学文网摘要：本文简要介绍了钢与砼结构的竖向组合和水平组合，并比较不同材料、相同跨度梁的受力状态和造价。
关键词：钢结构组合体组合楼板
自改革开放我国的钢产量有了大幅度的提高，近几年钢产量已经连续超过亿吨，但我国建筑钢仅占钢材产量比例的20%，而美国发达国家已达到50%以上；钢结构建筑在整个建筑中所占比重，只占我国建筑用钢量的10%~20%，而如日本的钢结构建筑占建筑总面积的50%左右，韩国约占20%，差距十分巨大。这与我国作为产钢大国的地位是很不相称的，为此，我国有关部委已经在大力推广钢结构体系，建设部将钢结构住宅体系的开发和应用作为我国建筑业用钢的突破点。
钢结构的显著特点是强度高、自重轻、良好的抗震性能、梁柱截面较小、施工周期较短等优点，尤其是钢材属于可回收的绿色环保材料，推广钢结构尤为必要。钢结构既使用于高层、超高层的建筑，大跨度大荷载的工业与民用建筑，也可用于多层和高层住宅中。我国已建成了上海金茂大厦、北京财富中心、哈尔滨联通大厦等一大批组合结构的超高层建筑，也建成了一批纯钢结构的住宅。
钢结构体系的构成：
竖向抗侧力体系分为混凝土剪力墙-钢框架体系和支撑-钢框架两种，前种一般用于高层中，后者在多层和高层中均有应用。混凝土剪力墙-钢框架体系中混凝土剪力墙承担了大部分水平力，但框架部分分担的底部剪力不得小于结构底的20%。这种结构在混凝土墙体与钢梁的连接部位最易遭受破坏，设计时应予加强。这种体系的不足之处是内筒为混凝土上，重量减少不多，现场浇捣混凝土的量也比较大。钢支撑可以采用X型、单斜杆型、人字型、倒人字型、W型、倒W型等形式，还可以采用偏心支撑。在不影响建筑功能的前提下，在平面上支撑应均匀布置。偏心支撑的优点是在较小或中等的水平荷载作用下有足够的刚度，而在严重超载（如大地震）时具有良好的延性，是一种较好的抗剪支撑。
钢框架柱有工字形柱，箱形截面柱等等几种，钢混凝土框架柱有钢管砼柱，外包混凝土的型钢混凝土柱等几种。钢管砼柱，是在钢管内灌注高强度等级砼，形成两种材料相辅相成共同工作的机理。钢管混凝土由于钢管与核心混凝土之间相互作用力――紧箍力的存在，使钢管和核心混凝土都处于三向应力状态下。在轴压作用下，钢管纵向，径向受压而环向受拉，而混凝土三向受压。混凝土的抗压强度提高，由脆性材料变为塑性材料，基本性能起了质的变化。它具有承载力高，抗震性能好，施工简捷的特点，整根钢管柱一次吊装就位，为主体结构安装创造了流水作业的条件。与钢结构柱子相比，可节约钢材50%左右；与钢筋混凝土相比，节约混凝土50%以上，减轻结构自重50%以上，结构断面面积减小60%―70%以上。对于钢管混凝土节点，其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点可以分为两种；钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接点和钢管混凝土柱与钢梁的连接节点。钢梁与钢管混凝土柱直接连接，是在钢梁上下翼缘处的钢管柱内焊接内加强环，以消除钢梁翼缘对钢管壁的撕裂力，该加强环亦兼具钢管与核混凝土界面抗剪连接件的功能。最近在钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接方式上，中国建筑科学研究院已经有了最新成果，有待于推广。外包混凝土的型钢混凝土柱分为实腹式和空腹式两种，实腹式型钢混凝土有L形、T形、十字形的型钢，空腹式一般由角钢或T形钢作为纵向受力杆件。型钢混凝土柱中设置纵向钢筋和箍筋是必要的。型钢混凝土柱的长细比不宜小于30。外包混凝土的型钢混凝土柱相对混凝土柱有截面小、省去了防腐、防火涂料层的优点。
钢―混凝土混合结构可形成优势互补。钢构件具有材料强度高、延性好、截面尺寸小、能跨越较大跨度等优点；但用作竖向构件时，其抗侧刚度相对较小。钢筋混凝土墙体或核心筒，则具有较大的抗侧刚度和较高的受剪承载力。高层建筑采用钢构件和钢筋混凝土的构件两者兼有的混合结构，利用钢筋混凝土墙筒提供抗侧刚度和水平承载力，利用钢构件承担竖向荷载，则兼备钢结构和混凝土结构的优点。其侧向刚度大于钢结构，而结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。施工速度比钢筋混凝土结构有所加快，结构面积小于钢筋混凝土结构。所以钢―混凝土混合结构是目前适应我国国情的良好方案。
