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摘要：本文简要介绍了型钢混凝土组合结构的特点，分别阐述了型钢混凝土梁、型钢混凝土柱、型钢混凝土剪力墙及型钢混凝土节点的设计计算原理及构造，针对型钢混凝土的加工、安装和施工提出了措施及要求。
关键词：型钢混凝土组合结构；型钢混凝土特点；型钢混凝土计算；型钢混凝土构造；型钢混凝土施工
Abstract: This paper briefly introduces the characteristics of steel and concrete composite structure, illustrates the principles and the structure design and calculation of steel reinforced concrete beam, steel reinforced concrete columns, steel reinforced concrete shear wall and steel reinforced concrete joints, for the processing, installation and construction of steel reinforced concrete and puts forward some measures and requirements.
Key words: composite steel and concrete structures; reinforced concrete; reinforced concrete; reinforced concrete structure; steel reinforced concrete construction
中图分类号：TU2
前言
型钢混凝土组合结构近年来在我国迅速发展。由于其在降低结构自重、减少结构断面尺寸、加快施工进度等方面的明显优点，已引起工程界和投资商的广泛关注，目前已经建成了一批高度在150m-200m的建筑，如上海森茂大厦、国际航运大厦、世界金融大厦、新金桥大厦、深圳发展中心、北京京广中心等，还有一些高度超过300m的高层建筑也采用或部分采用了型钢混凝土组合结构。此外为减少柱子尺寸或增加延性而在混凝土柱中设置构造型钢，而框架梁仍为钢筋混凝土梁时或者体系中局部部件采用型钢混凝土梁柱，也为型钢和混凝土组合结构的应用。目前采用型钢混凝土构件与钢筋混凝土、钢构件组成的混合结构，构件的组合方式多种多样，所构成的结构类型很多。
一、型钢混凝土定义及特点
型钢混凝土组合结构是指混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构。型钢混凝土组合结构属于钢-混凝土组合结构的一种，该体系充分发挥了钢和混凝土各自的优势，协调变形，共同同受力，可以在满足承载力的同时大幅度减小构件尺寸，从而减轻自重，获得更大的建筑实用空间。同时它具有抗震性能好、承载力高、耐火性和耐久性好等优点，现广泛用于高层、超高层、大跨度结构等重要建筑中。
1、与普通的混凝土结构相比，型钢混凝土组合结构具有以下特点：
(1)变形性能强、抗震性能好。由于型钢的存在，构件延性得到很大改善。(2)在截面尺寸相同的条件下，可以合理配置较多的钢材。(3)当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时，采用型钢混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。(4)在施工时，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，如果再利用压型钢板作为混凝土楼板的模板的话，可以大大节省模板工作量。(5)由于在构件中同时存在型钢和钢筋，浇筑起来比较困难。(6)钢材较多，建设费用较高。
2、与纯钢结构相比，型钢混凝土组合结构具有以下特点：
(1)混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，经济性较好。(2)结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，結构的水平位移可严格控制。(3)混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生，如果结构构造设计合理，就能保证良好的延性。(4)使用的型钢规格较小，钢板厚度较薄，比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。
