常见建筑结构的分析与比较
摘要：随着国家建设的进行，建筑结构趋于多样化。而常见的建筑结构有钢筋混凝土结构、钢-混凝土组合结构和钢结构，各种结构各有所长亦各有所短，在选取时应结合各结构特点综合考虑。本文对这三种结构特征进行浅析（其中取型钢混凝土结构和钢管混凝土结构为代表阐述刚-混凝土结构的优缺点），并对型钢混凝土结构, 钢筋混凝土结构和钢结构进行了计算与对比从而体现型钢-混凝土结构具有一定的优越性，正是刚-混凝土结构的优良性能显示了它广阔的发展前景。建筑结构的选用应以科学的眼光，严谨的态度，分析各种因素，并在条件允许的情况下考虑多种结构混合使用，扬长避短，发挥各自的性能，而现代土木工程师不可缺乏对各种结构性能的认识和设计方法的掌握。 关键字：钢筋混凝土结构；钢-混凝土组合结构；钢结构
1 建筑结构特征浅析
1.1 钢筋混凝土结构
（1） 耐久性好
在钢筋混凝土结构中，钢筋因受到混凝土保护而不易锈蚀，且混凝土的强度有所增长。 （2） 强度较高
和砖、木结构相比，其强度较高，特别高强混凝土的应用，在某些情况下可以代替钢结构，因而能节约钢材。 （3） 整体性好
目前广泛采用的现浇整体式钢筋混凝土结构，整体性好，有利于抗震及抗爆。 （4） 可模性好
钢筋混凝土可根据设计需要浇制成各种形状和尺寸的结构，尤其适合于建造外形复杂的大体积结构及空间薄壁结构和空心楼板。 （5） 耐火性好
混凝土是不良导热，遭火灾时，由传热性较差的混凝土作为钢筋的保护层，在普通火灾下不致使钢筋达到变态点温度而导致结构的整体破坏。 （6） 就地取材
混凝土结构中所用的砂、石材料一般可就地或就近取材，因而材料运输费用少，可以显著降低工程造价。
（7） 节约钢材
钢筋混凝土结构合理地发挥了材料的各自优良性能，在一定范围内可以代替钢结构，从而可节约大量钢材并降低造价。
但是，事物总是一分为二的，钢筋混凝土结构也存在一些缺点，主要有： （1） 自重大
这对于建造大跨度结构及高层抗震结构是不利的，但随着轻质、高强混凝土、预应力混凝土和钢-混凝土组合结构的应用，这一矛盾得到缓解。 （2） 施工比较复杂，工序多，施工时间较长。
随着泵送混凝土和大模板的应用，施工时间已大大缩短。冬季和雨天施工比较困难，必须
采用相应的施工措施才能保证质量。但当采用预制装配式构件时可加快施工进度，施工不受季节气候的影响，从而缓解这一矛盾。 （3） 耗费木料较多。
浇筑混凝土要用模板，木材耗费量较大，但随着钢模板的应用，木材的耗费量已减少。另外，采用预制装配式构件也可节约模板。 （4） 抗裂性差。
普通钢筋混凝土结构在正常使用时往往带裂缝工作，这对要求不出现裂缝的结构很不利，如水池、贮油罐等。因为，裂缝的存在会降低抗渗和抗冻能力，并会导致钢筋锈蚀，影响结构的耐久性。采用预应力混凝土结构可控制裂缝，从而克服或改善裂缝状况。 （5） 修补和加固工作比较困难。
随着碳纤维加固、钢板加固等技术的发展和环氧树脂堵缝剂的应用，这一困难已减少。 1.2钢-混凝土组合结构
1.2.1型钢结构
型钢混凝土组合结构构件是钢和混凝土两种材料的组合体，其中配置型钢（轧制或焊接成型型钢）、纵向钢筋和箍筋。就结构的受力性能而言，它基本上属于钢筋混凝土结构的范畴。 型钢混凝土组合结构有下列优点:
（1）含钢率不受限制，承载力高，刚度大。反过来讲，可以减少构件截面，增加建筑物使用面积和楼层净高。型钢混凝土框架较之钢框架可节省50％以上，经济效益可观。
（2）结构可以二次受力。浇灌混凝土以前，型钢混凝土中的型钢有相当的承载力，可以悬挂模板，承受自重、后浇混凝土和施工荷载等第一阶段荷载。后浇混凝土养护结硬达到设计强度后，与型钢、钢筋形成整体，共同承受使用荷载。利用二次受力原理进行型钢混凝土梁的合理设计，可以减小梁的变形和裂缝宽度。
（3）显著加快施工速度。不必等待下层结构的混凝土达到预定强度就继续上层施工，不需临时支撑，可实行土建和设备安装工序的平行流水作业。
（4）与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构的延性和耗能能力明显提高，尤其是实腹式构件。
（5）与钢结构相比，型钢混凝土组合结构的耐久性、耐火性能等均胜一筹。
1.2.2钢管混凝土结构
钢管混凝土结构以其优越的受力性能显示了广阔的发展前景。其优点有： （1）承载力高，重量轻，塑性好，耐疲劳，耐冲击。
（2）可以使用高强混凝土。三向压应力避免了核心高强混凝土的脆性破坏。
（3）钢管混凝土截面为轴对称，在各个方向上的惯性矩、承载力均相同，因而很适合用于承受地震、风载等作用方向不确定的结构。
