型鋼混凝土在房屋建筑施工中的應(yīng)用

裴濤

合肥建筑質(zhì)量安全監(jiān)督站

1 引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)，剛度大，構(gòu)件截面尺寸小，適合大跨度結(jié)構(gòu)工程，且抗震性能好，有利于降低工程造價(jià)，且型鋼混凝土施工方便簡(jiǎn)單，材料利用率高。型鋼結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)形式可以分成實(shí)腹式、空腹式。其中，空腹式是通過綴條、綴板連接槽鋼與角鋼，形成穩(wěn)定性很好的結(jié)構(gòu)。實(shí)腹式則是直接將型鋼與鋼板焊接在一起，如圖1。

圖1 型鋼混凝土構(gòu)件截面

面對(duì)新興的超高層建筑建設(shè)，目前世界各地都更傾向于使用型鋼混凝土的組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)具備別的結(jié)構(gòu)所不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有魅力的組合結(jié)構(gòu)形式，并且越來越普遍地應(yīng)用在各種建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中。總之，凡是可以使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，都可以使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

2 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1 承載能力高、剛度大

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是型鋼包裹混凝土形成的結(jié)構(gòu)整體，型鋼與混凝土形成受力整體，共同承受荷載，力學(xué)性能更優(yōu)。同時(shí)還能夠解決鋼結(jié)構(gòu)耐火性、耐久性不優(yōu)，易屈曲失穩(wěn)等短板，使型鋼性能可以充分施展出來，而且可以最大限度利用混凝土的抗壓性能以及鋼材的抗拉壓性能。

2.2 抗震性能好

外包混凝土對(duì)型鋼產(chǎn)生強(qiáng)大的限制作用，能夠避免型鋼的局部屈曲，增強(qiáng)型鋼骨架的整體剛度和抗扭能力。因?yàn)榕渲昧诵弯摚蠓忍岣吡藰?gòu)件的承載力，特別是采用實(shí)腹型鋼的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它的抗剪承載力得到極大提高，而且使得受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì)得到極大改觀，使它擁有比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件更杰出的延性和耗能性能，展現(xiàn)出良好的抗震性能。

2.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益好

由于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)可以最大限度利用混凝土抗壓性能好的長(zhǎng)處，與鋼結(jié)構(gòu)相比能夠減少大概1∕3的鋼材用量，并且避免了鋼結(jié)構(gòu)防銹、防腐蝕、防火性能差，必須頻繁維護(hù)的弊端。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，承載能力一致的條件下，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)截面更小，自重更輕，布置更靈活，進(jìn)而節(jié)省了成本。

2.4 施工便捷，施工周期較短

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在施工時(shí)，型鋼骨架既可以替代腳手架工程，用作下方樓層澆筑混凝土的操作平臺(tái)，又能夠當(dāng)作臨時(shí)的支架負(fù)擔(dān)上方若干層施工荷重，所以，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)無需待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度就能夠接著進(jìn)行上層的施工，很大程度上縮短了施工周期。

3 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)組合中，可以是全部構(gòu)件都采用型鋼混凝土，也可以是部分構(gòu)件采用型鋼混凝土。這兩種組合形式都可以廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)體系中，比如核心筒、框剪結(jié)構(gòu)、大空間結(jié)構(gòu)體系中等。型鋼混凝土構(gòu)件的應(yīng)用形式主要有以下幾種：第一，型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)；（2）型鋼混凝土框筒或核心筒結(jié)構(gòu)；（3）地下結(jié)構(gòu)或底部幾層采用型鋼混凝土，地上采用鋼結(jié)構(gòu)；（4）框架柱使用型鋼混凝土，梁使用鋼或鋼筋混凝土。如果通過受力科學(xué)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、施工便捷等可行性分析及驗(yàn)證，還可以使用另外的組合形式。

4 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

4.1 關(guān)于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算

依據(jù)目前情況，世界其他國家對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件的計(jì)算方法大約可以分三類。

