二級(jí)結(jié)構(gòu)專業(yè)輔導(dǎo)：輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

1、二級(jí)結(jié)構(gòu)專業(yè)輔導(dǎo):輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量的逐年增加和高強(qiáng)度、高性能建筑構(gòu)造用鋼的大量生產(chǎn)，我國(guó)已進(jìn)入了大力進(jìn)展鋼構(gòu)造建筑的新時(shí)期。目前，一般鋼構(gòu)造建筑的受力性能分析和設(shè)計(jì)方法已比擬成熟，輕型鋼構(gòu)造和一般鋼-混凝土組合構(gòu)造也處于進(jìn)一步開發(fā)和完善階段，而輕鋼-混凝土組合構(gòu)造的討論還比擬少。輕鋼-混凝土組合構(gòu)造是一種由冷彎薄壁型鋼和薄壁鋼管與混凝土組合而成的新型構(gòu)造體系。輕鋼一混凝土組合構(gòu)造具有輕鋼構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于混凝土的存在而提高了構(gòu)造的剛度和穩(wěn)定性，并增加了構(gòu)造的防火性能。二、輕鋼-混凝土組合構(gòu)造體系一豎向承重構(gòu)造構(gòu)造豎向承重主要以薄壁鋼管混凝土柱為主。由于冷成型薄壁

2、鋼管的管壁較薄，管內(nèi)部混凝土可防止鋼管發(fā)生局部屈曲，還可依據(jù)其穩(wěn)定性要求在管內(nèi)縱向設(shè)肋，從而提高鋼管的局部穩(wěn)定承載力。同時(shí)鋼管對(duì)混凝土有較強(qiáng)的約束作用，提高了混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度，因此，薄壁鋼管混凝土柱的承載力高于鋼管和混凝土的承載力之和。由于在鋼管內(nèi)澆筑了熱容量較大的混凝土，發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠汲取熱量，從而延長(zhǎng)了鋼管的耐火極限。圓鋼管軸向受力性能較好，其受彎性能及與其它構(gòu)件的連接不如方鋼管，但方鋼管對(duì)混凝土的約束力量較差。因此可考慮采納六邊形及八邊形鋼管，以便為梁、柱連接供應(yīng)便利和保證。樓面構(gòu)造輕鋼-混凝土組合建筑可選用多種樓面構(gòu)造形式。它要求樓板必需有足夠的剛度、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)使樓板

3、自重輕、厚度小，并提高施工速度。樓面構(gòu)造可選用如下形式：壓型鋼板和混凝土組合樓板；密肋輕鋼一混凝土組合樓板；現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓板；混凝土預(yù)制疊合樓板。其中優(yōu)先選用1、2類型。其主要優(yōu)點(diǎn)是：省去樓面模板支撐，節(jié)約投資，施工速度快；壓型鋼板與輕鋼密肋中可布置設(shè)備管線，削減吊頂高度；平面剛度大，房屋有較強(qiáng)的整體性，抗震性能好。主、次梁可采納矩形鋼管、雙槽鋼、冷彎U型卷邊槽鋼或H型、I字型焊接或熱軋型鋼。I字型鋼可以是實(shí)腹的也可是空腹的，也可選用卷邊槽鋼一混凝土組合梁。梁板組合構(gòu)造通過(guò)栓釘及剪力連接件形成整體，共同來(lái)?yè)?dān)當(dāng)樓面荷載。目前壓型鋼板與混凝土組合樓面構(gòu)造在國(guó)內(nèi)進(jìn)展已比擬成熟。支撐構(gòu)造(1)

4、對(duì)于單層工業(yè)廠房輕鋼一混凝土組合構(gòu)造，由于采納薄壁鋼管混凝土柱承受豎向荷載及吊車荷載，屋架及支撐均可采納輕型鋼構(gòu)件，因而其支撐布置方式與一般鋼構(gòu)造廠房類似。即采納柱間支撐及屋蓋水平、垂直支撐來(lái)保證廠房及屋蓋的整體穩(wěn)定性。2對(duì)于多、高層輕鋼一混凝土組合構(gòu)造體系，由于其側(cè)向剛度較弱，為反抗水平地震作用，減小層間側(cè)移，宜在相應(yīng)位置采納垂直支撐。為滿意門窗開洞及其它方面需要，支撐的形式可以敏捷多樣，如X型、M型、W型、V型、單斜桿型、人字型支撐等。對(duì)位于地震區(qū)的通常的鋼一混凝土組合梁樓蓋宜采納偏心支撐，以便構(gòu)造在地震作用下具有良好的延性及耗能性能。此外，假設(shè)采納剛性梁柱節(jié)點(diǎn)，對(duì)于多層構(gòu)造可以不設(shè)置支撐

