鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)概述

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)概述摘要：分析了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的類型、組成方式及受力特點(diǎn)，指出充分利用鋼和混凝土兩種材料各自優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行優(yōu)化組合，可以造出各種經(jīng)濟(jì)效益好、性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)來(lái)。關(guān)鍵詞：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；組合梁；型鋼混凝土；鋼管混凝土STEEL-CONCRETECOMPOSITESTRUCTUREOVERVIEWAbstract:Thetypesofthesteel-concretedcompositestructureandcorrespondingmechanicscharacteristicsarestudied,pointingoutthatstructurewithgoodeconomicbenefitsandsuperiorcharacterscanbeobtainedbytakingfulladvantagesofsteelandconcreteandcompoundingthetwomaterialsoptimally.Keywords：steel-concretedcompositestructure;steel-eonererebeam;steel-concretemodel,steeltubeconcrete鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料經(jīng)組合而成的一種新型結(jié)構(gòu)。它是鋼和混凝土兩種材料的合理組合，充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度高、塑性好和混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)彼此各自的缺點(diǎn)。同混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以減輕自重，減小構(gòu)件截面尺寸，減輕地震作用。同鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減少用鋼量，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防火性和耐久性。二者結(jié)合在一起，甚至可以發(fā)揮出比二者簡(jiǎn)單疊加要強(qiáng)的多的效果[1]。已被廣泛的應(yīng)用在高層超高層建筑、重工業(yè)建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、大跨度和高聳結(jié)構(gòu)中，并逐漸形成了與傳統(tǒng)四大結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu))并列的第五大結(jié)構(gòu)。我國(guó)自80年代以來(lái)開(kāi)始系統(tǒng)研究鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際工程中得到了較好的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？梢哉f(shuō)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種非常有前景的結(jié)構(gòu)形式，在21世紀(jì)必將得到更全面的應(yīng)用。1鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的類型及特點(diǎn)1.1壓型鋼板與混凝土組合板壓型鋼板與混凝土組合板是在壓型鋼板上澆筑混凝土，依靠鋼板上凹凸肋及不同的糟紋使鋼板與混凝土結(jié)合在一起而制成的組合板。壓型鋼板按其在組合樓板中的作用可分為三類：第一類，以壓型鋼板作為樓板的主要承重構(gòu)件，混凝土只是作為樓板的面層以形成平整的表面及起到分布荷載的作用；第二類，壓型鋼板只作為澆筑混凝土的永久性模板，并作為施工時(shí)的操作平臺(tái)；第三類考慮組合作用的壓型鋼板混凝土組合樓板。第一類與第二類屬于非組合樓板。壓型鋼板與混凝土組合板具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)由于壓型鋼板作為澆注混凝土的模板，節(jié)省了大量木模板及其支撐；2)由于壓型鋼板非常輕便，因此堆放、運(yùn)輸及安裝都非常方便；3)壓型鋼板在使用階段因其和混凝土的組合作用，還可代替受拉鋼筋，因此減少了鋼筋的制作與安裝工作；4)由壓型鋼板組合樓板的幾何形狀所決定，組合樓板具有較大的剛度，且省去了許多受拉區(qū)混凝土(因?yàn)樵诨炷两Y(jié)構(gòu)的承載能力計(jì)算中不考慮混凝土的受拉作用)，使組合樓板的自重減輕；5)便于敷設(shè)通信、電力、采暖等管線；6)由于壓型鋼板作為澆注混凝土的模板直接支承于鋼梁上，為各種工種作業(yè)提供了寬廣的工作平臺(tái)，大大加快了施工進(jìn)度，縮短了工期；7)壓型鋼板可直接作頂棚；8)與木模板相比，壓型鋼板組合樓板施工時(shí)，減少了發(fā)生火災(zāi)的可能性。1.2鋼-混凝土組合梁鋼-混凝土組合梁是將鋼筋混凝土板放置于鋼梁的上部，通過(guò)剪切連接件連接，使混凝土板作為梁的翼緣與鋼梁組合在一起，整體共同工作而形成的組合梁。在組合梁中，混凝土位于受壓區(qū)，鋼梁主要位于受拉區(qū)，充分利用混凝土抗壓和鋼材抗拉的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮了兩種材料的強(qiáng)度，鋼梁位于受拉區(qū)，腹板不會(huì)發(fā)生局部屈曲，并且由于混凝土作為梁翼緣的一部分，很大程度上避免了鋼梁結(jié)構(gòu)容易整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的弱點(diǎn)。組合梁比非組合梁的強(qiáng)度、剛度都明顯提高，使得同等條件下組合梁截面大小及高度比非組合梁小，可以有效降低結(jié)構(gòu)高度，這將增加凈空，降低工程造價(jià)，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益，在大跨度的樓蓋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有較大優(yōu)勢(shì)。鋼與混凝土組合梁首先從截面組成上充分發(fā)揮了混凝土與型鋼材料各自的特點(diǎn)，除此以外，與普通鋼筋混凝土梁相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)將鋼筋混凝土板與鋼梁組合成整體，使鋼筋混凝土板成為組合梁的一部分(翼緣)，因此按非組合梁考慮，承載能力顯著提高；2)鋼筋混凝土板組合成為全梁的一部分，因此在同樣大小鋼梁的情況下，組合梁比非組合梁豎向剛度明顯提高；3)混凝土處于受壓區(qū)(正彎矩區(qū)段)，鋼梁主要處于受拉區(qū)，兩種不同材料都能充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，受力合理，節(jié)約材料；4)由于處于受壓區(qū)的鋼筋混凝土板剛度較大，對(duì)避免鋼梁的整體與局部失穩(wěn)有明顯的作用；5)降低梁高與房屋總高；6)組合梁可大量節(jié)約鋼材以致降低工程造價(jià)。1.3型鋼混凝土型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是把型鋼置入鋼筋混凝土中，使型鋼、鋼筋(縱筋和箍筋)、混凝土三種材料元件協(xié)同工作以抵抗各種外部作用效應(yīng)的一種作用。它是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種形式，其截面組成特征是型鋼鋼筋混凝土的鋼材全部被包在混凝土內(nèi)部，型鋼與鋼筋骨架的外面有一層混凝土外殼(外包鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的型鋼是外露的)。