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型钢与混凝土组合结构在超高层 建筑中的应用 Ap p l i c a t i o n o f Co mb i n e d S t r u c t u r e o f P r o fil e S t e e l a n d Co nc r e t e t o S u p e r Ta l l Bui l d i ng 一 一 马志 周晓华 朱金 勇 张小磊 中建保华建筑有限责任公司上海分公司 上海2 0 0 1 2 5 摘 要 ： 以 “ 空中华西村”工程为例，结合其独特的建筑造型及功能要求 ，采用了多种型钢与混凝土组合结构形式。这 样不仅提升了设计上的多项性能指标，而且简化了实际施工流程 ，既能保证工程质量，又能加快施工进度。 关键词 ： 超高层建筑型钢结构混凝土结构组合结构 中图分类号： T U 9 7 4 文献标识码 B 【 文章编号 】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 1 1 - 1 0 6 6 0 3 1 工程概况及结构特点 “ 空中华西村 ” 工程位 于江苏省江 阴市华西村 ， 是集酒 店式公 寓及附属公共配套设施于一体 的超高层综合体 ， 现 已更名为“ 龙希国际大酒店” 。建筑高度 3 2 8 0 m ， 总建筑面 积达 2 1 2 9 8 7 4 2 Il l 。本工程 由 3个 6 0层( 高 2 5 2 6 m) 的外 围简体和 1 个 7 4 层( 高 3 2 8 m ) 的 中央核心简体构成 ， 中央 核心筒体项部设有 1 个 西5 0 m的球体结构。 本工程结构形式为型钢与混凝土组合结构 ，外围 3个 简体采用外框架内简体结构。 外框架为钢管混凝土柱、 型钢与混凝土组合梁框架结构 ， 内筒体为型钢混凝土结构。 单个筒体的结构平面布置如图 1 所示。 图 1 外 围 3 简体结构平面布置 外围单个筒体高 2 5 2 6 m ， 属于超高层建筑。单个筒体 结构包含 了型钢与混凝土组合结构 中的以下 4种结构形 式 ： 内部核心简体采用型钢混凝土结构 ： 外围框架柱采用钢 管混凝土柱 ；外围框架梁采用 H 型钢与混凝土组合梁 ； “ 小 作者简介： 马志( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 本科， 助理工程师。 通讯地址： 上海市浦 东新 区临沂 路 8 1弄 6 1 号 ( 2 0 o 1 2 5 ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 5 1 5 1 0 6 6 l 2 0 1 2 1 1 B d in g 连廊” 区域楼板采用钢筋桁架模板 与混凝土组合板。 中央 核心筒体主要采用型钢混凝土结构 ， 内置型钢 柱、 型钢梁 ， 并从 5 5层开始向外围伸 出型钢混凝土扶壁墙、 6 7 层 开始 向外 围伸 出钢 结构托桁 架 ，以支撑 顶部 1 个 西 5 0 m的球体结构 。 2 型钢混凝土结构 2 1 型钢混凝土结构特点 型钢混凝土结构是由混凝土包裹型钢而成 的结构 ， 是 钢结构和混凝土结构两者的有机结合。大量的试验和实例 已经证明，型钢混凝土结构兼顾了钢结构和混凝土结构的 优点： 型钢混凝土中型钢不受含钢率的限制， 承载能力大大 提升， 相应的可以减小构件 的截面尺寸 ， 对于增加超高层建 筑的使用面积起了很大作用；型钢在混凝土浇筑之前已形 成钢结构 ， 具有较大的承载能力， 施 工中可以利用该钢结构 进行外架搭设 、 模板 支撑、 塔吊爬升或 附墙等一系列操作 ， 降低施工难度 ； 由于型钢内置于混凝土结构中 ， 可 以有效提 升整体工程的延性 ， 增强抗震性能。 