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1、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1、 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
2、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。
3、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。2、 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：（
4、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
5、)，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：变形能力强、抗展性能好；在截面尺寸相同的条件下，可以合理配置较多的钢材；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；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；由于在构件中同时存在型钢与钢筋，挠筑混凝土比较困难；用钢量大，建设
6、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。（5）、 外包钢混凝土结构外包钢混凝土结构就是外部配置型钢的混凝
7、土结构，它是在克服装配式钢筋混凝土结构某些缺点的基础上发展起来的。构件中的受力主筋一般由角钢代替并没置在构件四角。角钢的外表面与混凝土表面取乎或稍凸出混凝土表面0.5-1.5mm横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋保护层厚度的要求，可将箍筋两端城成球状，再与角钢内侧焊接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07y（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
8、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。3、 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。在阪神大地震以前,由于钢-混凝土组合结构一直被认为是一种有效的抗震结构形式而得以广泛的应用,而且在历次的大地震中又只有非承重墙体开裂和结构构件轻微损伤的破坏记录。而在1995年,阪神大地震中,在以往地震中表现出良好的
9、抗震性能的SRC结构(型钢混凝土结构)建筑物也产生了不同程度的损坏,甚至出现SRC结构严重破坏、倒塌的情况。SRC房屋的主要震害现象SRC房屋破坏情况可分为: 空腹SRC 房屋的倒塌; 实腹SRC 房屋的残余变形; 柱脚的破坏; 钢材的断裂; 梁柱节点的破坏; 非承重墙的破坏。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
10、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
11、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
12、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。楼梯间的破坏楼梯间的破坏比较严重而且集中。主要表现在：楼梯板段中部垂直于楼梯方向开裂或断裂；平台梁中部及其与框架梁交接点破坏严重；楼梯间四角的框架柱顶节点破坏；框架砌体抗震墙、填充墙破坏严重。 图一 砌体墙开裂呈交叉斜裂缝 图二 纵横墙连接处破坏 图三 墙角破坏 图四 楼梯间墙角破坏4、 组合结构建筑的抗震加固改造组合结构的抗震加固改造主要是通过加固建筑结构的强度和合理采用抗震构造措施来达到对建筑物的
