浅谈高层混凝土结构和高层钢结构的区别与联系

　 钢结构自重小，延性好，但耐火性差，易受外界腐蚀，密闭性差.混凝土结构自重大，刚度大，地震作用下震害比较明显，但抗压性、整体性比较好，不易受外界侵蚀，密闭性好.。本文从多个角度比较分析和比较了高层混凝土结构和高层钢结构的异同点，加以分析并提出了未来的展望。
　 随着经济和科技的发展，世界各国莫不致力于高层建筑，甚至超高层建筑的发展。高层建筑之所以有如此大的生命力，是因为它能有效地利用空间，能在有限的土地面积内增加建筑面积，缓解用地紧张的问题，同时高层建筑的建筑高度的竞争也反映了国家的政治地位和经济实力。而先如今，我国的高层建筑结构采用的比较多的是钢筋混凝土结构和钢结构，并且高层钢结构发展仅处于起步发展阶段，高层钢筋混凝土结构发展较成熟。本文从多个角度对高层混凝土结构和高层钢结构进行比较分析，试图能为高层结构的发展大概地指出一个方向，并为之努力。
　　1.从定义方面进行比较。联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会1972年召开的国际高层建筑会议，将9层和9层以上的建筑定义为高层建筑。当然主体用的钢筋混凝土的是高层混凝土结构，目前钢筋混凝土结构广泛应用于各种建筑，而主体是刚结构的是高层钢结构，目前主要用于轻钢厂房，大跨建筑，高层建筑和嗦膜结构等。
　　2.从二者的优缺点进行比较。首先谈谈混凝土结构的优缺点。优点：(1)可模性好。(2)整体性好。(3)耐久性好。(4)耐火性好。(5)易于就地取材。钢筋混凝土结构具有下述主要缺点：(1)自重大。(2)抗裂性差。(3)性质脆。综上所述不难看出，钢筋混凝土结构的优点多于其缺点。而且，人们已经研究出许多克服其缺点的有效措施。例如，为了克服钢筋混凝土自重大的缺点，已经研究出许多质量轻、强度高的混凝土和强度很高的钢筋。为了克服普通钢筋混凝土容易开裂的缺点，可以对它施加预应力。为了克服混凝土的脆性，可以在混凝土中掺入纤维做成纤维混凝土。钢结构优点：(1)自重轻。(2)抗震性能好。(3)工业化程度高，施工周期短。(4)环保效果好。缺点：(1)耐火性能差。(2)需要注意防锈。(3)变形大, 设计需注意控制.亦用体系方法。(4)特有的冷桥问题,有时需要考虑。(5)常常造价偏高.和传统结构相比。(6)当前国内设计,制造水平低.。解决办法当前主要有：(1)大力发展了耐火钢和耐火涂料。(2)大力发展钢结构，逐步降低钢结构的造价。(3)大力鼓励建设高层钢结构，积累更多的经验，为钢结构地发展打下基础。
　　3.从计算的原理进行分析。不论混凝土结构还是钢结构都依据“板—梁—柱—基础”这样传力途径进行受力传递。不论二者结构模形有多大的差别，从受力上讲计算原理都是相同的。都需要借助传统的力学与数学公式进行分析，借助相应的规范和软件进行设计。
　　4.从二者的结构类型进行比较。高层钢筋混凝土结构主要有框架结构，剪力墙结构，框架剪力墙结构，框筒结构，筒体结构，钢—混凝土组合结构等，高层钢结构的结构体系和混凝土结构基本相同，同时高层钢结构主要有四类：钢结构、钢—混凝土结构、型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。它们各自有自己的特点，例如框筒结构有剪力滞后的特性，钢管混凝土结构能是钢管约束了混凝土的变形，充分发挥钢筋和混凝土的有点，增强结构的综合性能。
　　5.从选用混凝土和钢的方面比较。对于钢筋混凝土结构，据《混凝土结构设计规范GB50010-2002》第4.1.2条之规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20;预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;当采用钢绞线钢丝热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。《高层民用钢结构技术规程》(JGJ99-1998)规定，高层建筑钢结构所用钢材，宜采用Q235B、C、D(原A3钢)碳素钢或Q345(原16Mn)B、C、D、E低合金钢或Q390(原
　　15MnV)C、D、E低合金钢。不宜采用A级钢。重要的焊接构件宜采用C、S、P含量较低的C、D、E级碳素钢和D、E级低合金结构钢。强度超过Q390的钢材。由于其伸长率较低，尽量少用于高层建筑钢结构中。混凝土强度等级不应低于C30，抗震设防中SRC混凝土中，强度不宜超过C70(8度)或C60(9度)。对SRC混凝土或钢管混凝土构件，宜采用高性能混凝土，其特点为：①高耐久性;②低含碱量;③高强度;④高密实度;⑤高抗渗性;⑥流动性好;⑦体积稳定性强。纵向受力钢筋宜采用HRB335级或HRB400级;箍筋宜采用HRB335级、HRB400级或HPB235级。《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)规定，对一、 二框架结构，钢筋强屈比应在1.25～1.3之间。
　　6.从二者的设计特点进行比较。共同点：(1)水平荷载成为决定因素(风荷载和地震作用)。(2) 结构侧移成为控制目标。(3) 轴向变形不容忽略。(4) 梁柱节点域的剪切变形影响不能忽略。(5) 结构延性是重要设计指标。(6) 高层建筑结构构件应选用空间构件。(7) 防雷、防飞机撞击系统应完全可靠。(8)提供合理的抗侧力能力。不同点：(1)高层混凝土结构延性差，而钢结构却相对好很多。(2)高层钢结构抗火设计必不可少，防锈处理必须到位。
