关键词：型钢混凝土；高层建筑；混合结构；设计探讨
1、前言
近十多年来，我国一些城市兴建的高层建筑，已较多地采用型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。这种结构融合了钢结构和钢筋混凝土结构的优点，承载力高，延性好，具有较强的抗风和抗震能力。从发展趋势看，型钢混凝土和钢管混凝土高层建筑结构必将成为高层建筑的主要结构形式之一。由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构，称为混合结构。
2、型钢混凝土结构构件特性与性能
2.1型钢混凝土构件
1)型钢混凝土梁。型钢混凝土梁截面如图1a)所示，其中型钢骨架一般采用实腹轧制工字钢或由钢板拼焊成工字形截面。对于大跨度梁，其型钢骨架多采用华伦式钢桁架(见图1b))。
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2)型钢混凝土柱。目前工程中常用的型钢混凝土柱，柱内埋设的型钢芯柱有以下几种类型：a．轧制H型钢或由钢板拼焊成的H形截面；b．由一个H型钢和两个剖分T型钢拼焊成的带翼缘十字形截面；c．方钢管；d．圆钢管；e．由一个工字型钢或窄翼缘H型钢及一个剖分T型钢拼焊成的带翼缘T形截面。
3)型钢混凝土剪力墙和筒体。型钢混凝土剪力墙通常是在墙体两端、纵横墙交接处、洞口两侧以及沿实体墙长度方向每隔不大于6m处设置型钢暗柱或在端柱内设置型钢芯柱。
2.2结构性能
1)与钢筋混凝土构件相比较，具有以下特点：整体工作。型钢骨架与外包钢筋混凝土形成整体，共同受力；承载力相同情况下，较钢筋混凝土柱构件截面面积可以减小1／2；构件延性好。
2)与钢结构相比较，具有以下特点：节约钢材；防火及防锈性能好；可以兼做模板支架。
3、型钢混凝土结构适用范围与结构体系
1)型钢混凝土结构可应用于地震区和非地震区的高楼。凡是适用于全钢结构和混合结构的各种结构体系，其中的梁、柱、墙体、墙筒、框筒等构件，均可采用型钢混凝土结构。另外，型钢混凝土结构也常用于框支剪力墙结构的转换层构件。
2)目前国内外工程中，型钢混凝土结构一般用于以下各种结构体系：框架体系，框架一剪力墙体系，框架一核心简体系，框简体系，筒中筒体系，巨型框架体系，核心筒一翼柱体系等等。
4、高层混合结构布置与设计要点
4.1结构总体布置
1)混合结构房屋平面的外形宜简单规则，宜采用方形、矩形等规则对称的平面，并尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合。建筑的开间、进深宜统一。
2)混合结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件截面宜由下至上逐渐减少，无突变。当框架柱的上部与下部的类型和材料不同时，应设置过渡层。对于刚度突变的楼层，如转换层、加强层、空旷的顶层、顶部凸出部分。
4．2适用的最大高度和高宽比限值
混合结构房屋适用的最大高度和高宽比限值，见表1，表2
表1 钢一混凝土混合结构房屋适用的最大高度 m
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表2高宽比限值
4．3设计要点
4．3．1抗震设计时，应采取有效措施确保混凝土筒体的承载力和延性
1)混合结构体系的高层建筑，7度抗震设防且房屋高度不超过130m时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土简体交接处及简体四角设置型钢柱；7度抗震设防且房屋高度大于130m及8度，9度抗震设防时，应在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及简体四角设置型钢柱。
2)为了保证钢筋混凝土筒体的延性，可采取下列措施：a．保证钢筋混凝土筒体角部的完整性，并加强角部的配筋；b．通过增加墙厚控制筒体剪力墙的剪应力水平；c．剪力墙的端部设置型钢柱，四角配以纵向钢筋及箍筋形成暗柱；d．简体剪力墙配置多层钢筋，必要时在楼层标高处设置钢筋混凝土暗梁；e．采用型钢混凝土剪力墙或带竖缝剪力墙；f．筒体剪力墙的开洞位置应尽量对称均匀；g．剪力墙洞1：1处的连梁采用交叉配筋方式或在连梁中设置水平缝。
4．3．2增强外围框架的刚度及承载力
混合结构高层建筑中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接，以增强外围框架的侧向刚度及水平承载力。
4．3．3设置外伸桁架加强层
采用外伸桁架加强层可以将简体剪力墙的部分弯曲变形转换成框架柱的轴向变形，以减小水平荷载作用下的侧移，所以外伸桁架应与筒体剪力墙刚接且宜伸入并贯通抗侧力墙体，同时应布置周边桁架以保证各柱受力均匀。因而外伸桁架宜分段拼装。
5、混合结构的计算分析
1)在进行弹性阶段结构整体内力和位移计算时，对钢梁及钢柱可采用钢材的截面计算；对型钢混凝土构件，其截面的弯曲刚度EI、轴向刚度EA和剪切刚度GA可采用下列各式计算：
EI=EcIc+EaIa
EA=EcAc+EaAa
GA=GcAc+GaAa
其中，EcIc，EcAc，GcAc分别为组合构件截面上钢筋混凝土部分的截面弯曲刚度、轴向刚度和剪切刚度；EaIa，EaAa，GaAa分别为组合构件截面上型钢部分的截面弯曲刚度、轴向刚度和剪切刚度。
2)在进行混合结构弹性分析时，宜考虑钢梁与混凝土楼面的共同作用，梁的刚度可取钢梁刚度的1．5倍～2．0倍，但必须保证钢梁与混凝土楼面的可靠连接。
3)对设有外伸桁架加强层的混合结构，在结构内力和位移计算中，应视加强层楼板为有限刚度，考虑楼板在平面内的变形，以得到外伸桁架的弦杆内力和轴向变形。
4)混合结构中，柱的截面尺寸较小，应力水平较高，其轴向变形会较混凝土筒体大很多，故计算结构在竖向荷载作用下的内力时，宜考虑柱、墙在施工过程中轴向变形差异的影响，并宜考虑在长期荷载作用下由于钢筋混凝土简体的徐变和收缩对钢梁及柱产生的不利影响。
5)柱间钢支撑两端与柱或钢筋混凝土简体的连接可作为铰接计算。
6)混合结构在多遇地震下的阻尼比可取0．04。
6、结语
高层以及超高层的结构形式，随着可利用的结构材料的发展而不断改进。从最初的全钢结构，发展到钢筋混凝土结构，到目前的混合结构，每个阶段，都有各自特点。混合结构这种新型结构已引起工程界和投资商的广泛关注。近年来，国内外的一些著名的超高层均采用了此种结构形式。随着工程界经验的积累，以及国内规范的进一步补充和完善，混合结构的适用领域将会更加广泛。
参考文献：
[1]JGJ138-2016.组合结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2016.
[2]王广勇,史毅,张东明,等.火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验研究.工程力学,2015,32(11):160-169.
论文作者: 武志鑫
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第22期
论文发表时间:2020/4/3
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