高層混凝土結構和高層鋼結構的區(qū)別與聯(lián)系

鋼結構自重小，延性好，但耐火性差，易受外界腐蝕，密閉性差。混凝土結構自重大，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……從多個角度比較分析和比較了高層混凝土結構和高層鋼結構的異同點，加以分析并提出了未來的展望。

隨著經濟和科技的發(fā)展，世界各國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，是因為它能有效地利用空間，能在有限的土地面積內增加建筑面積，緩解用地緊張的問題，同時高層建筑的建筑高度的競爭也反映了國家的政治地位和經濟實力。而先如今，我國的高層建筑結構采用的比較多的是鋼筋混凝土結構和鋼結構，并且高層鋼結構發(fā)展僅處于起步發(fā)展階段，高層鋼筋混凝土結構發(fā)展較成熟。本文從多個角度對高層混凝土結構和高層鋼結構進行比較分析，試圖能為高層結構的發(fā)展大概地指出一個方向，并為之努力。

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

2.從二者的優(yōu)缺點進行比較。首先談談混凝土結構的優(yōu)缺點。優(yōu)點：（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。鋼筋混凝土結構具有下述主要缺點：（1）自重大。（2）抗裂性差。（3）性質脆。綜上所述不難看出，鋼筋混凝土結構的優(yōu)點多于其缺點。而且，人們已經研究出許多克服其缺點的有效措施。例如，為了克服鋼筋混凝土自重大的缺點，已經研究出許多質量輕、強度高的混凝土和強度很高的鋼筋。為了克服普通鋼筋混凝土容易開裂的缺點，可以對它施加預應力。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。鋼結構優(yōu)點：（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：（1）耐火性能差。（2）需要注意防銹。（3）變形大， 設計需注意控制。亦用體系方法。（4）特有的冷橋問題，有時需要考慮。（5）常常造價偏高。和傳統(tǒng)結構相比。（6）當前國內設計，制造水平低……解決辦法當前主要有：（1）大力發(fā)展了耐火鋼和耐火涂料。（2）大力發(fā)展鋼結構，逐步降低鋼結構的造價。（3）大力鼓勵建設高層鋼結構，積累更多的經驗，為鋼結構地發(fā)展打下基礎。

3.從計算的原理進行分析。不論混凝土結構還是鋼結構都依據“板—梁—柱—基礎”這樣傳力途徑進行受力傳遞。不論二者結構模形有多大的差別，從受力上講計算原理都是相同的。都需要借助傳統(tǒng)的力學與數(shù)學公式進行分析，借助相應的規(guī)范和軟件進行設計。

4.從二者的結構類型進行比較。高層鋼筋混凝土結構主要有框架結構，剪力墻結構，框架剪力墻結構，框筒結構，筒體結構，鋼—混凝土組合結構等，高層鋼結構的結構體系和混凝土結構基本相同，同時高層鋼結構主要有四類：鋼結構、鋼—混凝土結構、型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構。它們各自有自己的特點，例如框筒結構有剪力滯后的特性，鋼管混凝土結構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，增強結構的綜合性能。

5.從選用混凝土和鋼的方面比較。對于鋼筋混凝土結構，據《混凝土結構設計規(guī)范GB50010-2002》第4.1.2條之規(guī)定：鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15；當采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20；當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20；預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30；當采用鋼絞線鋼絲熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。《高層民用鋼結構技術規(guī)程》（JGJ99－1998）規(guī)定，高層建筑鋼結構所用鋼材，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級鋼。重要的焊接構件宜采用C、S、P含量較低的C、D、E級碳素鋼和D、E級低合金結構鋼。強度超過Q390的鋼材。由于其伸長率較低，盡量少用于高層建筑鋼結構中�；炷�土強度等級不應低于C30，抗震設防中SRC混凝土中，強度不宜超過C70（8度）或C60（9度）。對SRC混凝土或鋼管混凝土構件，宜采用高性能混凝土，其特點為：①高耐久性；②低含堿量；③高強度；④高密實度；⑤高抗?jié)B性；⑥流動性好；⑦體積穩(wěn)定性強�？v向受力鋼筋宜采用HRB335級或HRB400級；箍筋宜采用HRB335級、HRB400級或HPB235級�！督ㄖ�抗震設計規(guī)范》（GB 50011－2001）規(guī)定，對一、 二框架結構，鋼筋強屈比應在1.25～1.3之間。

