与纯钢结构比较而言，型钢混凝土组合结构的防火性能较好，局部结构和整体结构整体性及稳定性均较好，最主要的是能降低造价。有目的性地推广应用此类组合结构，对我国大跨度建筑、高层及超高层建筑、桥梁工程和特种结构的发展、优化和改善结构抗震性能都具有极其显著的意义。因此，以下就型钢混凝土组合结构在高层及超高层建筑、桥梁工程中的应用做了如下
2、搜集整理，为今后此方面的深入研究奠定基础，促进型钢混凝土组合结构在其他建筑工程领域的发展应用。 关键词：型钢混凝土组合结构，型钢，型钢混凝土梁，型钢混凝土柱，应用 中图分类号：TU37 文献标识码：A 前言 型钢混凝土组合结构是由混凝土包裹型钢做成的结构。它的特征是在型钢结构的外面有一层混凝土的外壳。型钢混凝土组合结构中的型钢除采用轧制型钢外，还广泛使用焊接型钢。此外还增加钢筋和钢箍配合使用。这种组合结构在各国均有不同的名称，在英美等国家将这种组合结构称为混凝土包钢结构（ Steelencased Concrete)，在日本则称为钢箍钢筋混凝土，在苏联则称为劲性混凝土。我国在 50 年代就从前
3、苏联引进了劲性钢筋混凝土结构；60 年代以后，由于片面强调节约钢材，型钢混凝土组合结构的应用推广就显得很难进行；直到 80 年代后，型钢混凝土组合结构在我国又一次被兴起起来。北京国际贸易中心，香格里拉饭店和京广大厦等超高层建筑的底部几层都是日本建筑专家在中国设计的型钢混凝土组合结构。 国内外专家试验显示，在低周期反复荷载作用下型钢混凝土组合结构拥有良好的滞回特性和耗能能力。特别是型钢混凝土组合结构构件内配置的是实腹型钢，它的延性性能、承载力和刚度，比配置空腹型钢的型钢混凝土组合结构构件更胜一筹。 型钢混凝土梁和柱是型钢混凝土组合结构中最基本的构件，实腹式和空腹式为型钢的两大类。实腹式型钢一般是
4、由型钢或钢板焊成，较常用的截面形式有大写的英文字母 I 型、H 型、工字型、T 型、槽形和矩形及圆形钢管等。一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成的是空腹式构件的型钢。型钢混凝土框架是由型钢混凝土柱和梁组成的。采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁作为型钢混凝土组合结构框架的框架梁。钢筋混凝土剪力墙可在高层建筑的型钢混凝土框架中设置，型钢支撑或者型钢桁架也可以设置在钢筋混凝土剪力墙中，或将薄钢板预埋在剪力墙中，通过这几种处理方法就可组成各种形式的型钢混凝土剪力墙。在超高层建筑中，型钢混凝土剪力墙的抗剪能力以及延性比钢筋混凝土剪力墙能发挥更好的作用。 1）型钢混凝土组合结构中的型钢可不受含钢率的限制，其承
5、载能力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件的承载能力的一倍以上；可以减小构件的截面，对于高层建筑，可以增加使用面积和楼层净高。 2）型钢混凝土结构的施工工期比钢筋混凝土结构的工期大为缩短。型钢混凝土中的型钢在混凝土浇灌前已形成钢结构，具有相当大的承载能力，能够承受构件自重和施工时的活荷载，并可将模板悬挂在型钢上，而不必为模板设置支柱，因而减少了支模板的劳动力和材料。型钢混凝土多层和高层建筑不必等待混凝土达到一定强度就可继续施工上层。施工中不需架立临时支柱，可留出设备安装的工作面，让土建和安装设备的工序实行平行流水作业。 3）型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高，尤其是实腹式的构件。因此，在