（1）以試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，從鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算理論出發(fā)，考慮混凝土對(duì)型鋼剛度的提升，依照鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論計(jì)算。該算法適合用在含鋼率較高的情形。

（2）按照鋼筋混凝土計(jì)算理論，將型鋼和混凝土看作一個(gè)整體，分析這個(gè)整體構(gòu)件的受力情況，并進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。這種方法沒有考慮型鋼與混凝之間的黏結(jié)，不能完全反應(yīng)型鋼與混凝土的受力狀況。

（3）承載力疊加法。該方法于1950年被日本學(xué)者提出，該方法將型鋼與混凝土分別單獨(dú)計(jì)算，假設(shè)二者相互獨(dú)立，且在型鋼不發(fā)生屈曲，對(duì)型鋼與混凝土的內(nèi)力分別進(jìn)行計(jì)算，然后將二者承載力與剛度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，該結(jié)果就是型鋼混凝土剛度與承載力情況。承載力疊加法計(jì)算方法下，型鋼與混凝土并沒有真正達(dá)成同步工作狀態(tài)，僅僅是將二者內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，作為型鋼混凝土組合構(gòu)件的抗彎能力。除此之外，這個(gè)方法對(duì)構(gòu)件的剛度計(jì)算時(shí)將彈性理論作為基礎(chǔ)，也就是取兩者的彈剛度作為構(gòu)件剛度。

4.2 型鋼混凝土內(nèi)力計(jì)算

主要有兩種方法：第一，利用概率論的理論，按照極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，假設(shè)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，型鋼與鋼筋混凝土具有一致的中性面，利用力矩與力的平衡，建立受力平衡的方程；（2）承載力疊加法，也就是將這兩個(gè)單獨(dú)計(jì)算出來，最后加在一起。

5 結(jié)構(gòu)選型和布置中要注意的問題

5.1 結(jié)構(gòu)選型的問題

結(jié)構(gòu)選型也依據(jù)建筑的使用功能，建筑高度等因素，尤其是高層建筑，要結(jié)合多項(xiàng)因素綜合考慮，選擇最佳結(jié)構(gòu)體系，然后依據(jù)結(jié)構(gòu)布置，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行合理的受力分析，確定構(gòu)件選材與截面尺寸，在選型中，除了要滿足建筑功能性的要求，還應(yīng)當(dāng)注意兼顧經(jīng)濟(jì)性、美觀性與安全性。如果建筑層高較高、柱距較大，這時(shí)候結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力較大，受到軸壓比的限制，柱的截面尺寸也應(yīng)當(dāng)稍微大一些。這樣就會(huì)增加建筑結(jié)構(gòu)自重，消耗大量的建筑材料與其他能源，對(duì)建筑功能也可能產(chǎn)生一些影響。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)對(duì)處理這些矛盾有一定的幫助，面對(duì)跨度較大同時(shí)樓層較高的情形時(shí)，應(yīng)用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和美觀性。

5.2 側(cè)向失穩(wěn)問題

在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，如果型鋼與混凝土黏結(jié)不到位，造成黏結(jié)應(yīng)力不足，則可能造成構(gòu)件開裂，導(dǎo)致型鋼外包裹的混凝土剝落。例如在型鋼混凝土柱中，由于兩種材料之間黏結(jié)不足，造成型鋼柱自身強(qiáng)度不足，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)柱型鋼屈服，引起型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱側(cè)向失穩(wěn)。另外，由于型鋼外混凝土剝落造成型鋼混凝土柱的側(cè)向剛度不足，同樣造成結(jié)構(gòu)柱的失穩(wěn)。因此，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，處理好型鋼與混凝土之間的黏結(jié)，是有效規(guī)避結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

