结构工程师：浅议多层钢砼框架结构设计

自1996年起，我国钢年产量已经超过1亿吨，居世界首位，国家采取积极鼓励和引导在建筑业使用钢材的政策。钢砼结构体系作为一种新兴的结构体系，兼有钢结构和混凝土结构的优点，符合国家的政策导向。在1997年11月建设部发布的新的《中国建筑技术政策》和建设部、国家冶金工业局颁布的《建筑用钢技术政策》中，特别将钢砼结构列为要大力推广的建筑新技术。可以预见，这种结构在土木工程特别是多层建筑中将有着光明的应用前景。
1.钢砼结构的特点分析
钢砼结构体系通常指的是钢框架砼核心筒或剪力墙体系，抗侧移刚度很大的混凝土核心筒或剪力墙主要抵抗风荷载和地震作用，而钢框架主要承受竖向荷载。
1.1降低用钢量
钢砼结构体系兼有钢结构和混凝土结构的优点。与全钢结构相比，可以降低用钢量40%——55%，而施工速度与之相当，能够减少现场焊接工作量、降低防火处理费用；与混凝土结构相比，可减轻结构自重，增加建筑使用面积，缩短施工工期。因此是一种符合我国国情的较好的多层建筑结构形式。
1.2抗压承载力高，扩大了建筑使用空间
由于钢砼柱的承载力高，柱子载面小，还可采用大柱网、大空间的框架结构体系。所以在多层建筑中采用钢砼柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%-6%.
1.3柱子截面减小对抗震有利
和全钢结构相比，钢砼结构柱的自重小，地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析，多层建筑中采用钢砼结构体系比采用全钢结构，柱自重可以减少1/3～1/2，地震作用可以减少一半，相当于设防烈度下降一度。
2.多层钢砼结构的几种常用体系
2.1多层钢砼框架（或剪力墙）体系
多层钢砼框架（或剪力墙）体系由外围钢框架和混泥土内筒（或剪力墙）构成，钢框架与内筒间的跨度一般为8—12m，并采用两端饺接的钢梁，或一端与钢框架柱刚接相连另一端与内筒饺接相连的钢梁。典型工程实例包括深圳发展中心大厦，北京国贸中心二期塔楼。
2.2多层带伸臂桁架的钢砼框架体系
多层带伸臂桁架的钢砼框架体系在钢框架混泥土内筒体系的基础上增加伸臂桁架，目的是提高结构的侧向刚度，减少水平侧移和内筒承担的倾覆力矩等。典型工程实例为深圳地王商业大厦。
2.3多层巨柱框架砼内筒体系
多层巨柱框架砼内筒体系通过设置巨型柱，使带伸臂桁架的钢框架砼内筒体系的测向刚度得以进一步提高，巨型柱往往采用钢管或钢骨混泥土制成。典型工程实例包括北京冠城园A楼，上海金茂大厦，美国休斯顿西南银行大厦等。
3.多层钢砼框架结构设计体系的问题
3.1目前多层建筑、商住楼开发较多。随着实心粘土砖的禁用，多层砖混结构体系的逐渐退出，纯框架体系更成为了大多数设计院首选的结构体系，但纯框架体系毕竟是柔性体系，抗震设计中只有一道梁柱框架抗震防线，强震下较易破坏甚至倒塌，可靠度较低；随着层灵敏的增加，执受力和变形工需要较大的柱，以致较难满足用户对柱、梁断面尽量的要求。框架梁、柱配筋量增大，结构造价逐渐增加。
3.2建议五层以上的多层建筑优先采用框架—剪力墙结构体系。在分散、均匀、对称和周边的布置原则下利用楼、电梯间、分户墙或允许落地的墙位合理布置长短适中，数量适当的纵、横剪力墙，在保证楼板与剪力墙间传递水平力的可靠性下，可收到良好的抗震、使用及经济效果，主要如下：
（1）增加了一道抗震防线，使剪力墙成为第一道防线，框架成为第二道防线，较好地实现抗震设计多道设防的设计概念。
（2）设置刚度较框架大许多的剪力墙，提高了结构的承载力，减少了层间变形，在常遇地震下的结构件及非结构构件均不易开裂、破坏；在强震下，剪力墙不易剪切破坏，大大提高了结构的防倒塌能力及可靠度。有关专家综合日本震害调查得出结论：剪力墙的数量宜取每平方米楼面50mm长以上。
（3）剪力墙厚一般同填充墙厚，不会外露，剪力墙承受了大部分地震剪力及较大部分的地震倾覆力矩。这样框架基本上以承受竖向荷载为主，柱、梁断面均较小，配筋也较少，特别是框架梁的主筋减少较多。对于非大柱网的多层建筑，梁宽可取200mm，也不外露。对于建筑有较好的使用效果。
（4）一般墙量合理不太多的情况下，框剪结构的混泥土工程量略小于纯框架结构，框剪结构墙、柱基本都是构造配筋，框架梁基本由竖向荷载控制配筋，钢筋工程量小于纯框架结构，故多层建筑采用框剪结构的经济效益优于纯钢框架结构。
4.多层钢砼框架结构设计体系典型问题的处理
4.1对砼结构裂缝的修补
采用表面密封法用于修补不再发展的裂缝，其缝隙宽度不大于0.2mm.具体做法为：在裂缝处用钢丝刷将砼表面打毛，并用清水洗净，然后喷涂或涂刷一层涂敷材料、丙烯酸橡胶、聚酯树脂，或在裂缝上先铺放玻璃丝布，再用修补材料涂刷。
4.2对砼结构受损伤部位的修补
采用涂抹砂浆法或化学灌浆方法对于浅表面损伤，可采用涂抹砂浆法或化学灌浆法。其具体做法是先将受损表面清洗干净，然后涂一层界面剂或低黏度环氧树脂，再涂抹环氧树脂砂浆或聚合物水泥砂浆进行修补。
4.3对砼结构的加固
对砼结构加固的目的是要在恢复中提高结构的承载力，使结构能继续使用或改作其他用途。加固的方法，大致有以下几种：
（1）采用增大截面加固方法，这是一种加大原结构截面和配筋量的加固方法，用于提高构件的抗弯强度、抗剪强度和刚度，也可用来修补砼的裂缝。这种方法的优点是适用面广，可用于加固梁、柱、墙、基础、屋架弦、腹杆以及连接节点等。新浇砼标号宜比原构件砼标号提高一级。施工工艺简单，但是作业量大，减少了建筑的使用面积，施工中必须保证新老砼的粘结。必要时可采用砼界面剂。
（2）采用粘钢加固方法。在钢筋砼结构表面用结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力。这种方法的优点是施工简单、快捷。加固时，基本上不影响使用，主要用于梁的加固。钢板应延伸出需要加固部位外，延伸的长度应满足加固钢板传力的需要，如果钢板的锚固长度受到限制，则需要采用锚拴或型箍板加固粘结。加固法至关重要的是处理好粘结处的砼表面和粘结钢板的表面，选配好粘结的胶。黏胶后再加固加压，胶固化后才能受力。
（3）采用增设支点加固方法。增设支点以减少结构计算跨度，从而能较大幅度地提高承载能力，并能减少和限制梁、板的挠曲变形。该法的优点是简单，但使用空间受到限制。这种加固方法，应核算增设支点后结构受力情况的改变，该法多用于框架梁和一般梁的加固。
针对钢砼结构应用于建筑中会遇到的一些具体问题，我们展开了一系列基础性及应用性的理论研究与工程实践。研究的结果表明，钢砼结构可以用于多层建筑的建设，同时也为钢砼结构在建筑建设中的推广应用打下坚实的理论基础。