发表时间：2019-12-16T15:02:02.090Z 来源：《基层建设》2019年第26期 作者： 彭景
[导读] 摘要：以钢-混凝土组合结构为代表的的新型组合结构体系具有显著的优点，在我国高层及超高层建筑中得到了广泛的应用。 贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院 551700
摘要：以钢-混凝土组合结构为代表的的新型组合结构体系具有显著的优点，在我国高层及超高层建筑中得到了广泛的应用。本文将对超高层建筑常用结构体系及工程应用实例等进行梳理，对混合结构的整体抗震性能、延性、弹塑性时程分析、阻尼比以及钢与混凝土之间的粘接滑移等关键技术进行了分析。
关键词：高层建筑；钢-混凝土组合结构；抗震性能；弹塑性时程分析；粘接滑移 1 钢-混凝土组合结构国内外研究现状分析
近年来，随着我国社会经济的迅猛发展，超高层建筑应运而生。常规的建筑结构形式已不适用于建筑形式的发展，新型结构体系应用而生。
钢-混凝土混合结构体系与传统混凝土结构相比，其有如下特点：构件截面尺寸小、结构自重轻、结构延性好、抗震性能强、施工速度快等；与钢结构相比，其在抗侧刚度、防火性能、综合造价、舒适度等方面又有不小的优势。是一种适用于超高层建筑的新型结构体系。 钢-混凝土混合结构在1972年首先被应用于国外。美、日、法等国相继建成了一批混合结构建筑。80年代，我国的静安希尔顿饭店成功运用了这一新型结构体系；90年代后我国又陆续建成了一批高度200m左右的建筑，如北京京广中心、上海森茂大厦、深圳发展中心、国际航运大厦、世界金融大厦等；21世纪后，一批高度超过300m的超高层建筑也采用了混合结构，如上海金茂大厦、上海环球金融中心、广州西塔、上海中心、天津117 大厦、平安国际金融中心、北京国贸三期以及贵阳花果园双子塔、未来方舟兰花塔等。
1991 年底，中国建筑科学研究院进行了缩尺比例为1∶20的23层钢框架-钢筋混凝土筒体混合结构模型试验研究[1]。研究结果表明: 该类混合结构具有钢结构和混凝土结构两者的优点，既具有优于钢结构的刚度特性,又具有优于混凝土结构的变形能力，其整体性能更优于钢结构和混凝土结构。根据其试验结果，该结构可以应用于8度区。1999年，同济大学在模拟地震振动台上完成了一个1 ∶20 的25 层钢-混凝土混合结构的模拟试验[2]，通过对试验破坏现象的观测和试验数据的分析得出结论：只要按照现行建筑结构抗震设计规范进行合理设计，混凝士结构及钢结构7 度设防要求设计的混合结构，能满足我国规范中提出的三水准设防要求。2004年底，中国建筑科学院完成了一个1∶10的30层钢-混凝土混合结构模型试验[3]，26个组合剪力墙高轴压比抗剪性能试验，27 个高含钢率型钢混凝土组合柱受力性能试验。完成了型钢混凝土框架-核心筒结构的抗震性能及设计与施工关键技术和型钢混凝土框架-核心筒结构的抗震性能及设计方法研究，多种组合剪力墙和高含钢率组合拄的抗震性能研究，混合结构施工方法研究，提出了钢-混凝土混合结构设计建议。此外，混合结构也进行了多次振动台试验，为深入分析该种结构的抗震性能提供了宝贵的资料，对混合结构进行弹塑性分析也提供了可对比数据，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3）[4]和《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》（DG/TJ08215）[5]对混合结构的设计提出了具体指导内容。
虽然我国已开展了一定数量的工程实践，得出了宝贵的工程指导文件和实践经验，但对这一新型结构的认识尚有空白之处，值得结构工程领域科技工作者的进一步研究与分析。 1 组合构件
要对这一新型结构体系有所了解，首先要从构件的层面开始。 1.1 钢-混凝土组合柱