5、構(gòu)件。四維護(hù)構(gòu)造輕鋼-混凝土組合構(gòu)造與其它鋼構(gòu)造一樣，應(yīng)采納輕質(zhì)維護(hù)材料。墻梁宜優(yōu)先選用冷彎薄壁槽鋼、卷邊槽鋼、卷邊Z型鋼。可采納輕型組合墻體，如：壓型鋼板加輕型保溫隔層墻體、壓型鋼板夾芯板、玻纖增加水泥外墻板、鋼網(wǎng)塑料墻板等。至于屋蓋構(gòu)造，一般采納有檁體系，亦可采納拱形波浪屋頂或輕型網(wǎng)架、輕型桁架加鋪輕質(zhì)保溫層和彩色壓型鋼板。其特點(diǎn)是生產(chǎn)工廠化，制作機(jī)械化，施工便利、速度快、工期短。三、輕鋼-混凝土組合構(gòu)造的進(jìn)展現(xiàn)狀一國(guó)外討論現(xiàn)狀國(guó)外一些學(xué)者已進(jìn)展了薄壁型鋼混凝土組合梁及薄壁鋼管混凝土組合柱的試驗(yàn)討論。組合梁中的薄壁型鋼主要有冷彎U型型鋼、百葉薄壁型鋼和裝配式薄壁型鋼等形式。ch類型均能與混

6、凝土有效地結(jié)合，來(lái)共同承受外界彎矩和剪力。其中h類型為裝配式截面，布置較為敏捷，可適用于不同截面尺寸的輕鋼組合梁，并可作為標(biāo)準(zhǔn)型材批量生產(chǎn)，但在澆混凝土之前必需用框架固定其外形。a、b類型為箱形薄壁型鋼截面，與混凝土的粘結(jié)性能較差，一般只起到模板的作用。此外，還可依據(jù)實(shí)際需要，在薄壁型鋼混凝土梁中配置肯定數(shù)量的縱向鋼筋，以進(jìn)一步提高其抗彎剛度和極限承載力。國(guó)外討論說(shuō)明，薄壁型鋼混凝土組合梁的承載力大小，取決于薄壁型鋼與混凝土間的粘結(jié)力性能。粘結(jié)性能好才能使鋼和混凝土兩種材料共同工作，充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。而薄壁型鋼的截面外形及外表有無(wú)刻痕是影響粘結(jié)力的主要因素。ch類型，在充分咬合狀況下，鋼板與

7、混凝土處于完全粘結(jié)狀態(tài)，其應(yīng)變一樣，幾乎沒(méi)有滑移發(fā)生。對(duì)于不同外形的薄壁鋼板，可取用不同的粘結(jié)系數(shù)，詳細(xì)數(shù)值需要由試驗(yàn)確定。目前，輕鋼-混凝土組合梁還正處于討論開發(fā)階段。薄壁鋼管混凝土柱的討論目前主要集中在短柱上，重點(diǎn)討論圓形和方形截面短柱在軸壓荷載作用下的力學(xué)性能，包括鋼壁板的局部屈曲性能，而對(duì)于長(zhǎng)柱構(gòu)件在軸壓和壓彎荷載作用下的性能討論還未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)二國(guó)內(nèi)討論現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在進(jìn)展輕鋼-混凝土組合構(gòu)件的討論工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)近期進(jìn)展了薄壁型鋼混凝土組合梁和短柱的試驗(yàn)討論。共對(duì)6根梁和22個(gè)短柱構(gòu)件進(jìn)展了靜載試驗(yàn)觀測(cè)，取得了較為抱負(fù)的結(jié)果。下面對(duì)其組合梁、柱試驗(yàn)狀況分別

