高層混凝土結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系

 高層混凝土結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系

鋼結(jié)構(gòu)自重小，延性好，但耐火性差，易受外界腐蝕，密閉性差�；炷�土結(jié)構(gòu)自重大，剛度大，地震作用下震害比較明顯，但抗壓性、整體性比較好，不易受外界侵蝕，密閉性好……從多個(gè)角度比較分析和比較了高層混凝土結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，加以分析并提出了未來(lái)的展望。

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，世界各國(guó)莫不致力于高層建筑，甚至超高層建筑的發(fā)展。高層建筑之所以有如此大的生命力，是因?yàn)樗�能有效地利用空間，能在有限的土地面積內(nèi)增加建筑面積，緩解用地緊張的問(wèn)題，同時(shí)高層建筑的建筑高度的競(jìng)爭(zhēng)也反映了國(guó)家的政治地位和經(jīng)濟(jì)實(shí)力。而先如今，我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)采用的比較多的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，并且高層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展僅處于起步發(fā)展階段，高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展較成熟。本文從多個(gè)角度對(duì)高層混凝土結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，試圖能為高層結(jié)構(gòu)的發(fā)展大概地指出一個(gè)方向，并為之努力。

1.從定義方面進(jìn)行比較。聯(lián)合國(guó)教科文組織所屬的世界高層建筑委員會(huì)1972年召開的國(guó)際高層建筑會(huì)議，將9層和9層以上的建筑定義為高層建筑。當(dāng)然主體用的鋼筋混凝土的是高層混凝土結(jié)構(gòu)，目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種建筑，而主體是剛結(jié)構(gòu)的是高層鋼結(jié)構(gòu)，目前主要用于輕鋼廠房，大跨建筑，高層建筑和嗦膜結(jié)構(gòu)等。

2.從二者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。首先談?wù)劵炷�土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：（1）可模性好。（2）整體性好。（3）耐久性好。（4）耐火性好。（5）易于就地取材。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有下述主要缺點(diǎn)：（1）自重大。（2）抗裂性差。（3）性質(zhì)脆。綜上所述不難看出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)多于其缺點(diǎn)。而且，人們已經(jīng)研究出許多克服其缺點(diǎn)的有效措施。例如，為了克服鋼筋混凝土自重大的缺點(diǎn)，已經(jīng)研究出許多質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的混凝土和強(qiáng)度很高的鋼筋。為了克服普通鋼筋混凝土容易開裂的缺點(diǎn)，可以對(duì)它施加預(yù)應(yīng)力。為了克服混凝土的脆性，可以在混凝土中摻入纖維做成纖維混凝土。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：（1）自重輕。（2）抗震性能好。（3）工業(yè)化程度高，施工周期短。（4）環(huán)保效果好。缺點(diǎn)：（1）耐火性能差。（2）需要注意防銹。（3）變形大， 設(shè)計(jì)需注意控制。亦用體系方法。（4）特有的冷橋問(wèn)題，有時(shí)需要考慮。（5）常常造價(jià)偏高。和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比。（6）當(dāng)前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)，制造水平低……解決辦法當(dāng)前主要有：（1）大力發(fā)展了耐火鋼和耐火涂料。（2）大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，逐步降低鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)。（3）大力鼓勵(lì)建設(shè)高層鋼結(jié)構(gòu)，積累更多的經(jīng)驗(yàn)，為鋼結(jié)構(gòu)地發(fā)展打下基礎(chǔ)。

3.從計(jì)算的原理進(jìn)行分析。不論混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)都依據(jù)“板—梁—柱—基礎(chǔ)”這樣傳力途徑進(jìn)行受力傳遞。不論二者結(jié)構(gòu)模形有多大的差別，從受力上講計(jì)算原理都是相同的。都需要借助傳統(tǒng)的力學(xué)與數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分析，借助相應(yīng)的規(guī)范和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.從二者的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行比較。高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要有框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框筒結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)等，高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系和混凝土結(jié)構(gòu)基本相同，同時(shí)高層鋼結(jié)構(gòu)主要有四類：鋼結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。它們各自有自己的特點(diǎn)，例如框筒結(jié)構(gòu)有剪力滯后的特性，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能是鋼管約束了混凝土的變形，充分發(fā)揮鋼筋和混凝土的有點(diǎn)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的綜合性能。