竖向构件在建筑结构中占有尤为关键的作用。竖向构件包括柱和墙。超高层建筑中往往都包含有这两种构件。墙体的抗侧刚度大，受力性能较好。而为了满足建筑造型和使用功能，柱子的截面往往受到限制，对结构的影响也较大。
混凝土抗压强度大，但质脆易裂。而钢的韧性较好，变形能力强，强度高。因此，人们开始了钢-混凝土协同受力的思考。
钢-混凝土组合柱的组合方式通常有两种。一是利用钢材较高的抗拉强度，弥补混凝土抗拉强度低的缺陷。例如在柱中加入钢筋、型钢。如此构造，不但可以增加构件的承载力，也可以增加构件的延性（如在截面中央设置芯柱或型钢），如图2（a），一般称之为型钢混凝土、钢骨混凝土或劲性混凝土。二是利用钢材对混凝土施加有效的约束作用，使之成为约束混凝土，其力学性能（强度和延性）都得到了大大的提高。此类构件例如钢管混凝土柱等，见图2（b）。
（a）型钢混凝土柱 （b）钢管混凝土柱 图2 钢-混凝土组合柱
而随着建筑高度的增加和造型的复杂，对柱子的要求越来越高。便又出现了构造更为复杂的巨型钢-混凝土组合柱，如深圳京基金融中心采用的钢管混凝土柱（图3）。
图3 巨型钢-混凝土组合柱
从上图中可以看出，该柱外围采用钢管对其内的混凝土进行约束，内部又设置了如钢骨混凝土般的构造。
1.2 钢-混凝土组合梁
钢-混凝土组合梁的截面形式类似于型钢混凝土柱。主要是在受拉区设置了抗拉强度较高的型钢，如此便可提高构件的承载力及变形能力，可以用于跨度较大的结构中。同时由于型钢的加入，使得钢-混凝土组合梁与钢-混凝土组合柱的连接方式变得更为可靠。 1.3 钢-混凝土组合墙
超高层建筑结构底部的竖向构件往往要承受巨大的竖向荷载，剪力墙也不例外。但是为了保证剪力墙的延性，规范[4~5]中往往会对墙体的轴压加以限制。墙体截面厚度很大，又会带来自重过大、影响建筑使用空间等问题。此时，工程师们开始考虑利用高强混凝土和钢板构造成组合剪力墙。
中国建筑科学研究院对钢-混凝土组合墙做了系统的研究[6] [7]，研究结果表明，加入的型钢或钢板可有效地提高剪力墙的承载力及延性，抗震能力好，可应用于超高层建筑结构之中。 2 超高层建筑组合结构体系
利用钢-混凝土组合构件形成的组合结构体系可以细分为多种，例如：钢框架或组合框架与钢筋混凝土核心筒组合的框架-核心筒结构，以及由钢或组合外筒与钢筋混凝土核心筒组成的筒中筒结构。今年来，已有学者开始研究束筒结构，并取得了一定的进展。 表1 我国部分超高层建筑结构概况
组合结构的多种体系中，又以框-筒结构得到了广泛的应用。
图4 框-筒组合结构构成示意
随着建筑结构的高度增加，结构承受的水平荷载加大，对结构的抗侧刚度要求也就更高。对框架部分的也进行了适当的改进，将普通的框架改进为巨型框架（图5(b)）。
（a）普通框架 （b）巨型框架 图5 框架结构构成示意
巨型框架的构件可为实腹式的，或者采用空腹构件。如框架梁就可采用巨型桁架来代替。此类构件往往截面都比较大，有的巨型桁架就有数层之高。另外，还可在巨型框架之间增设巨型支撑，以增加结构的稳定性，如上海环球金融中心。
图6 上海环球金融中心结构示意 3 混合结构设计中的关键技术 3.1 构件及节点设计
(1)竖向构件宜优先采用实腹式型钢，采用高强型钢能取得较好的经济指标； (2)应充分保证竖向构件具有良好的延性；
(3)应采取可靠措施保证钢与混凝土的协同受力，可设置必要的栓钉、配置必要的构造箍筋、采用高强箍筋等来避免组合构件的粘结破坏；
(4)应深入研究混凝土与型钢的握固作用，采取可靠措施确保大震作用下组合构件柱脚不发生受拉破坏；
(5)应确保钢-混凝土组合构件节点受力性能可靠性及施工可行性，特别是梁柱节点区箍筋设置的可靠性、混凝土浇筑质量的保证，对钢管混凝土还应选择合适的浇筑方式并配备必要的施工检测手段。
