鋼-混凝土組合結構的發展綜述

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

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結構，世界各國已經將組合結構成功應用于許多超高層建筑及大跨徑橋梁結構。隨著我國經濟建設的高速發展，鋼混凝土組合結構也得以迅速發展，應用日愈廣泛，在高層結構、地下結構、大跨橋梁、結構加固等領域都涉及到組合結構的應用。

鋼-混凝土組合結構相較于一般鋼—混凝土復合結構，可以節省鋼材的數量。并且鋼-混凝土組合結構施工簡單，質量易于控制，可靠性合理，性能可靠，耐用性好，維護和使用成本低，交叉能力大，特別是在重載荷，鐵路橋梁結構和大跨度公路橋梁結構具有良好的應用前景。

二、鋼-混組合結構概述

鋼-混組合結構是在鋼結構和混凝土結構基礎上發展起來的,是優良的新型的一種應用前景廣泛的結構，它是開發在鋼結構和混凝土結構基礎上的全優組合。混凝土和鋼材是兩個主要的土木工程材料,它有自己的優點和缺點。混凝土材料具有低成本、受壓性能好,但同時也具有可憐的拉伸性能、大自重的特點,鋼材具有良好的變形能力和拉伸壓性能,但成本很高。組合結構合理組合兩種材料即鋼材和混凝土材料,充分利用鋼材和混凝土的優點,鋼抗拉強度高,良好的可塑性和抗壓性能,充分利用材料的特性。組合結構同鋼筋混凝土結構相比，自重更輕,地震作用對其影響更小,截面尺寸更合理；同鋼結構相比，整體性也都得到了加強，降低結構造價，大大提高力學性能與經濟性。鋼和混凝土在鋼-混凝土組合結構受力時表現出不同的力學性能，為了使兩者能夠協同工作，需要在連接部位設置剪力連接件，常見的鋼-混組合結構常規連接截面形式(如圖1)，隨著組合結構的快速發展，剪力連接件的研究發展也將加快步伐。

圖1 鋼-混組合結構常規截面

三、鋼-混組合結構的發展概況

鋼-混組合結構發展至今已經歷100多年了。1879年在鐵路橋梁建設的時候,英國人以免鋼管內壁生銹,滿鋼管填滿混凝土材料，組合結構的應用由此就開始了。1897年,美國人約翰·拉萊柱提出了鋼管混凝土結構，他把鋼管混凝土結構作為主要的承重結構來研究,并提出了公式來估算鋼管混凝土結構的承載性能。在鋼-混凝土組合結構的研究中,美國、日本和歐洲比我國早,走在世界的前沿。然而從19世紀20年代開始才各國才開始對鋼-混組合結構進行了系統研究，其發展過程可歸述為三個階段：

1)19世紀20年代開始，鋼-混組合結構正真系統性研究正式開始，英國國家物理實驗室對外包混凝土鋼梁進行了試驗研究，他們的研究結果表明，鋼梁和混凝土能夠整體工作是由于他們之間的粘結作用；19世紀20年代末，Macking和Lash研究了鋼和混凝土之間的粘結作用，研究結果表明，在鋼、混凝土交界面上設置機械連接件可以增強結構的整體工作性能，還可以提高結構的極限承載能力；20世紀30年代開始，剪力連接件開始應用于鋼-組合結構，鋼-混組合結構從依靠粘結作用慢慢過渡到了依靠剪力連接件。

2)20世紀40年代以后，組合結構快速發展，美、歐、日等國對組合結構進行了大量的實驗，研究更加全面深入，并根據當時已有的的研究成果制定了相應的規范；1944年美國第一次的組合設計條款結構中添加AASHTO規范;1953年加拿大將加入國家結構組合設計規范規定;組合結構設計1954年在德國將加入國家相關設計規范的規定；二十世紀50年代末，組合結構的界面滑移理論提出了,他們通過大量的實驗研究提出了對梁的極限強度理論的組合設計,理論廣泛應用于實際工程；二十世紀60年代,紐馬克在復合梁上進行了試驗研究,提出了計算公式。

3)自1970年代以來,國家在復合結構設計規范越來越完善。組合結構開始廣泛應用于實際工程項目。國際聯合委員會頒布“復合結構規范”,該委員會在1985年的“標準”的基礎上,結合結構頒布“歐洲標準4”(EC4)；在此之前,學者們關注主要是在復合梁上,直到1972年德國建造世界上第一個組合梁斜拉橋,kurt-Schumacher橋,組合梁由此得到了世界的關注；1980年斜拉橋的發展更加迅速,1988年墨西哥建成了坦皮科橋，1995法國建立了諾曼底大橋,他們是典型組合梁斜拉橋；1991年建造Shengkou橋是亞洲最早的組合梁斜拉橋,Tatara橋建于1999年,曾創造了世界紀錄。

跟歐美國家相比較，在中國鋼-混組合結構的研究起步較晚，在1970年代，組合梁正逐漸應用于工程領域。1974時候的公路橋涵設計規范中僅僅提到了一點點組合梁的概念，此時對橋梁設計的應用價值是很小的；1988的鋼結構設計規范參考國外對結構設計規范相結合的基礎上加入了鋼與混凝土組合結構的相關內容；2003的鋼結構設計規范(GB 50017-2003)對舊標準的基礎上，把中國近些年鋼結構和鋼混組合結構研究的結果加進了規范中，最近幾年大量的復合材料結構設計補充內容和擴展。同時組合梁在中國的發展也比較快，溆浦橋1996建于上海，是中國的第一個組合梁斜拉橋，比日本生口橋橋跨大了100米。

四、結語

鋼-砼組合結構作為新型組合結構，憑借其兼有鋼結構和混凝土結構的優點，在現代工程建設中應用廣泛，它能適應現代橋梁工程向更大跨度發展的需求，符合現代化施工技術的工業化要求。隨著理論研究的的深入和完善，新型施工工藝的產生和高性能材料的應用，鋼-混凝土組合結構的良好受力性能和綜合經濟效益將展示其美好的應用前景，在未來的工程結構中必將越來越受重視，在未來的工程結構建設中占據更重要的地位。

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