劲性混凝土性能现状研究

王震东 叶 斌

（杭州万国投资管理有限公司，浙江 杭州 320018）

近二十年以来，劲性混凝土结构在中国发展很快，它被越来越广泛的应用在建筑和桥梁工程中，取得了显著的技术经济效益。因为保证型钢与混凝土之间有足够的粘结是劲性混凝土结构设计的基本要求，所以二十年以来国内对劲性混凝土结构的粘结性能进行了大量的研究。本文基于实工经验和文献资料对劲性混凝土性能和应用做了研究。

1 劲性混凝土结构的特点

与钢结构相比，劲性混凝土结构可节约钢材达50%以上，降低了造价。同时由于型钢外包混凝土，可以防止钢构件的局部屈曲，提高了钢构件的整体刚度，显著改善了钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。另外，外包混凝土也增加了结构的耐久性和耐火性，避免了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差，需要经常维护的弱点。

与钢筋混凝土结构相比，劲性混凝土结构由于在截面中配置了型钢，使构件的承载能力、刚度大大提高，因而大大减小了构件的截面尺寸。同时采用实腹式型钢的劲性混凝土构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，延性获得了很大的提高，因此劲性混凝土结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土结构[l,2]。

2 劲性混凝土结构的发展

由于劲性混凝土结构的一系列优点，日本及西方国家在20世纪初即开始研究应用。20世纪20年代，西方国家的工程设计人员为满足钢结构的防火要求，在钢柱外面包上混凝土，称为包钢混凝土(Encased Concrete)结构。起初，包钢混凝土柱仍按钢柱设计计算。40年代后开始意识到外包混凝土对提高钢柱刚度的有利作用，考虑折算刚度后仍继续沿用钢柱设计方法[3,4]。该方法一直沿用，并编入了1985年欧洲统一规范EC4((组合结构》[5]。

20世纪20年代，日本在一些工程中开始采用劲性混凝土结构。1923年在东京建成的30m高全劲性混凝土结构的兴业银行，在关东大地震中几乎没有受到什么损坏，引起日本工程界的重视。1949年，前苏联建筑科学技术研究所编制了《多层房屋劲性钢筋混凝土暂行设计技术条件(BTY-03-49)》，50年代又进行了较全面的试验研究，1978年制定了《苏联劲性钢筋混凝土结构设计指南》。后来由于省钢目的，主要采用焊接钢构架和钢筋骨架等作为劲性钢筋(即空腹式钢骨)。

3 劲性混凝土结构的应用

目前国内外已应用劲性混凝土结构建成了大量的高层、超高层建筑及一些工业建筑。国外建成的典型的劲性混凝土建筑有美国休斯顿得克斯商业中心大厦，79层，高305米;日本北海饭店，36层，高121米;新加坡财政部办公大楼，55层，高242米;悉尼款特斯中心，高198米。20世纪80年代以来，在我国北京、上海等地也相继建成了一批劲性混凝土结构高层建筑，典型的有北京香格里拉饭店，高24层;上海瑞金大厦，地上27层，地下一层，高107米;广州、重庆也先后建成了一批劲性混凝土结构的高层建筑。用于工业建筑的有郑州铝厂蒸发车间等。

此外，劲性混凝土结构也广泛应用于桥梁工程中，特别是钢一混凝土叠合板组合梁推广较快[6]。因为其省掉了高空支模工序和模板，用于桥梁可以不中断下部交通，具有较好的综合效益。1993年，北京市市政工程设计研究总院设计的北京国贸桥，在三个主跨采用了钢一混凝土叠合板连续组合梁结构，当时叠合板组合梁在国内城市立交桥中的应用尚属首次。其综合效益为:(1)比原现浇桥面板方案节省近400m2的高空支模工序和模板，减小现场湿作业量，缩短工期近一半，未中断下部交通；(2)比钢筋混凝土梁桥自重减轻约50%；(3)比钢桥节省钢材30%左右。钢一混凝土叠合板组合梁在桥梁结构中的应用成功地实现了"轻型大跨，预制装配，快速施工"的目的，符合我国城市立交桥建设的国情。建国贸桥以后，仅北京又有6座大跨立交桥的主跨采用了钢一混凝土叠合板组合梁结构，最大跨度已达到70m。此外，上海南浦大桥和杨浦大桥的桥面结构也采用了钢一混凝土叠合梁结构。交通部西安公路研究所正在把叠合板组合梁推广应用于大跨公路桥梁结构。

