孫軍　戰(zhàn)書東

【摘 要】 在高層鋼結(jié)構(gòu)中，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用，如在鋼與混凝土組合樓蓋中，將混凝土樓板和鋼梁通過栓釘?shù)冗B接件組合在一起，就形成了鋼-混凝土組合梁或組合連續(xù)梁；或者在鋼梁外包裹混凝土組成鋼骨混凝土梁共同工作等等。組合結(jié)構(gòu)形式多樣，又各有其不同特點。筆者首先闡述了多高層鋼結(jié)構(gòu)的設計特點，其后就其中的組合結(jié)構(gòu)設計進行了具體分析，以供參考。

【關(guān)鍵詞】 多高層鋼結(jié)構(gòu)；組合結(jié)構(gòu)；特點

【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

我國經(jīng)濟建設持續(xù)發(fā)展，于上世紀90年代初期與末期分別形成了兩個高層鋼結(jié)構(gòu)建設的高峰期，至今已建成以上海環(huán)球金融中心為首的地上101層、總高度492m，高度居世界最高建筑的第三位，還有金茂大廈88層、總高度421m。08年奧運會主會場鳥巢的建成，表明我國國產(chǎn)高性能優(yōu)質(zhì)鋼板、厚板以滿足高層鋼結(jié)構(gòu)的用材要求。目前，我國已具備建造高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)的能力，本文就多高層鋼結(jié)構(gòu)中的組合結(jié)構(gòu)設計展開論述。

1. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的設計特點

（1）設計應遵照專門的設計規(guī)程“高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”進行。應嚴格要求合理的結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)體系的選用（如控制結(jié)構(gòu)的偏心率與高寬比等），以及合理的技術(shù)經(jīng)濟性能。

（2）結(jié)構(gòu)的抗震設計應進行兩階段設計，第一階段設計按多遇地震計算地震作用，第二階段按罕遇地震計算地震作用，并分別驗算其位移限值及層間側(cè)移延性比等限值的要求。

（3）嚴格要求對側(cè)移變形的控制。為了避免過大的P-△效應以及舒適度與圍護結(jié)構(gòu)不嚴重損壞要求，結(jié)構(gòu)設計必需滿足規(guī)定的頂點位移與層間位移限值要求，致使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度往往是設計中的控制指標。此外，為參照考慮舒適度的要求及避免橫向風振的發(fā)生，還應驗算風荷載作用下的結(jié)構(gòu)頂點加速度與臨界風速等。

（4）結(jié)構(gòu)抗震設計對節(jié)點抗震承載力驗算及構(gòu)件長細比、板件寬（高）厚比、焊透要求、支撐要求等抗震構(gòu)造措施，在新的“抗震規(guī)范”中均有嚴格的、專門的要求。

（5）因設計計算的復雜性與較高難度，要求采用更加準確與完善的計算方法與手段，如以風洞試驗確定風荷載體型系數(shù)，抗震設計需采用震型分解法、彈塑性分析、時程分析法，以及相應的專用計算機軟件等。

（6）對鋼材等材料的選用要求更高、更嚴格。如對厚板、H型鋼、槍釘、高強螺栓等選用，以及對Z向抗撕裂性能、焊接性能、沖擊韌性、延性性能等技術(shù)性能的選用等。要求設計人員對所用鋼材性能及應用要求有更多了解。

（7）在設計管理及程序上也有嚴格的要求。如對超規(guī)超限的高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設計，其方案應經(jīng)專家論證審查通過，同時高層鋼結(jié)構(gòu)的計算分析一般應有校核復算（采用不同程序）。

（8）新修訂的《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50010-2010）明確對50m、50～200m及200m以上的多層鋼結(jié)構(gòu)規(guī)定了抗震設計的有關(guān)參數(shù)（阻尼值、長細比、板件寬厚比等），需注意區(qū)別采用。

2. 組合結(jié)構(gòu)設計

組合結(jié)構(gòu)主要包括組合柱、組合梁和組合樓板。組合柱包括鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱等；組合梁包括鋼梁-混凝土樓板組合梁、鋼梁-壓型鋼板混凝土樓板組合梁、鋼骨混凝土梁等；組合樓板包括壓型鋼板-混凝土疊合樓板等，由這些組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以構(gòu)成組合結(jié)構(gòu)體系。本文主要就鋼-混凝土組合梁的設計進行了具體分析，如下：

