鋼—混凝土組合結構的發展和應用

(廣州大學 廣東 廣州 510006)

鋼—混凝土組合結構是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發展起來的一種新型的結構,主要有壓型鋼板組合板、組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土和外包鋼混凝土等五類。由于組合結構有節約鋼材、提高混凝土利用系數、降低造價、抗震性能好、施工方便等優點,得到了迅速推廣與應用,許多國家制定了相應的技術標準。我國對組合結構的研究和應用起步較晚,還沒制定一部完整的鋼—混凝土組合結構設計規程,限制了其推廣與應用。

一、國內外鋼—混凝土組合結構的早期發展

鋼—混凝土組合結構的雛形最早于1894年出現于美國,當時出于防火的需要在鋼梁外面包混凝土,但并未考慮混凝土與鋼的共同受力。具有現代意義的鋼-混凝土組合梁出現于20世紀20年代,并在30年代中期出現了鋼梁和混凝土翼板之間的多種抗剪連接構造方法。1908年美國首先對外包混凝土的鋼柱進行了試驗,此后的一系列研究證明混凝土的存在可以提高柱的承載力。60年代后當鋼管結構得到應用后不久,又出現了在鋼管內填充混凝土的鋼管混凝土結構。由于兩種材料之間的相互約束作用,鋼管混凝土的性能比外包混凝土柱顯著增強。早期的組合結構主要采用鋼材與混凝土兩種材料,將鋼梁、混凝土板、鋼管、鋼骨等不同構件單元組合在一起共同工作。隨著壓型鋼板、玻璃、FRP等新型材料以及高強度合金、高性能混凝土的開發應用,近年來組合結構的類型也在不斷擴大。

我國在鋼—混凝土結構方面大量的研究與應用始于20世紀80年代。1974年頒布的《公路橋涵設計規范(試行)》第五章中首次提到了組合梁的設計概念,并于1986年頒布的《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ 025—86)中對有關組合梁的內容進行了補充。西安建筑科技大學與原冶金工業部建筑研究總院最早進行研究。繼而西南交通大學、重慶建筑大學、中國建筑科學院、華南理工大學、東南大學、清華大學等高等院校、科研單位也展開了廣泛的研究。2003年頒布實施的《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)中有關組合梁一章的內容,在原規范基礎上得到了進一步的充實和拓寬,增加了疊合板組合梁、連續組合梁等設計內容,吸收了我國近年來在鋼-混凝土組合梁研究和應用領域的最新成果,并首次采用了較為精確的折減剛度法來計算組合梁的剛度。

二、鋼—混凝土組合結構的研究發展和工程應用

(一)壓型鋼板與混凝土組合板。壓型鋼板混凝土組合樓板最初應用于歐美國家。當時把壓型鋼板主要作為澆筑混凝土的永久性模板及施工操作平臺,并能使樓層立體作業,加快施工進度。為了使其能承受施工時混凝土的自重及施工活荷載,壓型鋼板必須保證一定的剛度,因此壓制成帶凹凸肋形。而使用階段結構的承載及變形仍只考慮鋼筋混凝土板的作用。但隨著應用與研究的深入,發現壓型鋼板的存在能提高板的承載能力。因此,作為一種新的結構形式,組合板的研究日益深入廣泛的開展。組合板設計計算的關鍵問題是解決壓型鋼板和混凝土之間的剪切計算。

(二)鋼—混凝土組合梁。鋼—混凝土組合梁在美、日、歐洲已經得到了廣泛的應用,美國最早制定了設計規范,隨后德國、英國和印度也制定了設計規范。我國起步較晚,改革開放以前,雖有少數工程用過組合梁,但是未考慮組合效應,而僅僅作為強度儲備和為方便施工而已,也沒有制定有關設計規范。近年來,清華大學開展了一系列開口和閉口截面組合梁在純扭、彎扭以及彎剪扭等聯合作用下的試驗研究與理論分析工作。由于組合梁具有抗疲勞性能好、承載力可靠、節約鋼材、降低梁高和增強梁的剛度的優點,已被廣泛應用于高層建筑、橋梁結構、結構的加固與修復等方面。

(三)型鋼混凝土。型鋼混凝土是在鋼筋混凝土內含型鋼的結構,比鋼結構和鋼筋混凝土具有許多優點,在工程中得到了廣泛的應用。80年代后期,得到了較為系統的研究,并在一些高層建筑工程中應用。由于型鋼混凝土與鋼結構相比更耐久、更耐火,與鋼筋混凝土相比有施工方便、延性好的優點,使得之越來越多地應用于工程實踐。

(四)鋼管混凝土。鋼管混凝土是在勁性及螺旋配筋混凝土發展起來的,早期一般不考慮鋼管對核心混凝土的約束作用而使承載力的提高。20世紀60年代后,該類結構得到深入的研究并被廣泛應用,但往往采用壁厚較大的熱軋管,且混凝土澆筑工藝未得到很好地解決,經濟效果不明顯,推廣應用受到一定的影響。前蘇聯在五六十年代進行了大量的研究,并在工業廠房和拱橋結構中采用;美、英、德和法等國主要研究核心混凝土為素混凝土、配筋或型鋼混凝土的鋼管混凝土。60年代中,開始在廠房和地鐵工程中采用;70年代后,在冶金、造船、電力等行業的工業廠房得到進一步的推廣應用。由于鋼管混凝土結構具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性能較好、抗震性能好等優點,因此,廣泛應用于下列建筑:1)高層和超高層建筑;2)橋梁結構;3)空間結構;4)單層和多層工業廠房柱。

三、鋼—混凝土組合結構的研究及應用展望

組合結構在我國發展和應用的歷史雖然不及歐美等發達國家歷時長,但它在我國的發展勢頭已顯示出強勁的生命力和廣闊的應用前景。在可以預見的未來,組合結構在大跨橋梁和高層建筑領域有望發展成為與鋼結構和混凝土結構并駕齊驅的主要結構形式。21世紀的組合結構,應當在鋼-混凝土組合結構已有研究和應用成果的基礎上,靈活運用組合概念在廣義范圍內研制和創造新的結構形式,并拓展組合結構的應用范圍。因此,作者認為應當在新型組合構件的研發、組合結構體系的發展、組合加固技術的創新以及組合結構在其他領域內的應用開展進一步的工作。

四、結語

國自20世紀80年代以來對鋼—混凝土組合結構逐漸進行了深入的試驗研究和理論分析，在多層工業廠房、高層建筑、橋梁結構等方面都得到了較好的應用取得了良好的經濟效益和社會效益。可以說鋼一混凝土組合結構是21世紀一種非常有前景的結構形式。但由于它所涵蓋的內容廣泛而復雜，相關的設計理論和方法還不成熟，這需要在今后的研究應用中逐步完善。