5.從選用混凝土和鋼的方面比較。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002》第4.1.2條之規(guī)定：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15；當(dāng)采用HRB335級(jí)鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20；當(dāng)采用HRB400和RRB400級(jí)鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C20；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30；當(dāng)采用鋼絞線鋼絲熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40�！陡邔用裼娩摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99－1998）規(guī)定，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材，宜采用Q235B、C、D（原A3鋼）碳素鋼或Q345（原16Mn）B、C、D、E低合金鋼或Q390（原

15MnV）C、D、E低合金鋼。不宜采用A級(jí)鋼。重要的焊接構(gòu)件宜采用C、S、P含量較低的C、D、E級(jí)碳素鋼和D、E級(jí)低合金結(jié)構(gòu)鋼。強(qiáng)度超過(guò)Q390的鋼材。由于其伸長(zhǎng)率較低，盡量少用于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中�；炷�土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，抗震設(shè)防中SRC混凝土中，強(qiáng)度不宜超過(guò)C70（8度）或C60（9度）。對(duì)SRC混凝土或鋼管混凝土構(gòu)件，宜采用高性能混凝土，其特點(diǎn)為：①高耐久性；②低含堿量；③高強(qiáng)度；④高密實(shí)度；⑤高抗?jié)B性；⑥流動(dòng)性好；⑦體積穩(wěn)定性強(qiáng)�？v向受力鋼筋宜采用HRB335級(jí)或HRB400級(jí)；箍筋宜采用HRB335級(jí)、HRB400級(jí)或HPB235級(jí)�！督ㄖ�抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011－2001）規(guī)定，對(duì)一、 二框架結(jié)構(gòu)，鋼筋強(qiáng)屈比應(yīng)在1.25～1.3之間。

6.從二者的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行比較。共同點(diǎn)：（1）水平荷載成為決定因素（風(fēng)荷載和地震作用）。（2） 結(jié)構(gòu)側(cè)移成為控制目標(biāo)。（3） 軸向變形不容忽略。（4） 梁柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形影響不能忽略。（5） 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。（6） 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)選用空間構(gòu)件。（7） 防雷、防飛機(jī)撞擊系統(tǒng)應(yīng)完全可靠。（8）提供合理的抗側(cè)力能力。不同點(diǎn)：（1）高層混凝土結(jié)構(gòu)延性差，而鋼結(jié)構(gòu)卻相對(duì)好很多。（2）高層鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)必不可少，防銹處理必須到位。