13、抗震加固改造。1、 加固建筑物结构强度目前较为常用的方法有增设墙、支撑、加固部件、增设构架等。1) 槽缝钢板抗震墙该抗震墙是在传统的抗震钢板墙体上设置槽状的贯通缝,墙体钢板分为上部槽钢梁、上壁部、槽形空隙、中间壁部、下壁部以及下部槽钢梁,如图1所示。该抗震墙体与传统封闭的抗震墙相比,可以将墙壁厚度限制到最小值,因此有效地使用室内空间,具体特点: 由于配置及分割的自由度较大,因此可以在通道或窗户等处设置开口; 由于中间开口后减少了整体钢结构的用钢量,可以节约钢材5%左右; 地震时,由于抑制了建筑物的变形,因此改善了建筑抗震的安全性; 墙壁的厚度限制到了最小,节约室内空间。图1槽缝钢板抗震墙立面2
14、) 自压合斜撑加固系统自压合斜撑加固系统是将P Ca斜撑压合到现有建筑物梁柱之间的施工方法,由日本京都大学开发。该系统由交叉的十字形钢支撑、开放预应力装置、多层弹簧带球铰部件组成(见图5) 。安装过程中采用无收缩砂浆将斜撑系统与梁柱结合部粘结,与传统的钢结构十字形斜撑加固方法相比具有施工振动噪声小,抗震效果显著等特点。该技术于2003 年获得日本建筑综合试验所的“建筑技术性能证明”。具体特点: 与传统钢结构斜撑加固方法相比,在很少的加固部位提高了抗震能力,节约成本; 可以仅对建筑物的外部进行加固; 施工过程中基本不影响建筑物的正常使用,不会损坏建筑物的原有功能; 不受建筑物的建筑结构形式的影响
15、,施工方便灵活。图自压合斜撑抗震加固装置3) 其他加固方法除了上述两种新型加固方法外,目前还出现了支墩隔震框架加固方法、外部隔震斜撑法、被动隔震法、混合多重减震器加固法、Retrofit隔震加固技术以及土壤改良与基础结构抗震加固等。其中支墩隔震框架是采用在建筑物两端设置钢桁架柱与建筑物外框架逐层连接的方法来提高整个建筑物的整体空间刚度和抗震性能。施工过程中不需要进入居室内部,为此在加固施工中不影响建筑的正常使用功能,且加固效果显著,具有较强的推广应用价值。2、 抗震构造措施底部框架抗震墙砖房的砖砌体和混凝土结构部分除应分别满足多层砖房和多层混凝土结构房屋的有关构造措施外, 还应满足下列要求。1
16、) 上部砖混层构造柱和圈梁的设置及其构造。底部框架抗震墙砖房的上部砖混层应设钢筋混凝土构造柱, 当采用装配式楼盖时, 各层均应设置必要的圈梁, 并应符合下列要求:2.1.1 构造柱和圈梁的设置部位: 砖混过渡层各横墙(轴线)与内、外纵墙(轴线)交接处及门窗洞口处均应设置构造柱, 且每轴线均设置圈梁; 其它砖混层应根据房屋的总层数按抗震规范中多层砖房的规定设置。2.1.2 构造柱的截面尺寸宜采用300 mm300mm, 且不应小于240 mm240mm; 圈梁的截面尺寸宜采用240 mm 300 mm,且不应小于240mm240mm。2.1.3 构造柱的纵向钢筋不宜小于44, 箍筋间距不宜大于2
17、00mm(柱上、下端500mm范围内为100mm), 箍筋直径应8; 圈梁的纵向钢筋不宜小于410, 箍筋间距不宜大于200mm。2.1.4 构造柱应与每层圈梁连接, 或与现浇板可靠拉结。2.1.5 砖混过渡层构造柱纵筋在相邻框剪层柱(粱)内锚固长度: 单元四角处40d, 其余部位35 d, 或在柱(梁)内留出短筋与过渡层构造柱纵筋搭接, 搭接长度1.2 倍锚固长度。当构造柱与框架梁连接时, 粱的相应部位应采用间距100mm、直径8 的箍筋加强。2.1.6 构造柱与墙连接处宜砌成马牙槎, 先砌墙, 后浇柱, 并应沿墙高每隔500mm设26 拉结钢筋, 钢筋伸人墙内不宜小于1m。2.1.7 砖混
18、过渡层的外纵墙窗台以下应每隔500mm 设置通长的26 钢筋, 并在窗台标高处设置600mm、厚240mm宽的配筋砂浆(或混凝土)带, 砂浆强度等级应M7.5(混凝土强度等级应C20), 钢筋宜采用210, 且应锚入两侧的构造柱内; 另外, 过渡层墙体的砂浆强度等级, 不应低于M7.5。2.1.8 上部的承重墙和厚度不小于240mm的自承重墙, 其中心线宜与底部的框架梁、抗震墙的轴线相重合; 构造柱宜与框架柱上下贯通。2.1.9 为了改善房屋的整体抗震性能,应尽量减轻上部结构的重量, 如采用空心砖、加气混凝土砌块等。2) 楼(屋)盖的形式及其构造。底部框架一抗震墙砖房的转换层的楼板应采用现浇或
19、装配整体式钢筋混凝土楼板。并应具有足够的平面内刚度, 为此, 截面厚度应按前述方法计算定,并应少开洞、开小洞, 当洞口尺寸大于800 mm时, 应设洞边梁; 如必须设楼、电梯而开大洞时,应采用抗震墙围成的筒体。且对装配整体式板,要先浇面层后砌墙, 面层厚度不应小于40mm, 内设不少于4250 mm 的双向钢筋网,且配筋面层与其下的大梁要用8500 mm(锚固长度200 mm)钢筋拉结。转换层楼板除要求抗震横墙满足最大间距限值外, 在设防烈度为6(7)、8、9 度时, 其长度比还宜分别满足4、3、2.5 m 的要求。转换层楼板应采用双层双向通长配筋, 且每方向配筋率不应低于0.25%; 板外侧
