我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望

我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望

周宴民

周宴民

云南博超建筑设计有限公司云南省昆明市650032

摘要：随着我国经济的快速发展，城市化进程也加快了脚步，高层建筑为城市增添了繁华，也有效的缓解了城市土地的紧张。作为符合我国国情的重要的建筑结构，高层建筑钢—混凝土混合结构在高层建筑中的广泛应用，有效的保证了高层建筑的质量，满足了人们对高层建筑的需求。因此加强对高层建筑钢—混凝土混合结构的研究具有重要的现实意义。本文对近年来我国高层建筑钢—混凝土混合结构的发展做了总结，并对诸如巨型钢—混凝土组合柱、高强混凝土钢板组合剪力墙等新型的混合结构做了研究，进而展望了钢—混凝土混合结构在高层建结构中发展，以期能够为今后高层建筑混合结构的发展提供借鉴。

关键词：高层建筑；钢—混凝土；混合结构；发展；展望

前言

钢—混凝土混合结构是近年来在国内迅速发展并广泛应用的一种高层建筑结构体系，它具有钢结构和混凝土结构的双重优点，与混凝土结构相比，不仅降低了结构的自重，并且还降低了结构断面的尺寸，提高了结构受力的性能和施工的速度；与单纯的钢结构相比，防火性能、抗风荷载作用都有效的提高，并且用钢量也有所减少，有效的降低了造价成本。目前，在钢—混凝土混合结构的应用上，我国已建成一批如上海金茂大厦、上海环球中心、北京国贸三期等高度在200～500m的建筑，并且在高层建筑中，钢—混凝土混合结构体系的应用比例还在不断上升，因此，加强对该结构体系的研究和总结，对其健康持续的发展具有重要的意义。

一、钢—混凝土混合结构的概述

钢—混凝土混合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，现在广泛应用于超高层建筑和大跨度桥梁等工程中，与传统的混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构并列成为五大结构，它不仅具有混凝土的抗压能力和承重能力强的优点，还具有钢的抗拉能力及抗剪能力好的优越性能，在实践中已经取得良好的经济效益和社会效益。通常，根据钢与混凝土组合结构所采用钢材形式与配钢方式的不同，可以将其分为组合楼板、钢与混凝土组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土等多种形式。其主要特点有

1、承载力提高。据相关实验表明，钢—混凝土混合结构在梁截面受局部载荷时，可破坏载荷大约为设计载荷的2.2～2.6倍（文献4），能够有效的提高承载力。

2、抗疲劳性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了钢梁上翼缘应力，在实际应用中也表明混合结构梁比纯钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳的能力。

3、节约钢材用量。在该混合结构中，混凝土可以替代部分钢结构，使得用钢量大幅下降，实践表明（文献4），钢—混凝土混合结构梁比钢结构梁用钢量少20%～40%。

4、增加刚度，提高抗震性和稳定性。一方面，混凝土板参与梁的工作，有效的增加了梁的刚度，在用钢量相同的条件下，与钢梁结构相比，梁挠度可减少30%～50%，并且截面高度减小1/4～1/3。另一方面，混合结构梁上翼缘侧向刚度大，进而使得整体稳定性提高，从而提高了抗震性能。

二、钢—混凝土混合结构的工程应用

目前，我国高层建筑钢—混凝土混合结构体系主要有框架—筒体结构体系、巨型柱框架核心筒结构体系、筒中筒结构体系和其他新型结构体系。

1、框架—核心筒结构体系。该种混合结构体系具有协同工作的特点，属框架剪力墙结构体系的特例，大部分剪力由核心筒承担，对抗震、抗风起到第一道保护防线的作用。外周框架主要确保混合结构的整体性，承担竖向载荷，起到第二道屏障的作用。该种结构体系外框架柱间距一般在8m～10m之间，且布置方式也较为灵活。在高层建筑中，若需提高整个结构的抗侧刚度，可以在外框架与核心筒之间设置伸臂桁架，还可以在外围框架设置环带桁架。该种结构体系广泛应用于超高层建筑中，其建造高度可达400m以上。以南京绿地紫峰大厦为例（如图1所示），该高层建筑屋顶高达381m，天线顶尖高度为450m，共70层，结构体系采用了带伸臂桁架的框架—核心筒混合结构体系，位于结构三角形平面中心的核心筒由型钢混凝土剪力墙组成，有效的提高了抗风、抗震的能力。

2、巨型柱框架—核心筒结构体系。该结构体系由外围巨型组合柱、伸臂桁架及核心筒组成。该结构体系的应用，可以减少建筑对环带桁架的依赖程度，并可以有效的提高整个结构的抗侧力效率，且该结构体系在实际运用中，具有相当大的灵活性，造价也相对较低，便于施工建设。例如，上海的金茂大厦（如图2所示），高372.1m的88层多功能建筑，结构体系采用巨型柱框架核心筒伸臂桁架的钢—混凝土混合结构体系，外周有8根钢筋混凝土巨型柱，与核心筒共同组成抗侧力体系，在角部的8个小钢柱主要承受竖向载荷。

c：办公标准层平面图d：旅馆标准层平面图

图2上海金茂大厦

3、筒中筒结构体系。该种结构体系是指结构内部和外部同时设置成筒体结构的布置。其结构设置也具有一定的灵活性，其外筒可以由密柱深梁组成的钢框筒，也可以是网格筒，内筒可以是桁架筒，也可以是钢筋混凝土筒体。为了减小建筑的侧移，在建筑较高时，还可以在内、外筒之间设置伸臂桁架。同时，在水平载荷的作用下，楼板和外伸臂桁架使得内外筒协同工作。

4、其他新型结构体系。目前已建成的有北京国贸三期、天津津塔等建筑。例如，天津津塔高337m，其主要抗侧力结构体系是由钢板剪力墙核心筒、混凝土框架、外伸臂桁架组成，具有较高的抗侧刚度。

三、我国高层建筑钢—混凝土混合结构发展展望

现阶段，根据已建成的工程实例和运行效果来看，钢—混凝土混合结构不仅具有良好的抗震性能、抗风性能，还能提高整个建筑的载荷传递和抗侧力效率，并且有效的控制了高层建筑的侧移，在实际应用中也具有较好的经济性，符合我国的国情，在超高层建筑中的应用前景广阔，但在应用中，还需要继续加强对结构节点的设计、组合结构构件的受力性能的研究。同时，还应当不断探索新的结构体系，进而促进我国钢—混凝土混合结构的发展。

结束语

目前，钢—混凝土混合结构已广泛应用于我国高层建筑中，对于提高高层建筑承载力，抗震性能和抗风性能具有重要作用，有效的保证了高层建筑的质量。随着技术的不断发展，新型的混合结构也不断涌现，推动了混合结构整体的设计水平，提高了结构的安全性和经济性，在我国高层建筑中具有广阔的应用前景。

参考文献：

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