4 劲性混凝土粘结问题研究现状

在已经进行的对粘结问题的研究中，人们主要把目光集中在钢筋混凝土结构上，虽然已取得了一些研究成果，但由于劲性混凝土结构的自身特点，这些成果还不能直接应用到劲性混凝土结构中去。首先，劲性混凝土结构采用的是型钢。截面几何形状与钢筋有较大差异，受力变形时与混凝土的接触状况与钢筋不同。第二，由于型钢截面形状的原因，与钢筋相比，它与混凝土粘结的环境较差，混凝土的密实程度往往不太好，气泡孔隙较多，从而削弱了两者之间的粘结力。第三，由于型钢没有肋纹，所以与变形钢筋相比，机械咬合作用对粘结力的贡献较小。第四，型钢表面在热轧过程中会产生鳞片，在运输保管期间也会锈蚀，这使化学胶着力受到较大程度的影响，而对型钢而言，化学胶着力是型钢与混凝土粘结力中最重要的一个组成部分。综上所述，可以看出，劲性混凝土结构的粘结问题有其自身的特殊性。

在已进行的试验研究中，CharleS.w.Roeder[7]通过型钢一混凝土的推出试验得出，按翼缘与混凝土接触面积平均的局部最大粘结应力与混凝土圆柱体抗压强度的统计回归公式为 τbf=0.09′c

考虑试验数据离散后，建议了一个保守的公式：τbf=0.09fc′-0.655，式中 τbf，fc′的单位为N/mm2。

在Jalnes.O.Bryson[8]等人进行的拉出试验中，重点针对工字钢表面状况对粘结性能的影响进行了研究，结果发现工字钢喷砂抛光后的粘结强度低于锈蚀状况的粘结强度。

在肖季秋等人的试验研究中，对9个混凝土强度为C20的试件进行了压出试验。对试验分析所得的劲性混凝土结构的:τ-S曲线进行了分析，并拟合出了劲性钢筋的：τ-S本构关系式：τ=0.75915+1.314965-1.34285 S2+0.4408S2-1.55639 S4

此模型曾用于劲性钢筋混凝土梁非线性有限元分析，且得到了良好效果。此外，他们还利用试验结果分析了影响劲性钢筋粘结的一些因素，如工字钢表面状况、混凝土浇注方向、工字钢埋置长度以及横向配筋量。

5 结束语

与钢筋混凝土结构相比，型钢与混凝土的粘结力远小于钢筋与混凝土的粘结力。在采用劲性混凝土结构时，如果不注意采取措施增强粘结，外包混凝土很容易产生较大范围的剥落，导致承载力产生较大的衰减，钢骨的塑性变形能力将得不到充分的发挥。所以在实际工程中，建议采用强度等级较高的混凝土，并配置适量的箍筋，一定要保证混凝土保护层达到一定厚度。此外，对有某种锈蚀的工字钢无须喷砂抛光，且浇注混凝土时宜采用竖位浇注。最后，还可以在构造上采取一些措施增强型钢与混凝土的粘结，如在型钢上加锚筋及加钢板肋等。

[1]张素芳.SRC框架短柱在低周反复荷载作用下的延性.西南交通大学学报，1990，16(2):43-48

[2]叶列平，方鄂华等.劲性混凝土柱的轴压力限值.建筑结构学报，1997，18(5):56-63

[3]StevensRF.EneasedStanehions.StrutUlalengineer，1965，43(12):112-123

[4]BasuA.K.eom Putation of Failtireloadsofcom Positeeolumns.Proeeedings of institution of eivilengineers，1967，(3):235-243

[5]ECCS.ComPositestr Ueure.Londonand－NewYork:Theeons加 etionPress，1981

[6]聂建国，余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用.土木工程学报，1999，34(4):3-7

[7]Roeder C W.Composite and mixed construction.Published by ASCE,1984

[8]Brtson J O,Mathey R G,Surface condition effect on bond strength of steel beams embedded in concrete.ACI,1962,59(3):397-406