2） 水平楼盖体系 楼面结构可选用如下形式：（1）压型钢板和混凝土组合楼板；（2）密肋轻钢―混凝土组合楼板；（3）现浇预应力钢筋混凝土楼板；（4）混凝土预制叠合楼板。其中优先选用1、2类型。其主要优点是：（1）省去楼面模板支撑，节省投资，施工速度快；
（2）压型钢板与轻钢密肋中可布置设备管线，减少吊顶高度；（3）平面刚度大，房屋有较强的整体性，抗震性能好。主、次梁可采用矩型钢管、双槽钢、冷弯U型卷边槽钢或H型、I字型焊接或热轧型钢。I字型钢可以是实腹的也可是空腹的，也可选用卷边槽钢―混凝土组合梁。梁板组合结构通过栓钉及剪力连接件形成整体，共同来承担楼面荷载。当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板，再浇筑80~150mm的钢筋混凝土板，即压型钢板组合楼板，压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。另外还可以用预应力薄板加混凝土现浇层或一般钢筋混凝土楼板，此时应保证楼板和钢梁之间的可靠连接。钢结构规范规定，对于有密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连接、能阻止梁受压翼缘的测向位移时，可不计算梁的整体稳定性。设计时如考虑钢梁和楼板的组合作用，还可显著提高梁的承载力和整体稳定性，并有效降低梁高。主梁与次梁的连接一般为简支等高连接，有时也做成不等高连接，如采用压型钢板组合楼板时，为便于铺设压型钢板，主次梁顶面相差压型钢板厚度，同时还可以增大建筑净层高。多层、高层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、钢度和整体性，为了楼板的水平剪力能够有效的传递，压型钢板与钢梁之间应设置足够的栓钉，规范中有详细的规定。对于用压型钢板作底模的组合梁，直接照部分抗剪连接组合梁设计。这种楼盖的不足之处，如单向受力、平面适应性差、极限跨度小、经济技术指标不够显著等。
现以某连接结构的连接体为算例，比较混凝土梁、钢梁和组合梁的截面、内力、含钢量、变形等指标。连接体部分为屋顶花园，跨度为15米，每根梁承担3.0宽的楼板荷载，按照简支梁计算。
荷载计算：
屋顶花园恒载
250厚种植土0.25×16=4.0KN/
聚酯无纺布滤水层 0.01KN/
80厚陶料排水层0.08×18=1.44KN/
40厚钢筋砼保护层0.04×25=1.00KN/
防水层0.50KN/
20厚砂浆找平层0.02×20=0.40KN/
30～470厚水泥粉煤灰页岩陶料找坡层0.3×20=6.0KN/
40厚细石砼 0.04×22=0.88KN/
90厚挤压法生产的聚苯板0.09×0.5=0.05KN/
20厚砂浆找平层 0.02×20=0.40KN/
150厚钢筋砼楼板0.15×25=3.75KN/
1.2厚压型钢板 0.20KN/
铝合金板吊顶 0.15KN/
∑=18.78KN/
屋顶花园活载：3.0 KN/ 暖通风管吊架：0.5 KN/
楼板产生的线荷载：恒载：18.78×3.0=56.3 KN/，
活载：3.5×3.0=10.5 KN/
混凝土梁：截面选为500×1300计算结果如下：
跨长=15000 B×H=500×1300
左 中 右
弯矩（+）： 0．000 3044.039 0.000
弯矩（-）： 0.000 0.000 -0.000
剪力 811.744 0.002 -811.744
上部纵筋 1300 1300 1300
下部纵筋 1300 8176 1300
箍筋 817 817 817
上纵实配: 4E22(1521) 4B22(1521) 4E22(1521)
下纵实配: 7E32+6E28(9324) 7E32+6E28(9324) 7E32+6E28(9324)
箍筋实配: 4d8@240(838) 4d8@240(838) 4d8@240(838)
