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摘要：本文从型钢混凝土结构的特点和发展入手，全面剖析了型钢混凝土结构在高层建筑中的应用。
关键字：型钢混凝土结构，高层建筑；特点
Abstract: This paper start from the characteristics and development of the steel reinforced concrete structure, take a comprehensive analysis of steel reinforced concrete structure in the high-rise buildings.Key words: steel reinforced concrete structures, high-rise buildings; characteristics
中图分类号TU375文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
型钢混凝土结构是由混凝土包裹型钢做成的,也是钢与混凝土组合的一种结构。型钢混凝土组合结构的定义是为混凝土内配置轧制型钢或焊接型钢和钢筋的结构,简称SRC 结构。型钢混凝土可以做成多种构件,更能组成各种结构,它可代替钢筋混凝土结构和钢结构应用于各类建筑和桥梁结构中。
一、型钢混凝土结构的特点
1、自重轻,构件截面小
由于型钢混凝土构件中的型钢可不受钢率的限制,它的承载力可以达到同样外形钢筋混凝土构件承载力的一倍以上,因而可以减小构件截面,尤其是对高层和大跨度建筑物,可以减轻自重,增大建筑物层高和使用面积,提高经济效益。
2、节约钢材,经济效益好
型钢混凝土结构与全钢结构相比,可节约1/3 左右的钢材,同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。型钢混凝土结构中的型钢在混凝土未浇筑前自身已形成结构体系,具有相当大的承载能力。施工中可以将混凝土的模板悬挂在型钢上,而不必为模板另设支柱,因而减少了支模板的劳动力和材料,也不必等待混凝土达到一定强度就可以继续上层施工,使工期大为缩短。
3、受力合理,强度高,延性好
型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能,钢筋混凝土与型钢形成整体,协同受力。型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高,这种结构在地震作用下具有很强的抗震性能,这在日本多次大地震中已得到了充分的验证。另外,它的耐久性、耐火等级等方面亦较钢结构和钢筋混凝土结构优越。
综上所述,型钢混凝土结构是一种很有发展前途的结构,应充分加强对它的研究和应用。
二、型钢混凝土结构的研究和发展
SRC 结构比钢结构和钢筋混凝土结构具有许多优点,因而在工程中得到了广泛的应用,引起了研究者极大关注,从而使SRC 结构的研究步步深入。欧美上世纪初就开始对SRC 柱进行了研究,对SRC 梁研究从加拿大开始,相继在英国、美国、日本及前苏联等国家也开始了研究。
我国从20 世纪50 年代开始应用型钢混凝土结构,但研究起步较晚。到了80 年代初中国才有组织的进行对SRC 结构的系统研究,全国许多单位对型钢混凝土结构构件(包括梁、柱、节点等) 的抗震性能以及受力机理进行了试验,依据试验结果进行了有关设计理论与计算方法的研究。
目前,型钢混凝土结构的试验研究正从一般的梁、柱局部构件试验研究分析,发展到对各种复杂的节点构造、大比例全结构模型的试验研究(如型钢混凝土框架弹塑性地震反应试验研究、型钢混凝土桩基承台抗冲击性能的试验研究等) 及型钢混凝土粘结滑移性能的研究、保护层的弹塑性屈曲分析等。
三、型钢混凝土结构在高层建筑中应用和发展
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。
（一）型钢混凝土结构构件特性与性能
1、型钢混凝土构件
（1) 型钢混凝土梁。型钢混凝土梁截面其中型钢骨架一般采用实腹轧制工字钢或焊接工字钢。对于大跨度梁,其型钢骨架多采用华伦式钢桁架
（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:①轧制H 型钢或焊接H 型钢;②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;③方钢管;④圆钢管;⑤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的两端、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6 m 处设置型钢暗柱或在端柱内设置型钢芯柱。
2、结构性能
（1) 与钢筋混凝土构件相比较,具有以下特点:型钢骨架与外包钢筋混凝土形成整体，协同受力；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。
（二）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层建筑。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—剪力墙体系,框架—核心筒体系,框筒体系,筒中筒体系,巨型框架体系,核心筒—翼柱体系等等。
（三）高层混合结构布置与设计要点
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小,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、型钢混凝土框架与钢框架的交接层及邻近楼层,应采取可靠的过渡加强措施。钢框架部分设置支撑时,宜采用偏心支撑和耗能支撑,支撑宜连续布置,且在相互垂直的两个方向均宜布置,并相互交接;支撑框架在地下部分宜延伸至基础。
2、混合结构高层建筑适用的最大高度的限值和最大高宽比的限值均大于钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度的限值和最大高宽比的限值。根据抗震设防烈度，选择合适的混合结构形式，可以在更好的满足建筑对高度和立面的要求的同时满足结构的安全性。,
3、设计要点
（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130 m 时,宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱;7 度抗震设防且房屋高度大于130 m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筒体四角设置型钢柱。
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應力水平;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. 筒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. 剪力墙洞口处的连梁采用交叉配筋方式或在连梁中设置水平缝。
（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。
（3）设置外伸桁架加强层采用外伸桁架加强层可以将筒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。
（4）钢框架柱地震剪力调整
抗震设计时,钢框架—钢筋混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25 %和框架部分地震剪力最大值的1. 8 倍二者的较小者；型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体各层框架柱所承担的地震剪力,应符合钢筋混凝土框架—剪力墙结构中框架柱
结束语：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。从最初的钢筋混凝土结构全钢结构,发展到全钢结构,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的关注。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。
