型鋼混凝土在房屋建筑施工中的應用

裴濤

合肥建筑質量安全監督站

1 引言

型鋼混凝土結構具有承載能力強，剛度大，構件截面尺寸小，適合大跨度結構工程，且抗震性能好，有利于降低工程造價，且型鋼混凝土施工方便簡單，材料利用率高。型鋼結構按照結構形式可以分成實腹式、空腹式。其中，空腹式是通過綴條、綴板連接槽鋼與角鋼，形成穩定性很好的結構。實腹式則是直接將型鋼與鋼板焊接在一起，如圖1。

圖1 型鋼混凝土構件截面

面對新興的超高層建筑建設，目前世界各地都更傾向于使用型鋼混凝土的組合結構。型鋼混凝土組合結構具備別的結構所不具備的特殊優點，是一種非常具有魅力的組合結構形式，并且越來越普遍地應用在各種建筑和橋梁結構中?？傊?，凡是可以使用鋼筋混凝土結構的，都可以使用型鋼混凝土結構。

2 型鋼混凝土組合結構的特點

2.1 承載能力高、剛度大

型鋼混凝土結構是型鋼包裹混凝土形成的結構整體，型鋼與混凝土形成受力整體，共同承受荷載，力學性能更優。同時還能夠解決鋼結構耐火性、耐久性不優，易屈曲失穩等短板，使型鋼性能可以充分施展出來，而且可以最大限度利用混凝土的抗壓性能以及鋼材的抗拉壓性能。

2.2 抗震性能好

外包混凝土對型鋼產生強大的限制作用，能夠避免型鋼的局部屈曲，增強型鋼骨架的整體剛度和抗扭能力。因為配置了型鋼，大幅度提高了構件的承載力，特別是采用實腹型鋼的型鋼混凝土組合結構構件，它的抗剪承載力得到極大提高，而且使得受剪破壞時的脆性性質得到極大改觀，使它擁有比鋼筋混凝土結構構件更杰出的延性和耗能性能，展現出良好的抗震性能。

2.3 綜合經濟效益好

由于型鋼混凝土組合結構可以最大限度利用混凝土抗壓性能好的長處，與鋼結構相比能夠減少大概1∕3的鋼材用量，并且避免了鋼結構防銹、防腐蝕、防火性能差，必須頻繁維護的弊端。與鋼筋混凝土結構相比，承載能力一致的條件下，型鋼混凝土組合結構截面更小，自重更輕，布置更靈活，進而節省了成本。

2.4 施工便捷，施工周期較短

型鋼混凝土組合結構在施工時，型鋼骨架既可以替代腳手架工程，用作下方樓層澆筑混凝土的操作平臺，又能夠當作臨時的支架負擔上方若干層施工荷重，所以，型鋼混凝土結構無需待混凝土達到一定強度就能夠接著進行上層的施工，很大程度上縮短了施工周期。

3 型鋼混凝土組合結構的結構類型

型鋼混凝土結構組合中，可以是全部構件都采用型鋼混凝土，也可以是部分構件采用型鋼混凝土。這兩種組合形式都可以廣泛應用于各種結構體系中，比如核心筒、框剪結構、大空間結構體系中等。型鋼混凝土構件的應用形式主要有以下幾種：第一，型鋼混凝土框架結構；（2）型鋼混凝土框筒或核心筒結構；（3）地下結構或底部幾層采用型鋼混凝土，地上采用鋼結構；（4）框架柱使用型鋼混凝土，梁使用鋼或鋼筋混凝土。如果通過受力科學、經濟實惠、施工便捷等可行性分析及驗證，還可以使用另外的組合形式。

4 型鋼混凝土組合結構計算方法

4.1 關于型鋼混凝土組合結構的計算

依據目前情況，世界其他國家對型鋼混凝土構件的計算方法大約可以分三類。

（1）以試驗及數值計算為基礎，從鋼結構計算理論出發，考慮混凝土對型鋼剛度的提升，依照鋼結構穩定理論計算。該算法適合用在含鋼率較高的情形。

（2）按照鋼筋混凝土計算理論，將型鋼和混凝土看作一個整體，分析這個整體構件的受力情況，并進行內力計算。這種方法沒有考慮型鋼與混凝之間的黏結，不能完全反應型鋼與混凝土的受力狀況。

（3）承載力疊加法。該方法于1950年被日本學者提出，該方法將型鋼與混凝土分別單獨計算，假設二者相互獨立，且在型鋼不發生屈曲，對型鋼與混凝土的內力分別進行計算，然后將二者承載力與剛度的計算結果進行疊加，該結果就是型鋼混凝土剛度與承載力情況。承載力疊加法計算方法下，型鋼與混凝土并沒有真正達成同步工作狀態，僅僅是將二者內力計算結果進行疊加，作為型鋼混凝土組合構件的抗彎能力。除此之外，這個方法對構件的剛度計算時將彈性理論作為基礎，也就是取兩者的彈剛度作為構件剛度。

4.2 型鋼混凝土內力計算

主要有兩種方法：第一，利用概率論的理論，按照極限狀態設計，假設構件達到極限狀態時，型鋼與鋼筋混凝土具有一致的中性面，利用力矩與力的平衡，建立受力平衡的方程；（2）承載力疊加法，也就是將這兩個單獨計算出來，最后加在一起。