2.1 鋼-混凝土組合梁的特點

承載力高剛度大，抗震性能好。無組合作用下剛度I1= bh3/12+bh3/12= bh3/6。有組合作用，剛度I2= b（2h）3/12= 2bh3/3。剛度比：I2/ I1= 4.0，剛度提高了3倍。同混凝土梁相比，減輕自重50%以上，減小地震作用，減小構(gòu)件尺寸，降低基礎造價，減輕自重帶來的綜合效益相當可觀；減小結(jié)構(gòu)高度，施工簡化，周期縮短，工廠化制作，不需支模，不需搭腳手架；減少預埋件數(shù)量，整體性強，抗剪性能好，抗震性能提高。同鋼梁相比，承載力提高50%以上，剛度提高100%以上，整體穩(wěn)定性提高，混凝土板作為鋼梁的連續(xù)側(cè)向支承，局部穩(wěn)定性提高；耐久性增強，上翼緣被混凝土覆蓋，防腐面積減小。

2.2 組合梁截面彎曲強度。

（1）彈性彎曲強度

換算截面法：把混凝土換算成鋼-混凝土截面參數(shù)除以模量比n；把鋼換算成混凝土-鋼梁截面乘以模量比n，n= Es/ Ec（鋼與混凝土的彈性模量比）。

（2）極限抗彎強度

按全截面塑性發(fā)展進行組合梁截面承載力計算時，鋼梁及連續(xù)組合梁所配負鋼筋的抗拉強度設計值，按《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》及《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中相應的規(guī)定取值?；炷翉姸劝础痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中的相應規(guī)定取值。對于連續(xù)組合梁采用塑性設計方法時，內(nèi)力調(diào)幅系數(shù)不超過15%。鋼-混凝土組合梁具有極好的延性，對于完全剪力連接組合梁，在承載力極限狀態(tài)時，鋼梁下翼緣甚至部分腹板已進入強化階段，并且這部分截面距混凝土壓應力合力點的距離最遠，故強化效應有利于增大，因此強化效應對彎曲極限強度的提高可以彌補滑移效應引起彎曲極限強度的降低，這就是大部分實測彎曲極限強度與簡化塑性理論計算值吻合較好的原因?？紤]強化效應的有利影響，滑移效應對極彎曲強度的影響可以忽略不計。

2.3 鋼-混凝土連續(xù)組合梁

（1）歐洲規(guī)范4（EC4）將鋼-混凝土連續(xù)組合梁定義為：“組合梁具有三個或更多個支座，其中鋼梁在內(nèi)支座處連續(xù)或用完全剛性節(jié)點連接，而且支座傳遞給梁的彎矩較小，在內(nèi)支座處組合梁可以配有受力鋼筋或僅有構(gòu)造鋼筋?！碑斀孛鏄?gòu)造及荷載條件相同時，連續(xù)組合梁相對于簡支組合梁的優(yōu)勢主要有：在一定的撓度限值下可以采用更大的跨高比；更有效地控制內(nèi)支座附近樓板的裂縫寬度；樓板體系整體性能好，抗震及承受動力荷載的能力更強，但連續(xù)組合梁負彎矩區(qū)會出現(xiàn)混凝土板受拉、鋼梁受壓的不利情況，需要在設計過程中加以重視。總之，其綜合性能相對于鋼材受拉、混凝土受壓的簡支組合梁仍具有優(yōu)勢。

（2）由于混凝土開裂等因素的影響，很難精確計算連續(xù)組合梁的內(nèi)力和變形。采用彈性分析時，考慮剛度分布和截面強度特征，當任何截面的內(nèi)力達到其彈性強度時，組合梁達到彈性承載力。正彎矩區(qū)的剛度與簡支梁相同，負彎矩區(qū)的剛度僅考慮鋼梁和鋼筋形成的組合截面。彈性分析的困難在于正、負彎矩區(qū)的長度難以確定。

塑性分析可采用極限平衡法：將結(jié)構(gòu)簡化為一系列由塑性鉸連接的剛性桿組成的破壞機構(gòu)，直到某一跨形成足夠的塑性鉸并產(chǎn)生了最弱的破壞機構(gòu)時連續(xù)組合梁達到其承載力。內(nèi)力分析決定于構(gòu)件的強度和延性，與截面剛度無關(guān)。根據(jù)破壞機構(gòu)和各個塑性鉸的抗彎強度，利用極限平衡法可以計算連續(xù)組合梁的極限承載力。

3. 結(jié)語

綜上所述，組合結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應用十分廣泛，結(jié)構(gòu)鋼和混凝土的巧妙結(jié)合，充分發(fā)揮了兩者的材料特性，揚長避短?；炷量箟簭姸雀?，抗拉強度低，脆性大，延性差；鋼材抗拉強度高，延性好，受壓易失穩(wěn)。除了用于建筑，在橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固與改造等領域也產(chǎn)生了良好的綜合效益，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 倪進.多高層鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量控制要點[J].門窗，2017（07）：194.

[2] 岳清瑞，侯兆新.對我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的思考[J].工程建設標準化，2017（05）：48～56.

[3] 萬江.多高層鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點與不足[J].住宅與房地產(chǎn)，2015（19）：154～155.

[文章編號] 1619-2737（2018）01-15-615