关键字：型钢混凝土结构，高层建筑；特点
Abstract: This paper start from the characteristics and development of the steel reinforced concrete structure, take a comprehensive analysis of steel reinforced concrete structure in the high-rise buildings.Key words: steel reinforced concrete structures, high-rise buildings; characteristics
中图分类号TU375文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
型钢混凝土结构是由混凝土包裹型钢做成的,也是钢与混凝土组合的一种结构。型钢混凝土组合结构的定义是为混凝土内配置轧制型钢或焊接型钢和钢筋的结构,简称SRC 结构。型钢混凝土可以做成多种构件,更能组成各种结构,它可代替钢筋混凝土结构和钢结构应用于各类建筑和桥梁结构中。
一、型钢混凝土结构的特点
1、自重轻,构件截面小
由于型钢混凝土构件中的型钢可不受钢率的限制,它的承载力可以达到同样外形钢筋混凝土构件承载力的一倍以上,因而可以减小构件截面,尤其是对高层和大跨度建筑物,可以减轻自重,增大建筑物层高和使用面积,提高经济效益。
2、节约钢材,经济效益好
型钢混凝土结构与全钢结构相比,可节约1/3 左右的钢材,同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。型钢混凝土结构中的型钢在混凝土未浇筑前自身已形成结构体系,具有相当大的承载能力。施工中可以将混凝土的模板悬挂在型钢上,而不必为模板另设支柱,因而减少了支模板的劳动力和材料,也不必等待混凝土达到一定强度就可以继续上层施工,使工期大为缩短。
3、受力合理,强度高,延性好
型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能,钢筋混凝土与型钢形成整体,协同受力。型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高,这种结构在地震作用下具有很强的抗震性能,这在日本多次大地震中已得到了充分的验证。另外,它的耐久性、耐火等级等方面亦较钢结构和钢筋混凝土结构优越。
综上所述,型钢混凝土结构是一种很有发展前途的结构,应充分加强对它的研究和应用。
二、型钢混凝土结构的研究和发展
SRC 结构比钢结构和钢筋混凝土结构具有许多优点,因而在工程中得到了广泛的应用,引起了研究者极大关注,从而使SRC 结构的研究步步深入。欧美上世纪初就开始对SRC 柱进行了研究,对SRC 梁研究从加拿大开始,相继在英国、美国、日本及前苏联等国家也开始了研究。
我国从20 世纪50 年代开始应用型钢混凝土结构,但研究起步较晚。到了80 年代初中国才有组织的进行对SRC 结构的系统研究,全国许多单位对型钢混凝土结构构件(包括梁、柱、节点等) 的抗震性能以及受力机理进行了试验,依据试验结果进行了有关设计理论与计算方法的研究。
目前,型钢混凝土结构的试验研究正从一般的梁、柱局部构件试验研究分析,发展到对各种复杂的节点构造、大比例全结构模型的试验研究(如型钢混凝土框架弹塑性地震反应试验研究、型钢混凝土桩基承台抗冲击性能的试验研究等) 及型钢混凝土粘结滑移性能的研究、保护层的弹塑性屈曲分析等。
三、型钢混凝土结构在高层建筑中应用和发展
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。
（一）型钢混凝土结构构件特性与性能
1、型钢混凝土构件
（1) 型钢混凝土梁。型钢混凝土梁截面其中型钢骨架一般采用实腹轧制工字钢或焊接工字钢。对于大跨度梁,其型钢骨架多采用华伦式钢桁架
（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:①轧制H 型钢或焊接H 型钢;②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;③方钢管;④圆钢管;⑤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的两端、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6 m 处设置型钢暗柱或在端柱内设置型钢芯柱。
2、结构性能
（1) 与钢筋混凝土构件相比较,具有以下特点:型钢骨架与外包钢筋混凝土形成整体，协同受力；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。
（二）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层建筑。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—剪力墙体系,框架—核心筒体系,框筒体系,筒中筒体系,巨型框架体系,核心筒—翼柱体系等等。
（三）高层混合结构布置与设计要点
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小,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、型钢混凝土框架与钢框架的交接层及邻近楼层,应采取可靠的过渡加强措施。钢框架部分设置支撑时,宜采用偏心支撑和耗能支撑,支撑宜连续布置,且在相互垂直的两个方向均宜布置,并相互交接;支撑框架在地下部分宜延伸至基础。
2、混合结构高层建筑适用的最大高度的限值和最大高宽比的限值均大于钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度的限值和最大高宽比的限值。根据抗震设防烈度，选择合适的混合结构形式，可以在更好的满足建筑对高度和立面的要求的同时满足结构的安全性。,
3、设计要点
（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130 m 时,宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱;7 度抗震设防且房屋高度大于130 m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筒体四角设置型钢柱。
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應力水平;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. 筒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. 剪力墙洞口处的连梁采用交叉配筋方式或在连梁中设置水平缝。
（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。
（3）设置外伸桁架加强层采用外伸桁架加强层可以将筒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。
（4）钢框架柱地震剪力调整
抗震设计时,钢框架—钢筋混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25 %和框架部分地震剪力最大值的1. 8 倍二者的较小者；型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体各层框架柱所承担的地震剪力,应符合钢筋混凝土框架—剪力墙结构中框架柱
结束语：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。从最初的钢筋混凝土结构全钢结构,发展到全钢结构,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的关注。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。