二、型钢混凝土的设计计算与构造
1、型钢混凝土梁
1.1正截面承载力计算：
空腹式型钢混凝土梁的受弯性能与钢筋混凝土梁基本相同，在进行正截面承载力计算时，可分别将其上弦型钢和下弦型钢作为纵向钢筋考虑，计算方法与钢筋混凝土受弯构件相同。其中斜腹杆承载力的竖向分力可作为受剪箍筋考虑。
实腹式型钢混凝土梁的破坏始于受压区混凝土的压碎，其保护层剥落的范围和程度均大于钢筋混凝土梁，但延性好于钢筋混凝土梁，可经历较大的变形，同时保留了相当的承载力。
1.2斜截面承载力的计算：
型钢混凝土梁斜截面的破坏形态，有三种。（1）当剪跨比较小或含钢率较大时，发生斜压破坏。防止斜压破坏由截面控制条件来保证。（2）当剪跨比较大且含钢率较小时，型钢混凝土梁发生剪压破坏，防止剪压破坏由受剪承载力计算来保证。当不配置箍筋或箍筋很少而剪跨比较大时，发生剪切粘结破坏。
1.3裂缝和变形验算：
型钢混凝土梁的裂缝宽度计算公式是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，按国家标准《混凝土结构设计规范》的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。型钢混凝土梁的开裂荷载约为极限荷载的10%~15%。裂缝会首先出现在弯距最大截面附近。
1.4构造要求：
型钢混凝土梁中纵向受力钢筋的排数、配筋率、直径、间距，以及纵筋与型钢净距均做了相应的规定。这样一是保证梁底混凝土密实，二是保证混凝土与钢筋和型钢有良好的粘结力。对腰筋的设置、抗震时的梁端箍筋的加密区等构造要求规范也做了规定。
2、型钢混凝土柱
2.1正截面承载力计算：
型钢混凝土偏心受压构件的受力性能与钢筋混凝土偏心受压构件基本相同，其破坏形态也分为受拉破坏和受压破坏两种。由于实腹式型钢混凝土构件的腹板在截面高度上是连续的，型钢混凝土柱没有典型的界限破坏。一般将型钢受拉翼缘达到屈服强度与受压边缘混凝土达到极限压应变同时发生的情况定义为界限破坏。
型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱的破坏形态的不同之处有：（1）沿保护层的纵向劈裂比较显著；（2）丧失最大承载力后，表面混凝土破坏，截面承载力下降，但还能够具有一定的承载力，且变形性能良好；（3）箍筋和横向钢筋对核心混凝土有约束作用，有助于型钢和混凝土的共同作用。
2.2斜截面承载力计算：
型钢混凝土柱的剪切破坏形态可归纳为三种：剪切斜压破坏（λ<1.5）, 剪切粘结破坏（1.5<λ<2.5），正截面弯曲破坏（λ>2.5）。型钢混凝土柱的斜截面受剪承载力可由钢筋混凝土和型钢两部分的斜截面受剪承载力组成，压力对受剪承载力也有有利的影响。型钢部分对受剪承载力的贡献只考虑型钢腹板部分的受剪承载力。
2.3构造要求：
型钢混凝土柱中的纵筋、箍筋、加密区等均同普通混凝土柱相似，应满足相应的规定要求。同时型钢的含钢率不宜小于4%且不宜大于10%。这是因为，合理的配置一定量的型钢，才能使型钢混凝土构件具有比钢筋混凝土更高的承载力，更好的延性，体现出型钢混凝土的特性。
3、型钢混凝土剪力墙：
3.1正截面承载力：计算时可把端部配置的型钢作为纵向受力钢筋一部分考虑，采用《混凝土结构设计规范》中沿截面腹部均匀配置纵向钢筋的偏心受压构件的正截面受压承载力计算公式计算。与钢筋混凝土剪力墙相比，型钢混凝土剪力墙在暗柱中配置了型钢，提高了剪力墙的平面外刚度。
3.2斜截面承载力：考虑地震作用的型钢混凝土剪力墙的剪力设计值的确定和受剪截面控制条件与《混凝土结构设计规范》一致。由于端部型钢的暗销抗剪作用和对墙体的约束作用，受剪承载力大于钢筋混凝土剪力墙。
3.3构造要求：型钢混凝土剪力墙的厚度、水平和竖向分布钢筋的最小配筋率以及暗柱、翼柱的箍筋和拉筋等构造要求，均应符合《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，但为了保证混凝土对型钢的约束作用，其端部型钢的混凝土保护层厚度宜>50mm。
4、型钢混凝土节点:
在型钢混凝土结构的设计和计算中，节点的设计和计算是关键问题之一。因为节点是连接梁和柱的关键部位，梁和柱的内力通过节点传递，因此节点工作的安全可靠是保证结构正常工作的前提。节点受力复杂，通常处于压弯剪复合应力状态，因此研究并弄清楚节点的受力性能、破坏机理，使节点设计的传力明确、计算可靠，構造合理是非常重要的。在复杂的地震作用下，更应该重视节点的合理正确的设计。在抗震设计中，提出了“强柱弱梁，节点更强”的设计原则，充分体现了节点在结构中的重要地位。