　　7.从二者的结构布置进行分析。相同点：(1)高层房屋应首选由光滑曲线构成的平面形式;(为了减少风压作用，圆形比方形好);尽可能地采用中心对称或双轴对称的平面形式;(以减小或避免在风荷载作用下的扭转振动);避免以狭长形作平面形式;(因风荷载作用会产生严重的剪切滞后现象);框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面长宽比小于1.5;(不满足时，宜采用束筒结构);需抗震设防时平面尺寸关系应符合相关要求.(2)因此高层建筑一般不宜设置防震缝;一般也无须设置温度缝;地震区的高层建筑，应当建立精细的力学模型，作较精确的地震分析，并采取相应的措施提高其薄弱部位和构件的抗震能力。(3)任一层的偏心率大于0.15时，称为平面不规则结构。楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低超过50%，称为竖向布置的不规则结构。(4)采用天然地基时，不宜小于H/15;采用桩基时，不宜小于H/20 ，H ：室外地坪至屋顶檐口的高度。当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。(5)楼盖结构的方案选择原则:满足建筑设计要求;较小自重;便于施工;有足够的整体刚度。用于高层建筑的楼板主要有三种：现浇钢筋混凝土楼板 、预制楼板、压型钢板组合楼板。(6)粱锡布置需考虑的因素：钢梁的间距要与上覆楼板类型相协调，尽量取楼板经济跨度以内(压型钢板组合楼板取2～3m);主梁应与竖向抗侧力构件直接相连;(充分发挥整体空间作用)竖向构件纵横两个方向均应有主梁与之相连，以保证两个方向的长细比不致相差悬殊;梁系布置应能使尽量多的楼面重力荷载份额传递到竖向构件; (如，设置斜向主梁)为减小楼盖结构的高度，主次梁通常不采取叠接方式。不同点：高层钢结构主次梁较混凝土结构那样现浇连接方式多样，有简支连接和刚性连接两种，主要是通过螺栓和焊接方式。
　　8.从连接方式来比较。(1)钢结构高层建筑连接主要有焊接，螺栓连接，原柱头栓钉，锚栓连接，化学锚栓连接。(2)为了避免因连接较弱而使结构发生破坏，节点连接应采用强连接弱构件的原则。构件的拼接应采用与构件等强或比等强度更高的设计原则，一般采用摩擦型高强度螺栓连接或焊接连接。(3)高层钢结构柱脚分埋人式、外包式和外露式三种。
　　9.从结构整体稳定方面进行分析。对混凝土结构高层建筑，《高规》提出了具体要求，但由于高层建筑的刚度一般较大，又有许多楼板作为横向隔板，整体稳定很少验算。(1)《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99-98)规定：高层建筑钢结构同时符合下列两个条件，可不验算结构的整体稳定。① 结构各楼层柱的平均长细比和平均轴压比，满足下式
　　Nm——楼层柱平均轴压力设计值;Npm——楼层柱平均全塑性轴压力。② 按一阶线性弹性计算所得的楼层层间相对位移值，满足下式：
　　——一阶弹性计算的质心处层间位移;
　　——所验算楼层以上的全部水平作用之和;
　　——所验算楼层以上的全部竖向作用之和
　　10.从计算方法比较。二者基本相同。(1)高层建筑结构的计算模型，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型;当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型;当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结构计算模型。(2)竖向荷载下的分层法，水平荷载下的D值法。(3)地震作用常采用振型分解反应谱法，用时程分析法辅助。
　　11.从荷载组合分析。二者的荷载组合在组合的项目上基本相同，但相应的荷载分项系数和其他一些系数，需要根据荷载规范、混凝土相关规范、钢结构相关规范以及经验确定。
　　12.从发展趋势分析。二者发展趋势统一。(1)构件立体化(2)巨柱周边化(3)支撑大型化(4)体系巨型化(5)体形圆锥化(6)材料轻质高强化(7)动力反应智能化(8)结构分析设计高度集成化。但是由于高层钢结构起步比较晚，在未来一段时间必将会得到迅猛发展，而高层混凝土结构最近几年或是几十年仍会在建筑业担任主力军的地位。所以这两种结构都应该得到重视，充分理解两种结构的优缺点，能做到了然于心，这样才能给未来增加发展机会。
　　13.其他的一些比较。(1)相同抗震设防烈度，相同结构体系，高层钢结构比高层混凝土结构所适用的高度高的多。(2)结构阻尼比取值不同，对于混凝土一般取0.05，而对于钢结构：多遇地震下钢结构：12层以下取0.035;12层以上取0.02。‚罕遇地震下钢结构：取0.05。ƒ钢-混凝土及SRC结构：取0.04。(4)钢管混凝土结构:取0.03。(3)结构顶点最大加速度限值，住宅公寓混凝土高层结构为0.15，钢结构为0.2;对于办公、旅馆混凝土高层结构为0.25，钢结构为0.28。
　　最好的结构是如何最有效地把钢和混凝土的优点发挥出来，现在比较好的结构形式有型钢混凝土和钢管混凝土，如何把那些新颖的结构形式深入地研究下去，并加以推广利用，在实践中了解结构，并把经验加以总结，为以后发掘更有效的结构形式。