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼，此外還配合使用鋼筋和鋼箍。鋼骨混凝土配置的型鋼形式可以分為實(shí)腹式與空腹式兩大類。前者的強(qiáng)度、剛度、延性均較好，遠(yuǎn)比后者優(yōu)越。研究表明，它在抗震時(shí)吸收能量是空腹式的2倍[2]。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有更大的剛度和強(qiáng)度，更好的局部和整體穩(wěn)定性，防腐蝕和防火性能好，經(jīng)濟(jì)效果好，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)用鋼量大幅度減少。資料表明，型鋼混凝土全框架結(jié)構(gòu)較之鋼框架結(jié)構(gòu)可減少鋼材用量50%或者更多一些。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大具有良好的變形能力和延性，抗震性能優(yōu)越。尤其在大跨度、超高層、重荷載的土木工程結(jié)構(gòu)中，較單獨(dú)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有更好的適用性—減小構(gòu)件截面、增大使用空間、節(jié)省混凝土用量、減輕地基荷載、減小構(gòu)件撓度、節(jié)省模板和支撐，可免除構(gòu)件中的預(yù)埋件,有更好的抗震性能等[3]。1.4鋼管混凝土鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、配螺旋箍混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。鋼管混凝土是將普通混凝土填入薄壁圓型鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)。按截面形式不同，分為方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。鋼管混凝土可借助于內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性；借助鋼管對(duì)核心混凝土的套箍(約束)作用，而使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其受力性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1)受力合理，能充分發(fā)揮混凝土與鋼材的特長(zhǎng)，從而使構(gòu)件的承載能力大大提高；2)具有塑性好、強(qiáng)度高，良好的抗疲勞、耐沖擊性能；3)鋼管作為勁性承重骨架，省去了通常的混凝土支模、拆模和支撐工作量，省工、省時(shí)，施工簡(jiǎn)單，縮短工期，宜于保證質(zhì)量；4)獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效果；與鋼結(jié)構(gòu)相比，節(jié)約了大量鋼材。大量工程實(shí)踐表明[4]：采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件約可節(jié)約混凝土50%，減輕結(jié)構(gòu)自重50%左右，鋼材用量略高或約略相等；和鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約鋼材50%左右。5)具有良好的抗震性能(良好的延性)；鋼管混凝土在提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能的同時(shí)，有效地減小了結(jié)構(gòu)尺寸，增加了使用面積[5]。用于高層建筑的柱子時(shí)，可以作到不限制軸壓比而控制長(zhǎng)細(xì)比。6)具有美好的造型與最小的受風(fēng)面積；7)耐火性能較好，由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間有相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補(bǔ)、共同工作的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能。與鋼結(jié)構(gòu)相比，一般可節(jié)約2/3防火涂料，因而降低工程造價(jià)。2鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題目前，雖然各種形式的組合結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)工程中已顯示出其優(yōu)越性，而且，已創(chuàng)造出新的組合結(jié)構(gòu)形式，在工程實(shí)踐中已有運(yùn)用，但由于觀念問(wèn)題和相關(guān)的設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)沒(méi)有普及推廣，在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)量還不是很大，有些問(wèn)題還需進(jìn)一步細(xì)致深入的研究探討。對(duì)構(gòu)件的組成方式尚需進(jìn)一步優(yōu)化，以創(chuàng)造出性能更優(yōu)越的結(jié)構(gòu)來(lái)。為了充分利用鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出性能更為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究。應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件、鋼骨混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力筋等不同材料元素進(jìn)行優(yōu)化組合，通過(guò)揚(yáng)長(zhǎng)避短雜交而成具有優(yōu)勢(shì)的新的結(jié)構(gòu)體系，用一種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)另一種結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)。鋼管混凝土一般只是用作柱、拱等構(gòu)件，如何通過(guò)一定的組合方式，利用它的高抗壓性能，將其用于受彎，如預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土梁、鋼管混凝土桁架等，是值的進(jìn)一步研究的。研究將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)，如近十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的張弦梁結(jié)構(gòu)，可在鋼管內(nèi)灌注高強(qiáng)度混凝土，用其作為拱或桁架，與高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力索一起形成張弦梁結(jié)構(gòu)，可跨越較大空間，具有廣闊應(yīng)用前景。3結(jié)語(yǔ)文中介紹了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的幾種類型及特點(diǎn)。由于其具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中，具有廣闊的發(fā)展前景。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)充分利用兩種材料的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)優(yōu)化組合，可以創(chuàng)造出性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)合理的新結(jié)構(gòu)形式，可在高層建筑、大跨房屋結(jié)構(gòu)、橋梁等結(jié)構(gòu)