2 _ 2 “ 空中华西村” 工程型钢混凝土结构受力简析 由于“ 空中华西村” 工程在建筑上的独特设计在整 个大楼顶部设置 1 个 4 , 5 o m的球体 ，在球体下方的支撑构 件 中央 核心简体 中， 型钢混凝土结构担 当起了承受 项部球体荷载的主要任务。 图 2 为 中央 核心筒体 5 5 层 6 7 层的结构布置 图， 从 中可以看出 ，结构中有大大 J x J 共 3 5根实腹式 H型钢 柱 ， 并在每层平面中有型钢梁相连 ， 在剪力墙混凝土结构 内 部形成钢框架 ， 这样不仅能够充分承受由于顶部球体 自重 产生的竖向荷载 ，还能有效地抵抗球体在 3 0 0 m高空的巨 大风荷载以及地震作用带来的破坏性 中击。 H 7 0 0 H 7 0 0 H? O Ox 4 O Ox 3 0 x 3 5 HT O Ox 4 O O x3 0 X3 5 图 2 中央 O 核心简体 5 7层 6 7层结构布置 x3 03 5 3 O3 5 2 3 型钢混凝土结构在施工中的应用 “ 空中华西村 ” 工程在标准层结构施工阶段 ， 中央 0 核 心简体内设置了 l 台 M 4 4 0 D内爬动臂式塔 吊，其爬升基座 的工具梁 4个角点就放置于型钢混凝土结构 中在型钢柱上 增设 的钢牛腿上 ，避免了因为混凝土浇筑完成后混凝土强 度达不到设计要求而影响塔吊爬升的情况 ，免除了塔吊爬 升因为主体结构受力原因受到延迟的后顾之忧。 在外围 3 个简体主体结构封顶后 ， 中央 0 # 核心简体 内 的 M 4 4 0 D内爬动臂式塔吊被拆除 ，取而代之的是在外围 3 简体 6 1 层楼板上安装的 K 5 5 0 C 平臂式塔 吊。根据塔 吊说 明书， K 5 5 0 C 塔吊安装 自由高度为 4 2 7 m ， 该 自由高度不能 满足 中央 核 心简体 结构封 顶所 需的 7 5 4 m ( 3 2 8 m 2 5 2 6 n 1 ) 高度 ， 需要在 6 9层设置 1 道附墙。但是 中央 0 核 心筒钢结构施工领先混凝土结构施工 3层 ，若按照常规方 法 ， 即在混凝土结构 中设置预埋件安装塔 吊附墙 ， 则钢结构 施工将会拖后 3 层 ， 严重影响施工进度。 因为型钢在混凝土 浇筑之前已形成钢结构，并具有相 当大的承载能力， “ 空中 华西村 ” 工程将塔 吊附墙直接 固定在 了 6 9层钢结构钢梁 上 ， 可使得主体结构施工按计划进行。 3 钢管混凝土柱 3 1 钢管混凝土柱特点及受力简析 钢管混凝土柱是指将普通混凝土填入薄壁钢管 内形成 的组合结构。 其借助内填混凝土增强了钢管壁的稳定性 ： 又 借助钢管壁对内填混凝土的套箍( 全封 闭式约束 ) 作 用， 使 得内填混凝土中的各点始终处于三 向受压应力状态 ( 三轴 压应力 ) ， 充分发挥混凝土的抗压能力 ， 作 用类似于提高 了 混凝土的抗压强度 ， 也增强了混凝土的抗变形能力。 正是因为钢管混凝土柱中钢管壁和内填混凝土的相互 补强， 使得钢管混凝土柱有了以下特点 ： 强度高、 重量轻、 塑 性好、 耐疲劳、 耐 中 击 ； 充分发挥钢管壁 的抗弯能力和混凝 土的抗压能力 ， 提高 了构件的承载能力， 相应地减小 了构件 的截面积 ； 钢管壁兼有柱子纵 向钢筋及箍筋作用 ， 施工中用 钢管柱 安装代替了钢筋绑扎的工序 ， 节省了“ 钢筋绑扎 ” 的 施工时间； 钢管壁本身即为耐侧压模板 ， 施工时可 以省去模 板支撑 ， 简化施工工序 ， 加快施工进度 ； 钢管柱 安装领先于 混凝土浇筑 ， 钢管柱安装完成后， 可以提前与水平钢梁连接 形成钢框架结构 ， 具有较大的承载能力 ， 施工中可以利用该 钢结构进行临时操作用钢平台搭设、泵管布置、安全 围护 等 ， 降低施工难度。 