型钢混凝土结构设计要点研究

型钢混凝土结构设计要点研究

介绍型钢混凝土结构应用领域和主要特点，分析了型钢混凝土结构计算理论和设计方法，并阐述了型钢混凝土结构设计过程中需要重点注意的相关构造要求。

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随着我国经济快速发展，各个大城市兴建了大量的高层建筑和大跨度公共建筑，这些建筑物多数采用钢筋混凝土结构，随着建筑高度和跨度的增加，构件截面的尺寸显得过大，占据了较多的使用面积，对建筑使用功能和外观效果产生了较大影响，钢与混凝土组合结构可以较好得解决这个问题，因此逐渐得到了广泛应用。组合结构形式主要包括钢管混凝土柱、钢板混凝土剪力墙、钢与混凝土组合梁和组合楼板等，其中型钢混凝土结构体系可以有效减小梁柱构件尺寸，尤其适用于高层建筑和大跨度公共建筑领域。

1、型钢混凝土结构的特点

型钢混凝土结构是由内部型钢骨架和外包钢筋混凝土所形成的组合结构，即核心部分为轧制或焊接型钢型为主的钢结构构件，型钢外部配置适当纵向受力主筋和箍筋的混凝土结构，这些钢筋主要是为了约束混凝土，同时构件计算中亦考虑其受力。

型钢混凝土结构由钢结构和混凝土结构组合的目的是希望得到单一结构不具有的结构性能或发挥多种结构合理、有序的组合之后结构体系的综合性能，其主要特点为：

1.1型钢混凝土结构相比普通钢筋混凝土结构，构件的承载力有显著提高，从而可以有效减少构件的截面面积，为实现建筑功能创造较好的条件，同时可以降低建筑的造价，产生较好的经济效益。型钢混凝土结构施工时可以利用型钢骨作为模板支撑构件，承担施工阶段荷载，减少脚手架布置，降低工程费用提高施工进度。

1.2型钢混凝土结构相比钢结构，外包混凝土可以防止内部型钢的局部屈曲，并能显著改善钢构件抵抗平面外扭转屈曲性能，使钢骨的钢材强度得以充分发挥。钢筋混凝土可以增加结构的刚度和阻尼比，有利于控制风或地震作用下高楼结构的变形和风震加速度。外包钢筋混凝土作为钢材的保护层，大大提高了结构的耐久性和防火性能。

1.3型钢混凝土内部型钢提高了构件的含钢量，可以有效提高结构整体的延性，从而改善强混凝土本身延性差的缺点，增强了结构及构件的抗震性能。

2、型钢混凝土结构设计方法

型钢混凝土结构的特殊性及其应用目的侧重点不同，各国有关型钢混凝土结构的设计理论主要有4种设计方法：叠加法、钢筋混凝土法、半经验半理论法、钢结构理论法。、

我国《组合结构设计规范》（JGJ138-2016）主要采用半经验半理论法进行设计计算，此方法是将钢骨混凝土看作一个整体，假定在外荷载作用下截面的混凝土、钢筋和型钢的应变保持平面，破坏形态以型钢受压翼缘以上混凝土突然压碎、型钢翼缘达到屈服为标志，基本性能与钢筋混凝土压弯构件相似。通过试验和理论模型分析影响其承载力的因素，然后以试验数据为基础进行回归分析，得出承载力的计算公式。这种方法从实际出发同时又结合了理论分析，能较好地反映构件本身的受力性能。

型钢混凝土构件的裂缝计算，基于把型钢翼缘作为纵向受力钢筋，且考虑部分型钢腹板的影响，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010有关裂缝宽度计算公式的形式，建立了型钢混凝土梁在短期效应组合作用下并考虑长期效应组合影响的最大裂缝宽度计算公式。型钢混凝土梁在正常使用极限状态下的挠度，可根据构件的刚度采用结构力学的计算方法计算。试验表明，型钢混凝土梁在加载过程中截面平均应变符合平截面假定，且型钢与混凝土截面变形的平均曲率相同，因此截面抗弯刚度可采用钢筋混凝土截面抗弯刚度和型钢截面抗弯刚度叠加的原则处理。