6、大地震中型钢混凝土组合结构呈现出优良的抗震性能。日本抗震规范规定高度超过 45m 的建筑物，不得使用钢筋混凝土结构，而型钢混凝土组合结构不受此限制。 4）型钢混凝土框架较钢框架在耐久性、耐火度等方面均胜一筹。 由于型钢混凝土组合结构有如此诸多优势，因此，以下就型钢混凝土组合结构在高层及超高层建筑、桥梁工程中的应用做了如下搜集整理，为今后此方面的深入研究奠定基础，促进型钢混凝土组合结构在其他建筑工程领域的发展应用。 1 型钢混凝土组合结构在大跨度建筑工程中的应用 浙江广厦学院文体中心拟建在浙江广厦建设职业技术学院建筑工程分院北面，此文体中心是由浙江大学建筑设计院设计，有浙江省浙南综合工程勘察测绘
7、院勘察。此工程现在已处在二层主体结构施工阶段，整个建筑长宽高为 174.6m139.2m26.5m，地上三层，地下局部 1 层。主体结构设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度为非抗震，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，地下防水等级为二级，建筑物耐火等级为一级。基本风压取 50 年一遇基本风压 w=0.35KN/，雪荷载为0.55KN/，地面粗糙度为 B 级，体型系数为 1.3，其中型钢混凝土组合结构部分构件计算采用 MIDAS GEN ver.730 软件。在结构设计方面也有部分结构采用型钢混凝土组合结构，采用此结构的目的主要是其能满足大跨度，增大使用空间的实际使用要求，型钢混凝
8、土组合结构部分构件计算采用 MIDAS GEN ver.730 软件。型钢柱和型钢梁所用钢板及热轧型钢均采用 Q345B.。钢檩条、钢板天沟采用 Q235B。 在室外或有侵蚀性气体环境中的称重钢结构宜采用耐候钢，型钢混凝土组合结构混凝土强度等级按结构设计说明，按最大骨料粒径 25mm。 型钢混凝土组合结构构件中，纵筋间净间距，对梁不小于 30mm，对柱不小于 50mm，且不小于粗骨料最大粒径的 1.5 倍及钢筋最大直径的1.5 倍。纵筋与型钢钢骨的净间距不小于 30mm，且不小于粗骨料最大粒径的 1.5 倍。纵向受力钢筋的混凝土最小保护层厚度应符合国家标准相关规定。型钢钢骨的混凝土梁保护层最小
9、厚度不宜小于 100mm；型钢钢骨的混凝土柱保护层最小厚度不宜小于 150mm。型钢钢骨混凝土结构的混凝土最大骨料直径宜小于型钢钢骨外侧混凝土保护层厚度的三分之一，且不宜大于 25mm。为保证混凝土的浇筑质量，在梁、柱节点处及其他部位的水平加劲肋或隔板上应预留透气孔。型钢钢骨梁端箍筋设置时，其第一个箍筋应设置在距节点边缘不大于 50mm 处。在型钢钢骨上穿孔应兼顾减少钢骨截面损失与便于施工两个方面。型钢钢板上的空洞，应在工厂采用相应的机床或专用设备钻孔，严禁现场用氧气切割开孔。钢筋混凝土次梁与型钢钢骨混凝土主梁连接时，次梁中的钢筋应穿过或绕过型钢钢骨混凝土主梁中的钢骨。当框架柱一侧为型钢钢骨混
10、凝土梁时，另一侧为钢筋混凝土梁时，型钢钢骨混凝土梁中的钢骨伸长段范围内，钢骨上下翼缘应设置栓钉。 2 型钢混凝土组合结构在高层及超高层建筑工程中的应用 日本是一个岛国，也是一个地震发生频率很高的国家，由于受地理条件限制的原因，迫使日本建筑结构专家必须找到一种既有实用性又有良好抗震性能的结构形式。目前世界上型钢混凝土组合结构研究和工程应用最多的国家就是日本。在日本，采用型钢混凝土组合结构的高层建筑大约占到 50%左右，由型钢混凝土组合结构和其他结构再复合而成的混合结构的数量也是相当可观的。 在我国，龙希国际大酒店就是其中一例，龙希国际大酒店是集酒店式公寓及附属公共配套设施于一体的超高层综合体。此