目前规程在型钢混凝土结构节点设计的章节主要是通过构造来保证节点的传力。主要是注意一下几点：a、节点构造应与结构分析所采用的计算简图相符合，必须满足在正常使用荷载下的变形连续条件和在极限设计荷载下的静力平衡条件；b、要防止连接部件(尤其是传递剪力的牛腿腹板)在塑性阶段对型钢壁产生局部撕裂力；c、梁端的竖向剪力应以最短的途径传递到节点的核心部分；d、尽量保持型钢内部无穿心部件，以方便浇注混凝土；e、尽量避免或减少现场焊接。
三、型钢混凝土加工、安装、施工：
型钢混凝土组合结构中型钢构件的加工，通常委托专业钢结构制造单位进行加工，其加工标准要符合钢结构加工的相关规范、规程要求。
型钢混凝土组合结构的安装施工，分为型钢构件的安装和钢筋混凝土结构施工两个步骤，型钢构件的吊装、焊接技术及质量标准符合《钢结构施工质量验收规范》《型凝土组合结构施工技术规程》的相关要求。钢筋混凝土部分的施工同时也必须满足《钢筋混凝土质量验收规范》的要求。
在型钢混凝土施工过程中，变形主要发生在型钢构件上，但由于型钢构件变形大也会影响混凝土结构的施工，导致结点处钢构件位置不准确或难以施工，其常见原因与解决措施大致有：
(1)钢构件吊装过程中的变形，在施工过程中可采用合理布置吊点的方法来解决。(2)钢构件焊接变形，焊接变形尤其是厚钢板的焊接变形控制一般采用预热、保温、对称焊接等工艺方法来减少变形。(3)温度变形，温度变形对钢构件的影响比较大，通常选择施工环境来控制。(4)累计误差造成的变形，安装施工所累计的误差有时也会造成钢构件的变形，因此通过加强测量观测，及时校正的方法来进行控制。(5)加工过程中的变形，加工变形一般由专业加工厂家进行控制，但总包方在进场后应进行必要的检查，精度不符合要求的不能用于施工安装
四、结束语
组合结构在我国应用越来越广泛，研究也越来越深入，其优良性能和技术经济指标使它在我国有着更广泛的应用前景，随着试验研究和实际应用的不断发展，可以预见组合结构将迅速推广而成为继混凝土结构、钢结构之后的主要结构形式。
参考文献：
1、JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程 北京 中国建筑工业出版社 2010
2、JGJ138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程 北京 中国建筑工业出版社 2001
关键词：型钢混凝土组合结构；型钢混凝土特点；型钢混凝土计算；型钢混凝土构造；型钢混凝土施工
Abstract: This paper briefly introduces the characteristics of steel and concrete composite structure, illustrates the principles and the structure design and calculation of steel reinforced concrete beam, steel reinforced concrete columns, steel reinforced concrete shear wall and steel reinforced concrete joints, for the processing, installation and construction of steel reinforced concrete and puts forward some measures and requirements.
Key words: composite steel and concrete structures; reinforced concrete; reinforced concrete; reinforced concrete structure; steel reinforced concrete construction
中图分类号：TU2
前言
型钢混凝土组合结构近年来在我国迅速发展。由于其在降低结构自重、减少结构断面尺寸、加快施工进度等方面的明显优点，已引起工程界和投资商的广泛关注，目前已经建成了一批高度在150m-200m的建筑，如上海森茂大厦、国际航运大厦、世界金融大厦、新金桥大厦、深圳发展中心、北京京广中心等，还有一些高度超过300m的高层建筑也采用或部分采用了型钢混凝土组合结构。此外为减少柱子尺寸或增加延性而在混凝土柱中设置构造型钢，而框架梁仍为钢筋混凝土梁时或者体系中局部部件采用型钢混凝土梁柱，也为型钢和混凝土组合结构的应用。目前采用型钢混凝土构件与钢筋混凝土、钢构件组成的混合结构，构件的组合方式多种多样，所构成的结构类型很多。