20、边缘应设置边缘拉梁予以加强, 拉梁可利用纵向框架梁或底部外纵墙, 拉梁的负筋至少应有50%且不低于0.25%配筋率的钢筋贯通梁全长。其它楼层, 采用装配式钢筋混凝土楼板时均应设现浇圈梁, 采用现浇钢筋混凝土楼板时可不设圈梁, 但楼板应与相应的构造柱可靠连接。5、 底层框架抗震墙结构抗震设计1、底层框架-抗震墙结构底层框架抗震墙结构是由框架柱、 抗震墙和刚性楼盖组成的一个具有一定空间刚度的体系 。2、抗震设计的基本对策 抗震设计的任务是考虑到地震及其影响的不确定性和结构抗震能力的一些规律性结合起来，选取的建筑抗震结构方案、细部构造能具备较好的抗震能力。 2.1选择有利的建筑平、立面建筑物体型均匀
21、、对称，在抗震设计中，建筑平面应尽可能简洁、规则，结构的刚心与质心相一致，以减少地震作用下结构产生的扭转效应。建筑立面应避免头重脚轻，结构的重心应尽可能降低。底层抗震墙应尽可能均匀对称、分散分布，尽量使纵横向抗震墙相连，如将抗震墙做成L，T型等。应加强建筑物各大转角的抗震能力，布置一定数量的抗震墙并尽量避免在这些墙体上开洞。避免布置抗震墙于一端或一侧，以免造成地震扭转破坏。2.2控制底层抗震墙最大间距底层框架抗震墙结构是由框架柱、 抗震墙和刚性楼盖组成的一个具有一定空间刚度的体系， 而抗震墙是底层的主要抗侧力构件， 为保证底层的空间刚度和协调变形， 规范对抗震墙最大间距做了明确规定，见表1。底
22、层抗震墙的布置应均匀、对称，尽量使纵横向抗震墙相连；同时，纵向抗震墙应在外纵轴布置开窗洞的抗震墙或短肢剪力墙，这样大大增强横向抗倾覆的能力，避免边柱产生过大的压力和拉力。2.3严格遵守抗震规范对不同设防烈度的第二层与第一层侧移刚度比的限值规定在历次地震中，底层框架房屋结构之所以发生严重破坏，其原因就在于底层层间刚度与上部层间刚度比过于悬殊。当地震作用集中在底层时，由于底层较上部结构小得多的侧移刚度，造成非常突出的底层弹塑性变形集中现象。因此，控制底层与上部侧移刚度比是很必要的。规范给出了不同设防烈度下上层与底层侧移刚度比的限值，6、7度时不应2.5，8度不应2.0且均不应5时，周期在3秒以内，
23、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。1.3 关于加速度反应谱长周期段的二次衰减反应谱理论证明，加速度反应谱曲线存在三个控制段，分别是：加速度、速度和位移控制，设计反应谱“平台段”是加速度控制段，速度控制段以tT形式衰减，位移控制段则以1T2形式衰减。这己成为地震工程界共同认可的常识。但是真正实用起来遇到问题
24、，即长周期段的谱值太小，对抗震设计没有控制作用。为此，各国规范对此均作了不同程度的修正。1.4 长周期结构对地震加速度反应的滞后和迟钝周期大于3秒的长周期结构对于短脉冲型的加速度地面运动，尽管加速度蜂值很高，但由于周期很短，结构的反应相对迟钝和滞后。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
25、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：1 陈振纳 周威 阎玉敏： 钢-混凝土组合结构抗震性能研究综述. 森林工程 ，第2008年1月 第24卷 第 1 期.2 李磊：组合结构的抗震设计和性能. 呼伦贝尔学院学报，2004年（第33卷）02月.3 张济梅：组合结构及其框架梁柱节点抗震设计 地震出版社，2005年02月 第13卷 第 1 期.4 范新海：浅谈底层框架 抗震墙结构抗震设计中的一些问题，煤炭技术，第2003年12月 第22卷 第 12 期.5 范夕森 贾强 张卫海：竖向组合结构的抗震设计，四川建筑科学研究，2007年4月 第33卷第2期.6 冯战坤 卜延渭：钢-混凝土组合结构的特点和现状，陕西建筑，2008年10月总第160期.7 焦宁艳,李明房屋建筑抗震设计及加固，施工技术 , 2009年6月第38卷增刊 S1期 8 陈 勇 浅谈底部框架抗震墙砌体房屋抗震设计中的几个问题，黑龙江科技信息 , 2007年 08期