5.3 構(gòu)件經(jīng)濟(jì)比較

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼截面的選擇，配筋率的控制，以及構(gòu)件的截面尺寸選擇等問題，必須結(jié)合規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)算，在設(shè)計(jì)中科學(xué)計(jì)算，并進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)。受到建筑功能、跨度等因素的影響，會(huì)對(duì)構(gòu)件截面有一定的限制，在設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合各類材料的力學(xué)性能，合理選擇截面面積，避免截面面積過大或者型鋼占比過高的現(xiàn)象。對(duì)于型鋼的選擇，優(yōu)先選擇實(shí)腹式寬翼H型軋制型鋼和各種焊接型鋼。除此之外，如果選擇十字形鋼，則需同時(shí)配置合適的箍筋與縱筋，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理，能夠滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。最后，必須控制優(yōu)化型鋼混凝土設(shè)計(jì)，控制型鋼外包裹的混凝土的厚度，對(duì)配筋率進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)算，達(dá)到截面的最優(yōu)狀態(tài)。

6 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的應(yīng)用

6.1 節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用

在型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，兩柱節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)及施工中的重要控制點(diǎn)，梁柱連接的位置，要處理好型鋼及內(nèi)部配筋的連接問題，選擇套筒連接的形式，將套筒與柱翼緣聯(lián)結(jié)。在施工階段，梁柱連接點(diǎn)是施工難點(diǎn)，施工操作比較困難，為了便于施工，可以設(shè)置不通長(zhǎng)布置的加勁肋，在翼緣之間以及梁水平筋的位置，合理設(shè)置加勁肋，翼緣板周邊一定范圍內(nèi)合理設(shè)置加勁肋。在加勁肋高度設(shè)置上，必須經(jīng)過驗(yàn)算，確定高度能夠滿足要求。這樣能夠最大限度保證梁結(jié)構(gòu)翼緣拉力可以成功傳達(dá)給樁基，并且防止翼緣板出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。

6.2 結(jié)構(gòu)裝配中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠統(tǒng)一加工運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝，構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后先進(jìn)行構(gòu)件的檢查，確保構(gòu)件無損傷，檢驗(yàn)合格后開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)拼裝，再進(jìn)行構(gòu)件的校正，待構(gòu)件驗(yàn)收合格，采取分段運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)送到施工地點(diǎn)，在連廊支撐架上完成鋼桁架的組裝。另外，如果選用十字型鋼柱，則會(huì)增加施工難度，現(xiàn)場(chǎng)拼裝中，要注意不同構(gòu)件之間的連接問題，按照規(guī)范要求進(jìn)行構(gòu)件的吊裝與拼裝，做好施工過程中的安全保護(hù)，確保施工安全，提高施工質(zhì)量。

6.3 質(zhì)量控制要點(diǎn)

型鋼混凝土施工工藝較普通鋼筋混凝土有所不同，質(zhì)量控制要點(diǎn)也有一定的差異性。不僅設(shè)計(jì)重點(diǎn)有差異，施工技術(shù)難點(diǎn)也有不同。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，要明確型鋼位置，根據(jù)型鋼翼緣板的寬度，確定框架的寬度，由于鋼筋直徑對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能有較大的影響，因此，在型鋼混凝土中要精確鋼筋孔徑，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，明確梁柱鋼筋穿孔的位置，此外在型鋼中，要選取縱橫方向的穿孔位置，兩者之間應(yīng)該留出一個(gè)孔徑的間隔。進(jìn)行型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必須重視對(duì)施工過程的質(zhì)量控制。

7 結(jié)語

鑒于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)越的力學(xué)性能，人們?cè)诜课萁ㄖY(jié)構(gòu)中對(duì)它的應(yīng)用越來越普遍。但同時(shí)，它又是一種具有一定技術(shù)難度的施工方式。我們應(yīng)當(dāng)加大科研工作的研究力度，深入完善計(jì)算理論知識(shí)，盡可能有針對(duì)性地將型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)推廣到更多建筑領(lǐng)域，這樣必定能夠優(yōu)化和改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，對(duì)我國建筑行業(yè)發(fā)展乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都將具有極其重大的意義。