组合结构

浅谈组合结构建筑
摘要: 本文首先阐述了组合结构的概念及优缺点，然后介绍了常见的两种组合结构，并根据其分类进行了简述。

通过对组合结构的震害和组合结构抗震加固改造的分析来进一步的认识组合结构。

底层框架-抗震墙结构抗震设计理念的阐述，得出了现阶段抗震设计分析存在的问题。

关键词：组合结构底层框架-抗震墙结构抗震设计组合结构震害加固改造底部框架抗震墙砌体房屋
一、组合结构
广义上讲，所有高层建筑结构都是组合结构，因为一个功能性建筑不可能只用钢或只用混凝土建造。

两种不同性质的材料组合成为一个整体而共同工作的构件称为组合构件。

组合结构是由组合构件组成。

例如，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力学性能完全不同的材料组合而成。

混凝土的抗压强度高而抗拉强度低。

钢材的抗拉和抗压强度都较高。

为了充分利用材料的力学性能，把混凝土和钢筋这两种材料组合在一起共同工作，使混凝土承受压力而钢筋主要承受拉力以满足工程结构的安全、经济、适用等要求。

两种不同性质的材料扬长避短，各自发挥其特长．因此具有一系列的优点。

组合结构的优点：
1) 与混凝土结构相比,有更好的适用性和可行性,如减少构件体积,增大使用空间;减轻结构自重,减少或完全不用施工所需的模板和支撑；减少预埋件,改善抗震性能；方便施工、缩短工期。

2) 与钢结构相比,能较多地节约钢材,提高稳定性和抗扭性能,增大刚度,增强防锈和耐火性能,做到经济美观。

组合结构的缺点：
1) 与钢结构相比,施工多一道工序,比较麻烦,影响进度。

2) 与混凝土结构相比,外露钢材需要进行防锈维护及防火处理。

二、组合结构的分类
我国在组合结构方面的研究与应用始于20世纪80年代。

50多年来,组合结构的研究与应用得到迅速发展,至今已成为一种公认的新的结构体系,与传统的四大结
构,即钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列,已扩展成为五大结构。

具体而言，包括两种结构：1．钢与混凝土组合结构；2．组合砌体结构。

1. 钢与混凝土组合结构
用型钢或钢板焊（或冷压）成钢截面，再在其四周或内部浇灌混凝土，使混凝土与型钢形成整体共同受力，通称钢与混凝土组合结构。

国内外常用的组合结构有：（1）压型钢板与混凝土组合楼板；（2）钢与混凝土组合梁；（3）型钢混凝土结构（也叫劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构等五大类。

（1）、压型钢板与混凝土组合板
压型钢板与混凝土组合板是在压型钢板上现浇混凝土，且配置适量的钢筋所构成的一种板。

目前，在钢结构及组合结构房屋的楼盖和屋盖中，尤其是在高层建筑钢结构的楼板中．普遍采用压型钢板与混凝土组合板，这主要由于此类板不仅具有良好的结构性能和合理的施工工序，而且与其他扳(如混凝土板、叠合板等)相比较。

其具有更好的综合经济效益，更朗显示其优越性。

（2）、钢与混凝土组合梁
在钢梁上支放混凝土楼板(钢筋混凝土板或压型钢板与混凝土组合板)，且在两者之间设置一些抗剪连接件，以阻止混凝土与钢梁在受弯时的相互错动，使之组合成一个整体，这种组合构件称为钢与混凝土组合梁(以下简称为组合梁)。

（3）、型钢混凝土结构
与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构的特点：①变形能力强、抗展性能好；
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，采用型钢混授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，型钥骨架有较大的承裁力，可以作为脚手架使用，并可承受棋板的重量。

如果再利用压型钢板作为钢筋记凝土楼板的模板的话，可以大大节省棋板工作员；⑤由于在构件中同时存在型钢与钢筋，挠筑混凝土比较困难；⑥用钢量大，建设费用较高。

型钢混凝土结构的用钢量为80-180 kg/m2，其中型钢占总用钢量的20％-50％。

（4）、钢管混凝土结构
钢管混凝土结构，是指主要构件采用钢管混凝土杆件所形成的结构。

在高层建筑中，钢管混凝土框架或框筒，是以钢管混凝土校与钢粱、型铜混凝土梁或钢筋混凝土梁构成的。

高层建筑采用大型支撑时，为了提高文撑斜杆的轴压承裁力和稳定性，往往在斜扦的矩形钢管内充填高强、高性能混凝土，形成钢管温凝土组合扦件。

钢管混凝土结构在轴向压力下，混凝土受到周围钢管的约束，形成三向压力，抗压强度得到较大提高，故钢管混凝土被广泛地应用到高轴压力的构件中。

2. 组合砌体结构
由砖砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组成的组合砖砌体构件，适用于轴向力偏心距，超过0．7y（y为截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离），或e较大，无筋砌体承载力不足而截面尺寸又受到限制时的情况。