8、加以介紹。薄壁型鋼混凝土組合梁試驗(yàn)薄壁型鋼組合梁采納了 3種截面類型。試驗(yàn)中所采納的6根梁跨度均為3m,截面尺寸為，梯形截面混凝土翼緣寬為550mm，翼緣高為80mm.每一種截面類型做兩個(gè)試件，一個(gè)為素混凝土組合梁，另一個(gè)在下部配有鋼筋。在試驗(yàn)中，采納三分點(diǎn)加載，使組合梁中部受純彎作用。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，其中b、c兩種類型的粘結(jié)性能優(yōu)于a種，而c種。組合梁到達(dá)受彎極限承載力時(shí)，梁頂部混凝土根本上到達(dá)或接近極限壓應(yīng)變，同時(shí)梁下部鋼板也到達(dá)了極限拉應(yīng)變。這說(shuō)明該種梁截面類型薄壁型鋼與混凝土的粘結(jié)性能能夠滿意受彎承載力要求。構(gòu)件破壞時(shí)，粘結(jié)力的丟失與薄壁型鋼和混凝土的屈服幾乎同時(shí)發(fā)生。在鋼與混凝土界面粘

9、結(jié)破壞之前，構(gòu)件處于彈性階段。隨著粘結(jié)的破壞，構(gòu)件剛度逐步下降，但并不顯著；當(dāng)粘結(jié)全部破壞時(shí)，外包薄壁型鋼與混凝土之間消失了滑移，剛度很快下降。隨著滑移的增加，混凝土翼緣板開裂未配筋試件或梁腹部的混凝土被剪壞配筋試件，最終導(dǎo)致構(gòu)件破壞。由此可見，相對(duì)于配筋試件，未配筋試件具有更好的延性，說(shuō)明薄壁型鋼與混凝土間的粘結(jié)力對(duì)組合梁的承載力起掌握作用。薄壁鋼管混凝土組合柱試驗(yàn)在薄壁鋼管混凝土短柱試驗(yàn)中，共選用圓柱、方形柱、和八邊形柱三種截面類型，同時(shí)轉(zhuǎn)變截面尺寸及鋼材和混凝土強(qiáng)度進(jìn)展構(gòu)件的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。鋼管壁厚選用1mm和1.5mm，管徑圓形截面及邊長(zhǎng)方形、八邊形截面分別采納100mm、150mm和2

10、00mm，試件高度為400mm1000m；混凝土標(biāo)號(hào)采納C20C30.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，圓柱的受力性能，八邊形柱次之，方形柱的受力性能最差。這主要是由于圓形鋼管對(duì)混凝土的約束力量強(qiáng)于其他兩種類型的原因。圓形薄壁鋼管混凝土短柱隨著荷載的漸漸增大，柱中部首先突起，鋼管到達(dá)屈服強(qiáng)度，進(jìn)而消失褶皺，發(fā)生較大塑性變形，此時(shí)鋼管與混凝土均到達(dá)極限強(qiáng)度，最終破壞現(xiàn)象為斜向剪切破壞。由于管壁較薄，方形鋼管對(duì)混凝土的約束作用較小，強(qiáng)度較低。八邊形鋼管混凝土柱的承載力介于圓形和方形構(gòu)件之間。比擬之下，薄壁鋼管混凝土組合柱宜優(yōu)先選用圓形及八邊形截面。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造在輕鋼-混凝土組合構(gòu)造體系中，最關(guān)鍵的部位就是節(jié)點(diǎn)。只有節(jié)點(diǎn)的

11、構(gòu)造措施和受力性能得到了解決，才有可能進(jìn)展構(gòu)造體系的討論。原哈爾濱建筑工程學(xué)院做過(guò)大量厚壁鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)討論，并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用，且編入了標(biāo)準(zhǔn)，取得了很好的成果。但是由于薄壁鋼管的管壁較薄，易于變形，因此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較難處理。臨時(shí)可以將薄壁鋼管混凝土梁、柱節(jié)點(diǎn)分為剛接和鉸接兩種形式，對(duì)其進(jìn)展嘗試性的理論分析及試驗(yàn)討論，以確定節(jié)點(diǎn)的合理形式和局部構(gòu)造。對(duì)薄壁鋼管混凝土柱與鋼梁相連接的狀況，可在節(jié)點(diǎn)處的柱子局部局部采納厚壁鋼管，上、下分別與薄壁鋼管相焊接，這樣鋼梁與厚壁鋼管的連接便可以采納標(biāo)準(zhǔn)中的傳統(tǒng)形式進(jìn)展設(shè)計(jì)。薄壁型鋼混凝土組合梁與其他構(gòu)件的連接則比擬難以處理，可以考慮在混凝土中采納預(yù)埋