3、型钢混凝土结构主要构造要求

为了充分发挥型钢混凝土中钢材的作用和保证构件在地震作用下有必要的承载力和延性，混凝土的强度不宜低于C30。基于目高强混凝土的脆性和研究不充分，高烈度地区建议控制混凝土标号不超过C60。

为了保证框架梁对框架节点的约束作用，以及便于型鋼混凝土梁的混凝土浇筑，框架梁的截面宽度不宜小于300mm。 为保证梁底部混凝土浇筑密实，梁中纵向受力钢筋不宜超过二排，如超过二排，施工上应采取措施，如分层浇筑等，以保证梁底混凝土密实纵向受拉钢筋直径宜取16～25mm，净距不宜小于30mm和1.5倍纵筋直径，从而保证混凝土与钢筋与型钢有良好的粘结力，同时，也有利于梁在正常使用极限状态下的裂缝分布均匀和减小裂缝宽度。梁两侧沿高度每隔200mm应配置一根腰筋，其目的是增加箍筋、纵筋、腰筋所形成的整体骨架对混凝土的约束作用，同时也有助于防止由于混凝土收缩引起的收缩裂缝的出现。

型钢混凝土结构梁与梁连接、柱与梁连接等节点位置，主梁、次梁和柱钢筋密集，钢结构节点板设置复杂，应保证型钢的锚固和传递，同时需要考虑施工条件，是型钢混凝土结构设计的难点和重点。混凝土梁内纵筋不宜穿过柱内型钢翼缘，也不得与柱内型钢直接焊接，但梁内部分纵筋无法避开柱内型钢时，可以采用纵筋与柱型钢上设置的钢牛腿可靠焊接、或者部分纵筋绕过型钢翼缘在柱内型钢腹板预留贯穿孔、纵筋和焊接在柱型钢翼缘上的连接套筒连接等方式，如采用

套筒连接，则连接套筒的钢材不应低于Q345B级的低合金高强度钢，其抗拉强度不应小于连接钢筋抗拉强度标准值的1.1倍，连接套筒与钢构件应采用等强焊接并在工厂完成，套筒净距不应小于套筒外径及30mm。

结构竖向布置中，如部分采用型钢混凝土结构，部分采用钢筋混凝土结构，由于型钢混凝土结构刚度相对较大，易造成结构的刚度和承载力的突变，为避免形成薄弱层设计中应将型钢混凝土柱中的型钢应向上延伸一层或二层作为过渡层，过渡层柱的型钢截面可适当减小，纵向钢筋和箍筋配置应按钢筋混凝土构件计算，不考虑型钢作用。

4、型钢混凝土结构施工注意事项

型钢混凝土结构施工设计到钢结构施工和钢筋混凝土施工两部分，需要协调配合方可完成，主要施工难点为：梁柱节点区，此区域型钢连接复杂同时钢筋密集，受柱内型钢翼缘无法开孔和腹板开孔率，造成梁钢筋无法贯穿；箍筋形式与常规做法不同，多边形的异性箍筋较多，箍筋叠加复杂且设置密集，同时箍筋植筋较大，转角弯折箍筋准确加工较为困难；钢筋设计密集造成混凝土浇筑困难。

建议采用如下施工措施加以解决：设计中考虑现场施工实际，改进钢筋与型钢的连接措施；加强深化设计图纸的准确性，型钢加工时提前预留钢筋接驳器和连接件；优化箍筋直径和规格，箍筋设置复杂区域加设构造钢筋，减少箍筋穿腹板数量；节点区域采用自密实混凝土替代普通混凝土进行浇筑，采用小振捣棒或附着式振捣器对自密实混凝土进行辅助振捣，钢筋特别密集部位应在混凝土初凝前进行二次振捣，混凝土浇筑完成后加强养护措施并延长养护时间。

5、结论

由于型钢混凝土良好的力学性能和显著的经济效益，随着国内建筑物高度和跨度的要求不断提高，必将大大促进了型钢混凝土结构的应用和研究。但是在计算理论方面仍然存在较多不足，计算理论和实际受力状态有一定差别，因此型钢混凝土设计时需要加强构造措施，同时截面中的型钢和混凝土协同工作是保证整体受力的前提条件，施工质量是否能与设计意图统一是关键，需要充分考虑施工条件和施工的可操作性，深化并完善设计细节。

参考文献：

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