（4）钢管兼有纵筋和箍筋的双重作用。制作钢管比制作钢筋骨架要方便得多。
（5）钢管内的核心混凝土部分不设钢筋，浇灌混凝土方便。钢管本身就可作为模板，省工省料，并且很合适使用泵送混凝土。
（6）钢管在施工阶段可起支撑作用，从而可以简化施工安装工艺，节省部分支架，有利于减少工序、缩短工期。
（7）代替钢结构的受压杆件可大量节约钢材。若替代钢筋混凝土结构，则在用钢量大体相同
的情况下可见小截面50%左右，相应节省了大量混凝土。
有研究表明，钢筋混凝土构件用于高层和超高层建筑中时，采用限制长细比的方法可以不限制轴压比。这一特点具有显著的理论意义和经济效益。
钢管混凝土结构的不足之处，主要是梁柱节点的连接构造和施工比较复杂，耐火性能和耐腐蚀性能不如混凝土结构，但不比钢结构差。目前已有型钢混凝土结构防火设计研究提出防火保护层厚度设计设计要求，使用厚涂型钢结构防火涂料，并已应用于深圳市赛格广场大厦。 1.3钢结构
钢结构在工程中得到广泛的应用和发展，是由于钢结构与其他结构比较有下列特点： （1）钢材强度高，结构重量轻
钢与砖石和混凝土相比，虽然密度较大，但强度更高，故其密度与强度的比值较小，承受同样荷载时，钢结构要比其他结构轻。 （2）材质均匀，且塑性韧性好
与砖石和混凝土相比，钢材属单一材料，由于生产过程质量控制严格，因此组织构造比较均匀，且接近各项同性，钢材的弹性模量很高，在正常使用情况下具有良好的延性，可简化为理想弹塑性体，最符合一般工程力学的基本假定，计算结果比较可靠。由于重量轻和韧性好，钢结构的抗震性能也好于其他结构。 （3）良好的加工性能和焊接性能
钢材具有良好的冷热加工性能和焊接性能，便于在专业化的金属结构厂大批量生产出精度较高的构件，然后运至现场，进行工地拼装和吊装，即可保证质量，又可缩短施工周期。 （4）密封性好
采用焊接连接的钢板结构，具有较好的水密性和气密性，可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。
（5）钢材的可重复使用性
钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢结构或构件，均可回炉重新冶炼成钢材重复使用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。 （6）钢材耐热但不耐火
钢材经受100℃辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。但当温度超过200℃时，会出现兰脆现象，当温度达600℃时，钢材进入热塑性状态，将丧失承载能力。因此在有防火要求的建筑中采用钢结构时，必须采用耐火材料加以保护。 （7）耐腐蚀性差
钢材耐锈蚀的性能较差，因此必须对钢结构采取防护措施，使它的维护费用较砖石和钢筋混凝土结构为高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，钢构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆后，腐蚀问题并不严重。对于湿度较大，有侵蚀性介质环境中的结构，可采用耐锈钢或不耐锈钢提高其抗锈蚀性能。 （8）钢结构的低温冷脆倾向
由厚钢板焊接而成的承受拉力和弯矩的构件及其连接节点，在低温下有脆性破坏的倾向，应引起足够的重视。
2型钢结构, 钢筋混凝土结构和钢结构的计算与对比
下面对相同截面的型钢梁，钢筋混凝土梁和钢结构梁施加相同的荷载，计算其用钢量。 （1）型钢混凝土梁
某型钢梁截面尺寸bh=450mm⨯850mm, 混凝土强度等级C30（f c =14.3 N/mm 2），Q345型钢HZ600（W a =3069mm 3，f a =315 N/mm 2），纵向钢筋HRB335（f y =315N/mm 2）。梁的支座截面承受弯矩设计值M=1275 kN⋅m 。下面应用简化叠加法确定梁的纵向钢筋。 型钢截面的受弯承载力
M a =γp f a W a =1.05⨯315⨯3069
=1015.1（kN ⋅m ）
钢筋混凝土部分的弯矩设计值
M RC =M－M a =1275-1015.1=259.9（kN ⋅m ） 设采用两排共四根纵向钢筋，布置如下图所示，则
h 0=（2⨯740+2⨯810）/4=775(mm)
259.5⨯106
αs = = =0.067
f c bh 2014.3⨯450⨯7752
M RC , u