7.從二者的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行分析。相同點(diǎn)：（1）高層房屋應(yīng)首選由光滑曲線構(gòu)成的平面形式；（為了減少風(fēng)壓作用，圓形比方形好）；盡可能地采用中心對(duì)稱或雙軸對(duì)稱的平面形式；（以減小或避免在風(fēng)荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）；避免以狹長(zhǎng)形作平面形式；（因風(fēng)荷載作用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切滯后現(xiàn)象）；框筒結(jié)構(gòu)采用矩形平面形式時(shí)，應(yīng)控制其平面長(zhǎng)寬比小于1.5；（不滿足時(shí)，宜采用束筒結(jié)構(gòu)）；需抗震設(shè)防時(shí)平面尺寸關(guān)系應(yīng)符合相關(guān)要求。（2）因此高層建筑一般不宜設(shè)置防震縫；一般也無(wú)須設(shè)置溫度縫；地震區(qū)的高層建筑，應(yīng)當(dāng)建立精細(xì)的力學(xué)模型，作較精確的地震分析，并采取相應(yīng)的措施提高其薄弱部位和構(gòu)件的抗震能力。（3）任一層的偏心率大于0.15時(shí)，稱為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。樓層剛度小于其相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低超過(guò)50%，稱為豎向布置的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。（4）采用天然地基時(shí)，不宜小于H／15；采用樁基時(shí)，不宜小于H／20 ，H ：室外地坪至屋頂檐口的高度。當(dāng)有可靠根據(jù)時(shí)，基礎(chǔ)埋深可適當(dāng)減小。（5）樓蓋結(jié)構(gòu)的方案選擇原則：滿足建筑設(shè)計(jì)要求；較小自重；便于施工；有足夠的整體剛度。用于高層建筑的樓板主要有三種：現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板 、預(yù)制樓板、壓型鋼板組合樓板。（6）粱錫布置需考慮的因素：鋼梁的間距要與上覆樓板類型相協(xié)調(diào)，盡量取樓板經(jīng)濟(jì)跨度以內(nèi)（壓型鋼板組合樓板取2～3m）；主梁應(yīng)與豎向抗側(cè)力構(gòu)件直接相連；（充分發(fā)揮整體空間作用）豎向構(gòu)件縱橫兩個(gè)方向均應(yīng)有主梁與之相連，以保證兩個(gè)方向的長(zhǎng)細(xì)比不致相差懸殊；梁系布置應(yīng)能使盡量多的樓面重力荷載份額傳遞到豎向構(gòu)件； （如，設(shè)置斜向主梁）為減小樓蓋結(jié)構(gòu)的高度，主次梁通常不采取疊接方式。不同點(diǎn)：高層鋼結(jié)構(gòu)主次梁較混凝土結(jié)構(gòu)那樣現(xiàn)澆連接方式多樣，有簡(jiǎn)支連接和剛性連接兩種，主要是通過(guò)螺栓和焊接方式。

8.從連接方式來(lái)比較。（1）鋼結(jié)構(gòu)高層建筑連接主要有焊接，螺栓連接，原柱頭栓釘，錨栓連接，化學(xué)錨栓連接。（2）為了避免因連接較弱而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)采用強(qiáng)連接弱構(gòu)件的原則。構(gòu)件的拼接應(yīng)采用與構(gòu)件等強(qiáng)或比等強(qiáng)度更高的設(shè)計(jì)原則，一般采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接或焊接連接。（3）高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳分埋人式、外包式和外露式三種。

9.從計(jì)算方法比較。二者基本相同。（1）高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、不計(jì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜、無(wú)法劃分成平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)，或?yàn)橥搀w結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。（2）豎向荷載下的分層法，水平荷載下的D值法。（3）地震作用常采用振型分解反應(yīng)譜法，用時(shí)程分析法輔助。

10.從荷載組合分析。二者的荷載組合在組合的項(xiàng)目上基本相同，但相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)和其他一些系數(shù)，需要根據(jù)荷載規(guī)范、混凝土相關(guān)規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范以及經(jīng)驗(yàn)確定。

11.從發(fā)展趨勢(shì)分析。二者發(fā)展趨勢(shì)統(tǒng)一。（1）構(gòu)件立體化（2）巨柱周邊化（3）支撐大型化（4）體系巨型化（5）體形圓錐化（6）材料輕質(zhì)高強(qiáng)化（7）動(dòng)力反應(yīng)智能化（8）結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)高度集成化。但是由于高層鋼結(jié)構(gòu)起步比較晚，在未來(lái)一段時(shí)間必將會(huì)得到迅猛發(fā)展，而高層混凝土結(jié)構(gòu)最近幾年或是幾十年仍會(huì)在建筑業(yè)擔(dān)任主力軍的地位。所以這兩種結(jié)構(gòu)都應(yīng)該得到重視，充分理解兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，能做到了然于心，這樣才能給未來(lái)增加發(fā)展機(jī)會(huì)。

最好的結(jié)構(gòu)是如何最有效地把鋼和混凝土的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)，現(xiàn)在比較好的結(jié)構(gòu)形式有型鋼混凝土和鋼管混凝土，如何把那些新穎的結(jié)構(gòu)形式深入地研究下去，并加以推廣利用，在實(shí)踐中了解結(jié)構(gòu)，并把經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，為以后發(fā)掘更有效的結(jié)構(gòu)形式。