3 2 钢管混凝土柱在施工中的应用 “ 空 中华西村”工程中钢管柱均布置在筒体 的外 围， 正 是因为钢管壁本身的“ 模板作用” ， 在施工时可 以不用进行 模板支撑、 外脚手架搭设的工序 ， 省去 了大量的人力、 物力 和 时间。 且在钢管混凝土柱施工时 ， 不需要进行柱的钢筋绑 扎， 又再进一步简化了操作 ， 节省了施工时间。 由于钢管柱安装领先于混凝土浇筑 ，且与水平钢梁形 成钢框架结构 ， 在进行钢管混凝土柱的内填混凝土浇筑时， 正是利 用该钢框架结构的水平钢梁进行液压布料机的临时 固定 ，然后将液压 布料机的输送管与核心简体 内部的泵管 进行对接 ，再旋转液压布料机的布料杆进行钢管混凝土柱 内填混凝土的浇筑。液压布料机的布置如图 3 所示。 图 3 钢管混凝土柱混凝土浇筑示意 空 中华西村工程外围 3 个简体结构形式为外框架 内筒体结构 ， 施工时 ， 内部剪力墙结构施工领先外围钢框架 结构施工约 4个标准层 ，外围钢框架结构施工领先外围楼 板混凝土浇筑约 4个标准层 ， 而根据设计要求， 外围钢管柱 混凝土需分 2 层一段一次性浇筑。 那么， 在需要浇筑钢管柱 内填混凝土时 ， 同一楼层的外 围楼板混凝土还没有浇筑 ， 仅 有稀疏 的水平型钢梁，即在该楼层没有布置水平泵管的操 作面。 若借助塔吊采用料斗进行钢管柱的混凝土浇筑 ， 不仅 浇筑时间长 ， 而且会暂用塔吊大量的运作 时间。但是 ， 正是 因为钢管柱和水平钢梁构成的具有较大承载力的钢框架结 构 ， 足 以承受液压布料机在浇筑混凝土时受到的所有荷载 ， 使工人可以仅对液压布料机进行 1 次定位布置 ，便可通过 旋转布料杆 ， 完成外围全部 7 根钢管柱的内填混凝土浇筑 ， 保证了混凝土浇筑的连续性 ， 节省了施工时间， 并保障了外 框架内简体结构 “ 台阶式” 施工的连贯性。 4 型钢与混凝土组合梁 4 1 型钢与混凝土组合梁特点及受力简析 型钢与混凝土组合梁一般是指 由型钢梁和混凝土板组 a l j lI T第3 4 卷第1 1 期I 1 0 6 7 合而成 的梁。该类型梁组合截面中的中和轴较单独钢梁截 面中和轴上移了许多， 几乎接近钢梁的上翼缘 ， 这样在受到 竖向荷载作 用时，压应力主要由抗压性能强的混凝土板承 担 ， 而拉应力主要由抗拉性能强的型钢梁承担 ， 各取其长 ， 相辅相成。 由于充分发挥了两种材料的受力性能， 在相同竖 向荷载作用下 ， 就可减小钢梁的截面尺寸 ， 同时， 由于混凝 土板的抗变形能力， 组合梁的挠度也相应减少 了。 通 常情况下，型钢与混凝土组合梁受到竖 向荷载作 用 下 ， 会发生挠 曲变形。发生挠曲变形时 ， 混凝土板与型钢梁 会因为受到水平剪力的作用而产生相对移动 ，为防止混凝 土板受力后向上掀起与型钢梁脱离 ， 在型钢梁的上翼缘 ， 沿 梁纵向必须设有足够数量的剪力连结件 ，以此来承担混凝 土板与型钢梁之间的水平剪力。 混凝土板和型钢梁有机结合后 ，型钢与混凝土组合梁 具有 了以下特点 ： 实际承载能力高、 耐疲劳、 耐 中击 ； 充分发 挥混凝土结构的抗压性能和型钢结构 的抗拉性能 ，降低组 合梁截面尺寸和受力时的挠度 ， 节省钢材 ； 混凝土板作为多 层、 高层及超高层建筑 的横隔， 型钢梁作为它们 的加劲肋 ， 大大增强建筑的水平抗 力( 风力、 地震作用及其他震动力) ； 由于型钢梁在混凝土板浇筑前已经安装完毕 ，具有较大承 载能力 ， 施工中可以利用型钢梁进行临时操作平台搭设、 模 板支撑、 连接埋件等 ， 降低施工难度。 