一、型钢混凝土定义及特点
型钢混凝土组合结构是指混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构。型钢混凝土组合结构属于钢-混凝土组合结构的一种，该体系充分发挥了钢和混凝土各自的优势，协调变形，共同同受力，可以在满足承载力的同时大幅度减小构件尺寸，从而减轻自重，获得更大的建筑实用空间。同时它具有抗震性能好、承载力高、耐火性和耐久性好等优点，现广泛用于高层、超高层、大跨度结构等重要建筑中。
1、与普通的混凝土结构相比，型钢混凝土组合结构具有以下特点：
(1)变形性能强、抗震性能好。由于型钢的存在，构件延性得到很大改善。(2)在截面尺寸相同的条件下，可以合理配置较多的钢材。(3)当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时，采用型钢混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。(4)在施工时，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，如果再利用压型钢板作为混凝土楼板的模板的话，可以大大节省模板工作量。(5)由于在构件中同时存在型钢和钢筋，浇筑起来比较困难。(6)钢材较多，建设费用较高。
2、与纯钢结构相比，型钢混凝土组合结构具有以下特点：
(1)混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，经济性较好。(2)结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，結构的水平位移可严格控制。(3)混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生，如果结构构造设计合理，就能保证良好的延性。(4)使用的型钢规格较小，钢板厚度较薄，比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。
二、型钢混凝土的设计计算与构造
1、型钢混凝土梁
1.1正截面承载力计算：
空腹式型钢混凝土梁的受弯性能与钢筋混凝土梁基本相同，在进行正截面承载力计算时，可分别将其上弦型钢和下弦型钢作为纵向钢筋考虑，计算方法与钢筋混凝土受弯构件相同。其中斜腹杆承载力的竖向分力可作为受剪箍筋考虑。
实腹式型钢混凝土梁的破坏始于受压区混凝土的压碎，其保护层剥落的范围和程度均大于钢筋混凝土梁，但延性好于钢筋混凝土梁，可经历较大的变形，同时保留了相当的承载力。
1.2斜截面承载力的计算：
型钢混凝土梁斜截面的破坏形态，有三种。（1）当剪跨比较小或含钢率较大时，发生斜压破坏。防止斜压破坏由截面控制条件来保证。（2）当剪跨比较大且含钢率较小时，型钢混凝土梁发生剪压破坏，防止剪压破坏由受剪承载力计算来保证。当不配置箍筋或箍筋很少而剪跨比较大时，发生剪切粘结破坏。
1.3裂缝和变形验算：
型钢混凝土梁的裂缝宽度计算公式是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，按国家标准《混凝土结构设计规范》的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。型钢混凝土梁的开裂荷载约为极限荷载的10%~15%。裂缝会首先出现在弯距最大截面附近。
1.4构造要求：
型钢混凝土梁中纵向受力钢筋的排数、配筋率、直径、间距，以及纵筋与型钢净距均做了相应的规定。这样一是保证梁底混凝土密实，二是保证混凝土与钢筋和型钢有良好的粘结力。对腰筋的设置、抗震时的梁端箍筋的加密区等构造要求规范也做了规定。
2、型钢混凝土柱
2.1正截面承载力计算：
型钢混凝土偏心受压构件的受力性能与钢筋混凝土偏心受压构件基本相同，其破坏形态也分为受拉破坏和受压破坏两种。由于实腹式型钢混凝土构件的腹板在截面高度上是连续的，型钢混凝土柱没有典型的界限破坏。一般将型钢受拉翼缘达到屈服强度与受压边缘混凝土达到极限压应变同时发生的情况定义为界限破坏。
型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱的破坏形态的不同之处有：（1）沿保护层的纵向劈裂比较显著；（2）丧失最大承载力后，表面混凝土破坏，截面承载力下降，但还能够具有一定的承载力，且变形性能良好；（3）箍筋和横向钢筋对核心混凝土有约束作用，有助于型钢和混凝土的共同作用。