腰筋实配: 8E16（1608） 8E16（1608） 8E16（1608）
裂缝: 0.000 0.291 0.000
挠度: 0.000 65.929 0.000
最大裂缝:0.2910.300 满足要求
最大挠度：65.929>37.5(15000/400)不满足要求,通过支模时起拱3%即45,以满足规范要求。
钢梁：截面选为1100×400×25×16，板厚150，压型钢板厚50，板顶至钢梁底的总高150+50+1100=1300。
计算结果如下：
跨长15000 双轴对称焊接工子钢 t=25 d=16 b=400 h=1100,截面特性：
面积（²） 惯性矩Ix(4) 抵抗矩WxA(³) 面积矩Sx(³)
368.00 732266.53 13313.94 7580.00
各截面内力如下:
左 中 右
上部弯矩(KN-m) 0.0000 0.0000 0.0000
下部弯矩(KN-m) 0.0000 2536.7310 0.0000
剪力(KN) 676.4615 0.0000 -676.4615
应力: o=M/W=190.5MPs
变形：f=5q14/384EI=30.5mm f/I=1/492满足变形要求。
局部稳定：b/t≤13 (235/fy) 1/2 (200-3)/25-7.68
组合梁：板厚150，压型钢板厚50，钢梁： 焊接工字钢：t-25 d=16 b=400 h=850,板顶至钢梁底的总高150+50+850=1050。
计算如下：
跨长=15000mm 换算后组合梁截面特性：
面积（²） 惯性矩Ix(4) 顶面抵抗矩WxA(³) 底面抵抗矩WxA(³)
808.00 1007109 33796 13392
各截面内力如下：
左 中 右
上部弯矩（KN-m） 0.0000 0.0000 0.0000
下不弯矩（KN-m） 0.0000 2526 0.0000
剪力（KN） 673.5 0.0000 -673.5
混凝土板顶应力：o=M / W=8.52MPa14.3Mpa满足强度要求。
混凝土底板应力：o=M / W=4.3MPa14.3Mpa 满足强度要求。
钢梁底应力（施工阶段+使用阶段）： o=M / W=198.3MPa205Mpa 满足强度要求。
变形（施工阶段+使用阶段）： f=5q14/384EI=30.5mmf/I=1/492满足变形要求。
局部稳定：b/t≤9（235/fy）1/2 (200-8)/25=7.689
Ho/t≤72（235/fy）1/2 800/16=5072 满足局部稳定的要求。
综合以上计算结果：按照《北京市预算定额》，每根梁的造价如下
梁类型 混凝土梁 钢梁 组合梁
截面 500×1300 1100×450×25×16 850×400×25×16
总高 1300 1300 1050
跨中弯矩 3044.039 2536.7310 2526
变形 65.929 30.5 30.4
裂缝 0.291 0 0
总用钢量（t） 1.68 4.63 4.3
造价(万元) 0.48 2.60 2.4
总混凝土量(m³) 8.25 0 0
造价(万元) 0.28 0 0
总造价(万元) 0.76 2.6 2.4
从以上对比分析中可以得出,混凝土梁的造价最低,但截面和变形也大,组合梁的造价最小,截面和变形也最小.
因此,产业化程度高、施工周期短、投资回收的钢结构的建筑体系必将受到房地产开发商的青睐。同时，由于含有钢结构的住宅空间大，可灵活分隔，有效使用面积率高，保温节能和抗震性能好的诸多优点也将受到市民的欢迎。从长远分析来看，21世纪是一个钢结构的世纪，建筑钢结构是21世纪的文明的体现。
参考文献：
1．《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）
2．《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
3．《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）
4．《钢结构住宅发展现状与前景》周建龙
注：文章内所有公式及***表请以PDF形式查看。