4 2 型钢与混凝土组合梁在施工中的应用 “ 空中华西村” 工程 中筒体外围楼板全部采用型钢与混 凝土组合梁 ，并利 用在型钢梁上翼缘焊接的栓钉作为剪力 连结件 ， 如图 4所示。 图 4 型钢与混凝土组合梁截面示意 如 图 1 所示标准层的平面布置中 ，外 围楼板 厚度为 1 3 0 m m ，其中 H型钢梁的跨度普遍在 8 4 m l 1 5 m之间 ， 但 是 H型钢 梁的截 面尺寸 主要只有 5 8 2 m m x 3 0 0 m m和 5 0 0 m m2 0 0 m m两种 ， 比相同跨度下普通混凝土结构 的梁 截面尺寸要小 1 5 - 2 5 ， 并且更节省钢材。 由于混凝土板浇筑前型钢梁已经安装完成 ，并具有较 大承载 力， “ 空中华西村” 工程在施工时， 借助该水平型钢梁 进行了液压布料机的临时固定 ，以协助完成 了外 围钢管混 凝土柱 内填混凝土的浇筑施工( 详见本文第 3 2 节 ) 。 5 钢筋桁架模板与混凝土组合板 5 1 钢筋桁架模板特点 1 o 6 8 l 2 0 1 2 - 1 1 B l珂 凼 喀 钢筋桁架模板的应 用常见于型钢与混凝土组合结构的 工程当中， 水平钢梁安装完成后 ， 以水平钢梁作为支撑 ， 铺 设钢筋桁架模板 ， 以取代木模板及其支撑 ， 混凝土浇筑完成 后， 钢筋桁架模板作为永久性模板不再拆除。 在组合楼板中应用最多的是压型钢板 ，而钢筋桁架模 板与压型钢板不同之处在于 ：没有压型钢板波浪形的底模 结构 ，取而代之的是焊有钢筋桁架结构的水平薄型钢板底 模 ， 钢筋桁架结构中包含上下弦钢筋 ， 下弦钢筋可以替代全 部的横 向底层钢筋 ，上弦钢筋可以替代一半的横 向面层钢 筋， 如 图 5所示。 图 5 钢筋桁架模板大样 同样是永久性模板 ，钢筋桁架模板具有许多与压型钢 板类似甚至更优越的特点 ： 钢筋桁架模板可叠在一起 ， 易于 运输 、 卸载、 堆放 ； 不需要支模 ， 因而就没有模板拆卸工作 。 钢筋桁架模板安装后，即可用作操作平台 ，放置工具和材 料 ； 钢筋桁架模板中的钢筋桁架结构具有抗拉底筋和负弯 矩面筋的作 用，用以抵抗楼板截面正弯矩和支座截面负弯 矩。在施工阶段 ，压型钢板还可以增强支撑钢梁侧 向稳定 性 ； 采 用组合板技术 ， 在进行上层楼面混凝土浇筑时 ， 不需 要等待下一层浇筑的楼板达到要求的混凝土强度 ，有利于 多层作业 ， b D l央施工速度。 5 2 钢筋桁架模板在施工中的应用 “ 空中华西村” 工程外 围简体 中的“ 小连廊 ” 部分 ( 如图 1 所示 ) ， 每隔 3 层 4 层才会出现 ， 若按照常规模板支设 ， 需搭设 3 层 4 层满堂脚手架 ， 施 工极为不便 ， 故在施工中 “ 空中华西村 ” 工程采用了钢筋桁架模板。钢筋桁架模板以 钢梁作为支撑 ， 铺设完毕后 ， 在钢筋桁架结构中补入纵向钢 筋和剩余的横 向钢筋， 即可进行混凝土浇筑。 6 结语 型钢与混凝土组合结构充分发挥 了型钢结构和混凝土 结构优 良的受力性能 ， 使得结构构件受力更加合理 ， 有效地 减小了构件截面尺寸 ， 正因如此， 在超高层建筑 中应用钢与 混凝土组合结构 ， 不仅可以增加使用空间 ， 还可以降低建筑 物的自重和资金成本。 参考文献 【 1 建筑施工手册 四版) M 北京： 中国建筑工业出版社，2 0 0 3 【 2 王传甲， 陈察， 阎晓铭， 等 空中华西村复杂超限高层结构设计 J 】 建筑结 构， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 8 1 3 【 3 】3熊启发， 郎占鹏， 李瑞平 超高层混凝 土泵送施工技术【 J 建筑技术 ，2 0 1 1 (2 ) ： 1 4 1 1 4 3