2.2斜截面承载力计算：
型钢混凝土柱的剪切破坏形态可归纳为三种：剪切斜压破坏（λ<1.5）, 剪切粘结破坏（1.5<λ<2.5），正截面弯曲破坏（λ>2.5）。型钢混凝土柱的斜截面受剪承载力可由钢筋混凝土和型钢两部分的斜截面受剪承载力组成，压力对受剪承载力也有有利的影响。型钢部分对受剪承载力的贡献只考虑型钢腹板部分的受剪承载力。
2.3构造要求：
型钢混凝土柱中的纵筋、箍筋、加密区等均同普通混凝土柱相似，应满足相应的规定要求。同时型钢的含钢率不宜小于4%且不宜大于10%。这是因为，合理的配置一定量的型钢，才能使型钢混凝土构件具有比钢筋混凝土更高的承载力，更好的延性，体现出型钢混凝土的特性。
3、型钢混凝土剪力墙：
3.1正截面承载力：计算时可把端部配置的型钢作为纵向受力钢筋一部分考虑，采用《混凝土结构设计规范》中沿截面腹部均匀配置纵向钢筋的偏心受压构件的正截面受压承载力计算公式计算。与钢筋混凝土剪力墙相比，型钢混凝土剪力墙在暗柱中配置了型钢，提高了剪力墙的平面外刚度。
3.2斜截面承载力：考虑地震作用的型钢混凝土剪力墙的剪力设计值的确定和受剪截面控制条件与《混凝土结构设计规范》一致。由于端部型钢的暗销抗剪作用和对墙体的约束作用，受剪承载力大于钢筋混凝土剪力墙。
3.3构造要求：型钢混凝土剪力墙的厚度、水平和竖向分布钢筋的最小配筋率以及暗柱、翼柱的箍筋和拉筋等构造要求，均应符合《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，但为了保证混凝土对型钢的约束作用，其端部型钢的混凝土保护层厚度宜>50mm。
4、型钢混凝土节点:
在型钢混凝土结构的设计和计算中，节点的设计和计算是关键问题之一。因为节点是连接梁和柱的关键部位，梁和柱的内力通过节点传递，因此节点工作的安全可靠是保证结构正常工作的前提。节点受力复杂，通常处于压弯剪复合应力状态，因此研究并弄清楚节点的受力性能、破坏机理，使节点设计的传力明确、计算可靠，構造合理是非常重要的。在复杂的地震作用下，更应该重视节点的合理正确的设计。在抗震设计中，提出了“强柱弱梁，节点更强”的设计原则，充分体现了节点在结构中的重要地位。
目前规程在型钢混凝土结构节点设计的章节主要是通过构造来保证节点的传力。主要是注意一下几点：a、节点构造应与结构分析所采用的计算简图相符合，必须满足在正常使用荷载下的变形连续条件和在极限设计荷载下的静力平衡条件；b、要防止连接部件(尤其是传递剪力的牛腿腹板)在塑性阶段对型钢壁产生局部撕裂力；c、梁端的竖向剪力应以最短的途径传递到节点的核心部分；d、尽量保持型钢内部无穿心部件，以方便浇注混凝土；e、尽量避免或减少现场焊接。
三、型钢混凝土加工、安装、施工：
型钢混凝土组合结构中型钢构件的加工，通常委托专业钢结构制造单位进行加工，其加工标准要符合钢结构加工的相关规范、规程要求。
型钢混凝土组合结构的安装施工，分为型钢构件的安装和钢筋混凝土结构施工两个步骤，型钢构件的吊装、焊接技术及质量标准符合《钢结构施工质量验收规范》《型凝土组合结构施工技术规程》的相关要求。钢筋混凝土部分的施工同时也必须满足《钢筋混凝土质量验收规范》的要求。
在型钢混凝土施工过程中，变形主要发生在型钢构件上，但由于型钢构件变形大也会影响混凝土结构的施工，导致结点处钢构件位置不准确或难以施工，其常见原因与解决措施大致有：
(1)钢构件吊装过程中的变形，在施工过程中可采用合理布置吊点的方法来解决。(2)钢构件焊接变形，焊接变形尤其是厚钢板的焊接变形控制一般采用预热、保温、对称焊接等工艺方法来减少变形。(3)温度变形，温度变形对钢构件的影响比较大，通常选择施工环境来控制。(4)累计误差造成的变形，安装施工所累计的误差有时也会造成钢构件的变形，因此通过加强测量观测，及时校正的方法来进行控制。(5)加工过程中的变形，加工变形一般由专业加工厂家进行控制，但总包方在进场后应进行必要的检查，精度不符合要求的不能用于施工安装
四、结束语
组合结构在我国应用越来越广泛，研究也越来越深入，其优良性能和技术经济指标使它在我国有着更广泛的应用前景，随着试验研究和实际应用的不断发展，可以预见组合结构将迅速推广而成为继混凝土结构、钢结构之后的主要结构形式。
参考文献：
1、JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程 北京 中国建筑工业出版社 2010
2、JGJ138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程 北京 中国建筑工业出版社 2001