11、工程建筑高度328.0m,总建筑面积达 212987.42。由 3 个 60 层（高 252.6m)的外围筒体和 1 个 74 层（高 328m)的中央核心筒体构成，中央核心筒体顶部设有一直径为 50m 的球体结构。主要结构形式采用型钢混凝土组合结构，外围3 个筒体采用外框架-内筒体结构。外框架采用钢管混凝土柱、型钢混凝土组合梁框架结构，内筒体为型钢混凝土组合结构。 此工程在建筑上的独特设计在于整个大楼顶部设置一直径为 50m的球体，在球体下方的支撑构件-中央核心筒体中，型钢混凝土组合结构担起了承受顶部球体荷载的主要任务。结构中设有实腹式 H 型钢柱，并在每层平面中有型钢梁相连，在剪力墙混凝土
12、结构内部形成钢框架，这样不仅能够充分承受由于顶部球体自重产生的竖向荷载，还能有效地抵抗球体在 300m 高空的巨大风荷载以及地震作用带来的破坏性冲击。 其次，义乌市近期正在建造义乌世贸中心超高层酒店，地下 3 层并每层设夹层，地上 54 层。此世贸中心超高层酒店是由同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司设计，其主要结构形式也是采用的型钢混凝土组合结构，即采用外框架-内筒体结构。 再者，苏州市唯亭镇一高层建筑工程主楼采用了型钢混凝土组合结构和钢筋混凝土混合框架结构。南部型钢混凝土框架由劲性 H 型钢柱和劲性 H 型钢梁组成，梁柱钢材材质为 Q345B，组合柱中主要型钢H8004001835，组合
13、梁中主要型钢 H12504002045。其中钢柱与基础连接为 M36 地脚螺栓连接；钢柱与钢梁连接为刚接，钢梁与钢梁的连接也为刚接。 由以上已建的及在建的高层及超高层建筑来看，中国现行在此型钢混凝土组合结构方面的应用已经日趋壮大。这充分发挥了此种组合结构的优势，为后续地震区四川的汶川及雅安重建奠定了抗震设计的新模范。3 型钢混凝土组合结构在桥梁工程中的应用 广州猎德大桥桥塔下塔柱的设计就是型钢混凝土组合结构在桥梁工程中的一个应用实例。根据受力特性及混凝土结构设计规范中规定配置普通钢筋对桥塔下塔柱采用型钢混凝土组合结构的设计，在 H 型钢的外侧加配普通钢筋。将 8 根 H 型钢配置在桥塔窄边，将
14、 28 根 H 型钢配置在桥塔长边，两翼均配置 28 根 H 型钢，并用箍筋将 H 型钢套箍。采用此种桥塔设计主要是利用型钢混凝土组合结构中桥塔钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能都得以充分发挥，提高了截面抗力。钢骨与高强度混凝土之间相互约束，使各自的强度得到了提高，增加了结构和构件的延性，从而改善由于混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性。桥塔的普通钢筋和 H 型钢所组合的结构在地震作用下将形成 2 道防护，在外层混凝土剥落的情况下，核心型钢混凝土仍然具有强大的抗震性能。在异型桥塔尤其是桥塔根部弯矩较大的桥塔采用型钢混凝土组合结构，可提高桥塔的抗震性能。 广州猎德大桥是由谢尚英教授级高工领
15、衔设计，在此引用仅此说明我国在桥梁工程中已经能很好地将型钢混凝土组合结构应用到位，并能设计出造型比较独特的桥梁。为今后型钢混凝土组合结构在桥梁工程中的发展及应用树立了榜样。因此，在我国地震高发地带如四川省雅安及汶川等地区的重建桥梁尽量推广应用型钢混凝土组合结构，充分利用其良好的抗震性能，提高我国桥梁工程在大地震面前的抵抗力。 4 结语 13 年 10 月下旬台湾发生了 7 级以上地震，浙江大部分高层及超高层建筑大约在 8 层以上均有较大震感。通过对此三种工程结构中型钢混凝土组合结构的应用研究，表明现行中国型钢混凝土组合结构的计算理论及节点构造图集日趋完善。利用型钢混凝土组合结构使结构受力更加合理，有效地减小了构件截面尺寸。缩短工程的建造工期，增加使用空间及降低建筑物的自重和资金成本。 参考文献： 期刊论文型钢砼与钢筋砼混合框架结构施工探讨 2012.14.020 【1】型钢混凝土组合结构技术规程 （JGJ138-2001) 【2】型钢混凝土组合结构构造 （04SJ523）