12、型鋼或鋼筋來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，但是該種連接形式的抗彎、抗剪等力學(xué)性能還有待于討論。依據(jù)以上設(shè)想，組合梁和八邊形柱節(jié)點(diǎn)的剛接形式，其它截面柱可實(shí)行類似構(gòu)造。其中，組合梁外的薄壁鋼板與柱上外套厚壁鋼管焊接，內(nèi)穿雙角鋼，并且上部縱向鋼筋穿過(guò)柱子，梁外鋼板與厚壁鋼管焊接，薄壁鋼管混凝土柱內(nèi)不配鋼筋或少量配筋。組合梁截面可以采納各種截面類型。鉸接節(jié)點(diǎn)為柱子中只有角鋼穿過(guò)，組合梁支承于角鋼之上，梁柱間既不焊接，也沒(méi)有鋼筋通過(guò)，但需設(shè)置柱間支撐以承受水平荷載。除輕鋼混凝土組合梁、柱體系外，還可以采納薄壁鋼管混凝土柱與I字形鋼梁體系及鋼筋混凝土柱與薄壁型鋼組合梁體系，后兩者節(jié)點(diǎn)連接則更為簡(jiǎn)單。四、輕鋼-混凝土組合構(gòu)造

13、進(jìn)展的幾個(gè)問(wèn)題一輕鋼-混凝土組合構(gòu)件的討論。除壓型鋼板與混凝土組合板技術(shù)比擬成熟外，其他輕鋼一混凝土組合構(gòu)件的討論目前仍較少。需對(duì)薄壁鋼管混凝土柱的極限承載力及薄壁鋼管的局部屈曲和不同類型冷彎薄壁型鋼混凝土組合梁的受彎、受剪狀況及整體、局部穩(wěn)定性能進(jìn)展理論分析和試驗(yàn)討論。二輕鋼-混凝土組合構(gòu)造體系及構(gòu)造措施的討論。一般的鋼一混凝土組合構(gòu)造及輕鋼構(gòu)造都已進(jìn)展了大量的科學(xué)討論，取得了豐碩的成果及豐富的實(shí)踐閱歷，并制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，我們可以借鑒以上兩者的成果及閱歷進(jìn)一步進(jìn)展討論。其中梁柱節(jié)點(diǎn)的討論是關(guān)鍵?？蛇M(jìn)展薄壁鋼管混凝土柱與冷彎薄壁型鋼混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)及薄壁鋼管混凝土柱與熱軋型鋼、冷彎型鋼

14、梁節(jié)點(diǎn)的理論分析及試驗(yàn)討論。由于輕鋼壁厚較小，一般只有幾毫米，可考慮局部構(gòu)件工廠焊接，局部構(gòu)件采納現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接。三輕鋼-混凝土住宅建筑的開發(fā)。在大多數(shù)多、高層鋼構(gòu)造建筑中，均采納壓型鋼板一混凝土組合樓蓋。假如同時(shí)采納薄壁鋼管混凝土柱及輕鋼混凝土組合梁作為主框架，則必將使構(gòu)造的受力性能及防火性能得到改善，因此可考慮在鋼構(gòu)造及輕鋼構(gòu)造建筑中盡量多采納組合構(gòu)件?？芍攸c(diǎn)討論給排水管線及供電、供熱管線與構(gòu)造相協(xié)調(diào)問(wèn)題，同時(shí)討論防火、保溫、隔聲及室內(nèi)外裝修等問(wèn)題。四輕鋼-混凝土組合構(gòu)造計(jì)算理論的討論。在輕鋼混凝土組合構(gòu)件試驗(yàn)討論的根底上，可考慮進(jìn)展輕鋼一混凝土組合構(gòu)造體系的受力性能與穩(wěn)定性分析并同時(shí)對(duì)構(gòu)造的抗震、防火性能進(jìn)展討論。計(jì)算方法上，可由試驗(yàn)及理論分析所得各構(gòu)件的力學(xué)指標(biāo)及截面模量、參數(shù)，運(yùn)用現(xiàn)有的通用計(jì)算軟件對(duì)構(gòu)造進(jìn)展計(jì)算分析及設(shè)計(jì)。五施工荷載及圍護(hù)構(gòu)造蒙皮效應(yīng)的討論。混凝土澆注前，施工荷載對(duì)薄壁鋼構(gòu)件變形的影響較大?？煽紤]在盡可能少設(shè)或不設(shè)腳手架，使薄壁鋼構(gòu)件的剛度足