5 結構選型和布置中要注意的問題

5.1 結構選型的問題

結構選型也依據建筑的使用功能，建筑高度等因素，尤其是高層建筑，要結合多項因素綜合考慮，選擇最佳結構體系，然后依據結構布置，對結構構件進行合理的受力分析，確定構件選材與截面尺寸，在選型中，除了要滿足建筑功能性的要求，還應當注意兼顧經濟性、美觀性與安全性。如果建筑層高較高、柱距較大，這時候結構柱內力較大，受到軸壓比的限制，柱的截面尺寸也應當稍微大一些。這樣就會增加建筑結構自重，消耗大量的建筑材料與其他能源，對建筑功能也可能產生一些影響。型鋼混凝土組合結構對處理這些矛盾有一定的幫助，面對跨度較大同時樓層較高的情形時，應用型鋼混凝土組合結構，能夠提高建筑結構的科學性和美觀性。

5.2 側向失穩問題

在型鋼混凝土結構中，如果型鋼與混凝土黏結不到位，造成黏結應力不足，則可能造成構件開裂，導致型鋼外包裹的混凝土剝落。例如在型鋼混凝土柱中，由于兩種材料之間黏結不足，造成型鋼柱自身強度不足，在荷載作用下，結構柱型鋼屈服，引起型鋼混凝土結構柱側向失穩。另外，由于型鋼外混凝土剝落造成型鋼混凝土柱的側向剛度不足，同樣造成結構柱的失穩。因此，型鋼混凝土組合結構中，處理好型鋼與混凝土之間的黏結，是有效規避結構構件出現側向失穩的關鍵因素。

5.3 構件經濟比較

型鋼混凝土組合結構中，型鋼截面的選擇，配筋率的控制，以及構件的截面尺寸選擇等問題，必須結合規范進行嚴格的驗算，在設計中科學計算，并進行一定的優化設計。受到建筑功能、跨度等因素的影響，會對構件截面有一定的限制，在設計階段，要結合各類材料的力學性能，合理選擇截面面積，避免截面面積過大或者型鋼占比過高的現象。對于型鋼的選擇，優先選擇實腹式寬翼H型軋制型鋼和各種焊接型鋼。除此之外，如果選擇十字形鋼，則需同時配置合適的箍筋與縱筋，保證結構構件受力合理，能夠滿足規范及設計要求。最后，必須控制優化型鋼混凝土設計，控制型鋼外包裹的混凝土的厚度，對配筋率進行嚴格的驗算，達到截面的最優狀態。

6 型鋼混凝土組合結構在房屋建筑中的應用

6.1 節點中的應用

在型鋼混凝土組合結構中，兩柱節點是設計及施工中的重要控制點，梁柱連接的位置，要處理好型鋼及內部配筋的連接問題，選擇套筒連接的形式，將套筒與柱翼緣聯結。在施工階段，梁柱連接點是施工難點，施工操作比較困難，為了便于施工，可以設置不通長布置的加勁肋，在翼緣之間以及梁水平筋的位置，合理設置加勁肋，翼緣板周邊一定范圍內合理設置加勁肋。在加勁肋高度設置上，必須經過驗算，確定高度能夠滿足要求。這樣能夠最大限度保證梁結構翼緣拉力可以成功傳達給樁基，并且防止翼緣板出現彎曲的現象。

6.2 結構裝配中的應用

鋼結構構件在工廠統一加工運至施工現場進行現場拼裝，構件運至施工現場后先進行構件的檢查，確保構件無損傷，檢驗合格后開始進行現場的預拼裝，再進行構件的校正，待構件驗收合格，采取分段運輸的方式運送到施工地點，在連廊支撐架上完成鋼桁架的組裝。另外，如果選用十字型鋼柱，則會增加施工難度，現場拼裝中，要注意不同構件之間的連接問題，按照規范要求進行構件的吊裝與拼裝，做好施工過程中的安全保護，確保施工安全，提高施工質量。

6.3 質量控制要點

型鋼混凝土施工工藝較普通鋼筋混凝土有所不同，質量控制要點也有一定的差異性。不僅設計重點有差異，施工技術難點也有不同。型鋼混凝土組合結構中，要明確型鋼位置，根據型鋼翼緣板的寬度，確定框架的寬度，由于鋼筋直徑對結構構件力學性能有較大的影響，因此，在型鋼混凝土中要精確鋼筋孔徑，根據設計圖紙，明確梁柱鋼筋穿孔的位置，此外在型鋼中，要選取縱橫方向的穿孔位置，兩者之間應該留出一個孔徑的間隔。進行型鋼混凝土組合結構施工時，必須重視對施工過程的質量控制。

7 結語

鑒于型鋼混凝土組合結構優越的力學性能，人們在房屋建筑結構中對它的應用越來越普遍。但同時，它又是一種具有一定技術難度的施工方式。我們應當加大科研工作的研究力度，深入完善計算理論知識，盡可能有針對性地將型鋼混凝土組合結構推廣到更多建筑領域，這樣必定能夠優化和改善建筑結構抗震性能，對我國建筑行業發展乃至社會經濟發展都將具有極其重大的意義。