6.從二者的設計特點進行比較。共同點：（1）水平荷載成為決定因素（風荷載和地震作用）。（2） 結構側移成為控制目標。（3） 軸向變形不容忽略。（4） 梁柱節(jié)點域的剪切變形影響不能忽略。（5） 結構延性是重要設計指標。（6） 高層建筑結構構件應選用空間構件。（7） 防雷、防飛機撞擊系統(tǒng)應完全可靠。（8）提供合理的抗側力能力。不同點：（1）高層混凝土結構延性差，而鋼結構卻相對好很多。（2）高層鋼結構抗火設計必不可少，防銹處理必須到位。

7.從二者的結構布置進行分析。相同點：（1）高層房屋應首選由光滑曲線構成的平面形式；（為了減少風壓作用，圓形比方形好）；盡可能地采用中心對稱或雙軸對稱的平面形式；（以減小或避免在風荷載作用下的扭轉振動）；避免以狹長形作平面形式；（因風荷載作用會產生嚴重的剪切滯后現(xiàn)象）；框筒結構采用矩形平面形式時，應控制其平面長寬比小于1.5；（不滿足時，宜采用束筒結構）；需抗震設防時平面尺寸關系應符合相關要求。（2）因此高層建筑一般不宜設置防震縫；一般也無須設置溫度縫；地震區(qū)的高層建筑，應當建立精細的力學模型，作較精確的地震分析，并采取相應的措施提高其薄弱部位和構件的抗震能力。（3）任一層的偏心率大于0.15時，稱為平面不規(guī)則結構。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50%，稱為豎向布置的不規(guī)則結構。（4）采用天然地基時，不宜小于H／15；采用樁基時，不宜小于H／20 ，H ：室外地坪至屋頂檐口的高度。當有可靠根據時，基礎埋深可適當減小。（5）樓蓋結構的方案選擇原則：滿足建筑設計要求；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，盡量取樓板經濟跨度以內（壓型鋼板組合樓板取2～3m）；主梁應與豎向抗側力構件直接相連；（充分發(fā)揮整體空間作用）豎向構件縱橫兩個方向均應有主梁與之相連，以保證兩個方向的長細比不致相差懸殊；梁系布置應能使盡量多的樓面重力荷載份額傳遞到豎向構件； （如，設置斜向主梁）為減小樓蓋結構的高度，主次梁通常不采取疊接方式。不同點：高層鋼結構主次梁較混凝土結構那樣現(xiàn)澆連接方式多樣，有簡支連接和剛性連接兩種，主要是通過螺栓和焊接方式。

8.從連接方式來比較。（1）鋼結構高層建筑連接主要有焊接，螺栓連接，原柱頭栓釘，錨栓連接，化學錨栓連接。（2）為了避免因連接較弱而使結構發(fā)生破壞，節(jié)點連接應采用強連接弱構件的原則。構件的拼接應采用與構件等強或比等強度更高的設計原則，一般采用摩擦型高強度螺栓連接或焊接連接。（3）高層鋼結構柱腳分埋人式、外包式和外露式三種。

9.從計算方法比較。二者基本相同。（1）高層建筑結構的計算模型，可采用平面抗側力結構的空間協(xié)同計算模型；當結構布置規(guī)則、質量及剛度沿高度分布均勻、不計扭轉效應時，可采用平面結構計算模型；當結構平面或立面不規(guī)則、體型復雜、無法劃分成平面抗側力單元的結構，或為筒體結構時，應采用空間結構計算模型。（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譜法，用時程分析法輔助。

10.從荷載組合分析。二者的荷載組合在組合的項目上基本相同，但相應的荷載分項系數(shù)和其他一些系數(shù)，需要根據荷載規(guī)范、混凝土相關規(guī)范、鋼結構相關規(guī)范以及經驗確定。

11.從發(fā)展趨勢分析。二者發(fā)展趨勢統(tǒng)一。（1）構件立體化（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）材料輕質高強化（7）動力反應智能化（8）結構分析設計高度集成化。但是由于高層鋼結構起步比較晚，在未來一段時間必將會得到迅猛發(fā)展，而高層混凝土結構最近幾年或是幾十年仍會在建筑業(yè)擔任主力軍的地位。所以這兩種結構都應該得到重視，充分理解兩種結構的優(yōu)缺點，能做到了然于心，這樣才能給未來增加發(fā)展機會。

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