在组合砖砌体构件中，砌体置于中部，钢筋混凝土面层(或钢筋砂浆面层)置于外侧。

当组合砌体承受的压力逐渐增大时，砖砌体内产生竖向裂缝，外侧的钢筋混凝土(或钢筋砂浆)对砌体产生约束作用，阻止砌体的横向变形，限制了砌体内裂缝的发展，从而提高其承载力。

三、组合结构建筑的震害
1、钢与混凝土组合结构震害的典型特征
处于板块边缘的国家或地区,如日本,地震强度和频率高。

在这些国家或地区,钢——混凝土组合结构应用早且广泛。

普通钢-混凝土组合结构的震害特征：（1）、节点连接破坏，（2）、构件破坏，（3）、结构倒塌。

2、组合砌体结震害的特征
对于普通的砌体结构而言，比较典型的破坏形式有：结构抗震体系单薄，未设置构造柱，也有未设置圈梁，预制楼板未拉结。

对于砖混砌体结构，这类结构的震害主要有：底部框架由于变形集中而破坏，或上部砌体结构破坏。

汶川大地震震害调查资料表明，在底部设置了足够数量抗震墙的底部框架- 抗震墙砌体房屋震害呈现出一些不同的特点，房屋薄弱层出现的部位不再集中在底部，也出现在上层过渡楼层等部位，受损部位趋于分散均匀化。

房屋各部分的震害特点如下：
底部框架
底部框架的震害主要集中在梁柱节点处。

底部框架墙梁要承担上部墙体、楼板较大荷载，实际设计中梁截面尺寸较大，较难实现“强柱弱梁”的调整，梁柱节点破坏多发生在梁底，这对底部框架结构抗震很不利。

框架柱端受剪力、弯矩、压曲的共同作用，混凝土破碎，主筋压曲，柱顶端的破坏大于柱底。

底部抗震墙
房屋底部设置足够数量的抗震墙时，在地震作用下，抗震墙侧向刚度大，将分担底部大部分地震作用，在地震中受损现象明显。

一般钢筋混凝土抗震墙受损情况相对较轻。

而砖抗震墙延性比钢筋混凝土墙差，震损情况较重。

底部框架填充墙
填充墙具有一定的侧向刚度，但材料强度较低。

当底部框架结构在地震作用力下有较大变形时，首先破坏的是填充墙。

实际震害表明，当填充墙和框架拉接措施不足时或在烈度较高的地区，还会出现局部或整体倾倒。

过渡层砌体部分
过渡层受力复杂，除传递上部的地震剪力外，作用于该层底板的倾覆力矩引起的楼层转角会对下层层间位移产生增大影响，故底部框架上方的过渡层墙体会比较容易在地震中发生破坏。

过渡层设置的构造柱能基本保证砖墙“裂而不倒”，但过渡层纵横墙受损现象比较明显。

如果底部框架-抗震墙部分的刚度过大，而上部砌体部分由于纵横墙数量偏少或材料强度偏低，或施工质量较差等原因导致该层刚度较低，抗震能力与底部不匹配，同时又因过渡层相应的加强措施不足，则地震时将导致房屋在过渡层出现集中破坏，严重时会造成上部砌体整体坍塌，而底部则受损轻微。

在设计时应充分考虑上、下部分刚度的匹配性，同时加强过渡层的构造措施。

四、现阶段抗震设计分析存在的问题
1、加速度设计反应谱用于抗震设计的局限
1.1 强震地面运动长周期成分的存在地震学研究和强震观测证明，强震情况下，地面运动确定存在长周期分量，其周期可以长达10秒甚至100秒，地震震级从5级到8级，其谱值在10秒期处最大相差不超过50倍，在100秒周期处，不超过250倍。

在震级M>5时，周期在3秒以内，信噪比已经大到可以满足工程使用要求了。

同时还证明，谱曲线至少存在二个拐角周期。

1.2 现有强震加速度记录中长周期成份的损失
由于强震仪频率响应范围的限制无法记录到超过10秒以上的地面运动成分，在超过5秒以上的成分中也存在失真，而且在对加速度记录进行误差修正时将数字化过程零线修正所产生的噪声滤出的同时也将地面运动长周期分量滤去了。

2、结构时程分析法存在的问题
结构时程分析法即结构直接动力法，是最经典的方法。

在工程实际应用中经常出现对同一个建筑结构采用时程分析时，由于输入地震波的不同造成计算结果的数倍乃至数十倍之差，使工程师无所适从。

如何能够从工程应用角度确定输入地震波，使时程分析结果能否既反映结构最大可能遭受的地震作用，又能满足工程抗震设计基于安全和功能的要求，这一关键问题有待进一步解决。

3、地震及其影响的不确定性
实际地震的时间、空间和强度，是现有科学水平难以预估的。

抗震设防的依据是一个地区的设防烈度，由于可资统计分析的历史地震资料有限，以及地震地质背景不够清楚，在一个地区发生超过设防烈度的地震是完全可能的。

近30多年来，我国发生的大地震大多数是超过了原定的基本烈度，因此，设计时要慎重考虑罕遇地震下结构防倒塌的能力。

参考文献：
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