γs =
1
⨯(1+2
M RC 259.9⨯106
A s = = =1101(mm 2 )
f y γs h 0310⨯0.982⨯775
选用4
φ
20（A s =1256mm 2），A s >ρmin bh =0.0015⨯450⨯850=574mm 2。并在截面两
侧各设置附加纵向钢筋3
φ
12。
（2）钢筋混凝土梁
钢筋混凝土矩形截面梁，b=450mm,h=850mm,混凝土为C30（f c =14.3 N/mm 2），纵向钢
筋HRB335（f y =315N/mm 2），弯矩设计值M=1275KN。下面设计纵向梁跨中受力钢筋截面面积。
查表知：α1=1.0 ，ξb =0.550，αs ,max =0.399 h 0=h -70=780mm M max =αs ,max α21f c bh o
=0.399⨯1.0⨯14.3⨯450⨯7802=1562.1KN ⋅m >M =1275KN ⋅m
故按单筋进行设计。
h 0=h -40=810mm
αM 1275⨯106
s =α2=2
1f c bh 01.0⨯14.3⨯450⨯810
=0.302
A 1f c bh 0
ξ=1s =ξ
α=0.371⨯
1.0⨯14.3⨯450⨯850
=0.371
f y
315
=6442.15mm 2 >ρmin bh
=0.215%×450×850 =822.375mm
2 选用8φ
32, A s =6434mm 2
（3）钢结构梁
钢结构梁拟采用Q345 （f =310N /m 2）H 型钢，截面设计如下： 假设梁的整体稳定得到保证，则根据抗弯刚度求出所需要的截面模量：
M 1275⨯106
W nx =
==3.917⨯106(m 3) =3917cm 3
γx f 1.05⨯310
按经济高度经验公式初选截面高度 h e =30=80cm
取梁的腹板高度h w =800mm 得经验公式得腹板厚度t w =所需翼缘截面面积
b 1t =
W x 139171-t w h w =-⨯0.8⨯80=38.3(cm 2) h w 6806
=8mm
取翼缘宽度b 1=300mm ，厚度t=16mm。
经验算得, 截面的刚度，强度，局部稳定，整体稳定均符合要求 则钢梁截面为焊接工字型梁：832mm ⨯300mm ⨯16mm ⨯8mm
A =80⨯0.8
+2⨯30⨯1.6=160cm 2
通过上面的计算不难看出型钢结构更节省材料。
组合结构具有能发挥不同材料各自的优良性能，钢材、混凝土的利用比较充分，造价较低，抗震性能好以及施工方便等优点。下面分析一下型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的受剪性能的差异： （1）斜裂缝出现时，荷载挠度曲线没有明显转折。这是由于实腹式型钢具有较大的抗剪刚度，
而且在梁中腹板是连续分布的，对斜裂缝的开展起着较好的抑制作用。 （2）斜裂缝出现以后，由于型钢腹板的贡献使粱的受剪承载力大为提高。
（3）表现出较好的延性破坏特征。虽然梁是由于混凝土的破坏而达到承载力，但从型钢腹板屈服至达到最大承载力有一较长的发展过程，特别是减压破坏的梁。达到最大承载力之后，承载力的衰减也比钢筋混凝土梁缓慢得多，与钢筋混凝土梁斜截面受剪的脆性破坏特征迥然不同。
（4）可能发生剪切粘结破坏。由于型钢与混凝土交界面粘结强度较低，型钢混凝土梁破坏时受压侧保护层混凝土剥离范围较大，设计中应通过配置必要的构造箍筋、增加型钢外围混凝土厚度等措施提高剪切粘结破坏承载力，予以防止。
（5）受力过程中，由于受混凝土的约束，在满足宽厚比的条件下，型钢腹板不会发生局部屈曲，其强度能得以充分发挥。而且，型钢本身可以承担相当大的剪力，型钢混凝土梁的斜截面受剪承载力远比钢筋混凝土梁高。
3结语
我们频繁使用的“design ”(设计) 一词，在英语国家还用于称呼“技术美学”。它的含义不只是“设计”，而是“美的设计”、“不同寻常的、别出心裁的设计”。在科学技术美学中，和谐是核心范畴，是美的基本特征，也是美的最高层次。自然界本身是统一与和谐的，追求和谐成为科学技术发展史的主旋律。成功的土木工程设计，不仅要使其与自然界和谐共存，而且要体现其各个组成部分之间、材料之间的和谐性。人们为完善工程结构设计理论与方法孜孜不倦地努力，正是对美的追求。在学习探索结构的优缺性时，我们将感受科学之美。
参考文献
[1] 林宗凡. 刚混凝土组合结构. 上海：同济大学出版社 [2] 宋玉普 王清湘 钢筋混凝土结构 机械工业出版社