鋼-混凝土組合結構的發展現狀

【摘 要】 鋼-混凝土組合梁是通過剪力連接件使鋼和混凝土形成一體共同工作的， 剪力連接件的主要作用是抵抗鋼與混凝土之間的滑移和分離。目前已用于施工的剪力鍵有：剪力釘、PBL鍵、PBH剪力鍵、PCSS剪力鍵。經過幾十年的研究及工程實踐，組合結構已經發展成為既區別于傳統的結構形式， 又與之密切相關和交叉的結構型式， 其結構類型和適用范圍涵蓋了結構工程應用的很多領域。

【關鍵詞】 鋼-混凝土組合結構 剪力連接件

1 引 言

兩種不同性質的材料組合成一個整體而共同工作的構件稱為組合構件，組合結構是由組合構件組成。組合結構將不同的材料或構件組合在一起共同工作，在設計時將各組成材料和構件的結構性能進行整體考慮，最有效地發揮各種材料和構件的優勢[1]。

2 鋼-混凝土組合結構

2.1 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合在一起而制成的組合板。它利用混凝土抗壓強度高、壓型鋼板受拉性能好的特點，使得材料合理受力，發揮各自的優點。

2.2 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，通過剪切連接件連接，使混凝土板與鋼梁組合在一起，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，鋼梁主要位于受拉區，充分利用混凝土抗壓和鋼材抗拉的優點，發揮了兩種材料的強度，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構容易整體失穩和局部失穩的弱點。

2.3 組合柱結構

組合柱結構包括鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱兩類。這兩類組合柱所利用的組合概念有所不同，鋼骨混凝土柱主要利用了混凝土對鋼柱的支持，而鋼管混凝土則同時利用了鋼管對混凝土的橫向約束作用提高了后者的強度和延性[3]。

2.3.1 鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土是在混凝土中配置型鋼，再加鋼筋和箍筋組合而成的。鋼骨混凝土柱中配置的型鋼形式可以分為實腹式與格構式兩大類。前者的強度、剛度、延性均較好，遠比后者優越。研究表明，它在抗震時吸收能量是空腹式的2倍。

2.3.2 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是在鋼管中灌入混凝土而形成的組合結構。它利用鋼管約束混凝土，將混凝土由單向受壓變為三向受壓，混凝土的抗壓強度提高1倍以上，混凝土的塑性性能提高使本屬于脆性的材料轉變為塑性材料，提高結構的可靠度;另一方面內填混凝土可以延緩和避免鋼管過早地發生局部屈曲。

2.4 鋼-混凝土組合框架

用鋼和混凝土組合成框架結構，框架柱的結構形式有： 鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱等結構形式，框架梁有鋼梁、鋼骨混凝土梁、鋼-混凝土組合梁和鋼筋混凝土梁等結構形式。

3 剪力鍵的發展

鋼-混凝土組合梁是通過剪力連接件使鋼和混凝土形成一體共同工作的，剪力連接件的主要作用是抵抗鋼與混凝土之間的滑移和分離[4]。目前已用于施工的剪力鍵有：剪力釘、PBL剪力鍵、PBH剪力鍵、PCSS剪力鍵。

3.1 剪力釘

剪力連接件出現于20世紀初，1903年JuliusKahn因發明了一種組合梁而獲得美國的專利，這種組合梁通過梁翼緣向上彎起的部分以增加鋼與混凝土之間的抗力。剪力鍵作為鋼-混凝土組合結構中的關鍵傳力部件，能將鋼材和混凝土兩種不同性質的材料連接成受力整體，發揮各自的優點，改善結構的力學性能。

3.2 PBL剪力鍵

PBL剪力鍵的雛形出現在20世紀80年代，德國斯圖加特大學的研究人員研究了在組合梁的鋼梁上翼緣表面疊焊鋼板并在鋼板上開方孔的剪力連接方式。

3.3 PBH剪力鍵

作為鋼混凝土組合結構的關鍵部件，剪力連接件把有較大彈性模量差別的鋼結構和混凝土結構連接成整體而共同工作，防止界面處過出現大滑移和分離。在優化組合拱橋設計和施工的背景下提出了鋼箱混凝土組合拱橋，并針對鋼箱混凝土組合構件提出了一種基于PBL的新型剪力鍵-開孔加勁肋套箍剪力聯結構造（簡寫為PBH）。

3.4 PCSS剪力鍵

在鋼-混凝土組合梁中，一般剪力釘的栓釘軸向垂直焊接于鋼梁的上翼緣頂面，或者栓釘與混凝土板平行布置，通過現澆混凝土實現橋面板與鋼結構的聯結，然而現澆混凝土會使橋面板開裂、增加梁體下撓等。為克服混凝土收縮徐變帶來的病害，可采用全裝配式鋼-混凝土組合梁。全裝配式鋼-混凝土組合梁無需現澆混凝土，可縮短現場施工工期，推動橋梁裝配化的發展。為適應全裝配式鋼-混凝土組合梁的裝配化施工工藝，需對剪力釘的布置形式做相應調整，提出了預制裝配式組合剪力釘（簡稱PCSS）。

4 結語

組合結構將多種材料或構件通過某種方式組合在一起共同工作， 組合后的整體工作性能要明顯優于各自性能的簡單疊加。經過幾十年的研究及工程實踐，組合結構已經發展成為既區別于傳統的結構形式， 又與之密切相關和交叉的結構型式， 其結構類型和適用范圍涵蓋了結構工程應用的很多領域。

【參考文獻】

[1] 聶建國， 樊健生. 廣義組合結構及其發展展望[J]. 建筑結構學報， 2006， 27（6）：1-8.

[2] 聶建國， 余志武. 鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用[J]. 土木工程學報， 1999， 32（2）：3-8.

[3] 夏再海. 鋼-混凝土組合結構的特點和應用[J]. 福建建材， 2007（2）：70-72.

[4] 張瑞云， 劉杰. 鋼-混凝土組合結構的研究與實踐[J]. 石家莊鐵道大學學報自然科學版， 2006， 19（2）：1-5.

作者簡介：方金（1992.07.26--），男，碩士研究生在讀，單位：重慶交通大學，研究方向：組合結構橋梁