(6)楼面钢梁与混凝土核心筒连接区受力复杂，预埋件与混凝土之间的粘结易遭受破坏,特别是核心筒角部节点区破坏较严重，应采取可靠措施予以加强。
3.2 混合结构弹塑性动力时程分析
弹塑性动力时程分析是结构抗震性能设计的重要手段，在进行弹塑性分析时，应满足下列要求： (1)应明确结构的抗震性能目标。
(2)应根据结构实际情况和分析精度要求采用合适的简化模型；模拟分析单元的选取应有针对性、适用性和准确性。 (3)应根据预定的结构抗震性能目标，合理的设置材料的力学性能指标以及本构关系。 (4)复杂的结构应考虑施工过程的影响。 (5)应考虑几何非线性影响。 3.3 钢-混凝土组合结构的阻尼比
影响结构阻尼比的因素很多，尚未得出有效确定结构阻尼比的方法。工程界一般把钢结构的阻尼比设定为0.02，钢筋混凝土结构的阻尼比为0.05。但随着建筑高度的增加和材料所占比例的不同，结构的阻尼比均需进行调整。
按专家的建议 [8]，考虑到多数的混合结构还是以混凝土核心筒作为主要的抗侧力构件，但也采用了较多的钢结构，故阻尼比取为0.04。
3.4 型钢与混凝土的粘结滑移
型钢与混凝土的粘结作用主要由化学胶结力、摩擦阻力和机械咬合力三部分组成。这是得到普片认可的，但这三部分各自在总的粘结作用中所占比重是多少，分别受到什么因素的影响，都需要进一步的研究分析。
不同于钢筋混凝土构件的是，在钢-混凝土组合构件中，型钢通常是以一个较为完整的整体存在的，必然与混凝土材料之间存在一定的粘结滑移问题，这是不能被忽视的。影响混凝土与钢材的粘结滑移的因素有很多，主要有混凝土强度、型钢表面形状和摩擦效果、横向配筋和保护层厚度等。
目前国内外对钢-混凝土组合构件的粘结滑移研究还不是很深入和完善，尚未形成统一的结论。该问题应该得到工程设计人员的重视。 4 展望
现有的研究成果和大量的工程实践均表明，钢-混凝土混合结构是适用于超高层建筑的结构形式，其具有广阔的应用前景。加强对混合结构整体抗震性能、巨型构件的受力性能、消能减震技术、施工过程模拟等方面的研将有助于混合结构设计整体水平的提高。加强对混合结构的研究分析，将使得我国结构工程领域的学术水平和工程实践能力迈上一个新的台阶。 参考文献
[1]龚炳年，郝锐坤，赵宁.钢-混凝土混合结构模型试验研究[J]. 建筑科学，1994，10 (1) ：10~14.
[2]李国强，周向明，丁翔. 高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究[J]. 建筑结构学报，2001，22 (2) ：2~7. [3]徐培福，薛彦涛，肖从真，等. 高层型钢混凝土框筒混合结构抗震性能试验研究[J].建筑结构， 2005，35 (5) : 3~8. [4] JGJ3，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5] DJ /TJ082015，高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程[S].
[6]杨晓蒙.高强混凝土钢板组合剪力墙抗剪性能试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2010. [7]蒋东启.高强混凝土钢板组合剪力墙抗剪性能试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2010.
[8]汪大绥，周建龙.我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望[J]. 建筑结构学报，2010，31(6)：9~18.
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