浅谈建筑中的组合结构

张兵兵

浅谈建筑中的组合结构

张兵兵

介绍了钢—混凝土组合结构的特点,阐述了目前国内工程中应用较多的组合结构的优点,分析探讨了组合结构在我国存在的问题,为进一步发展组合结构提供了指导。

组合结构,钢—混凝土组合楼盖,型钢混凝土组合结构

0 引言

组合结构早在 19世纪末就已经存在,尽管当时并没有意识到要利用两种材料组合以后新增的强度和刚度,单纯的想要减轻钢管内部的锈蚀而灌入混凝土,为了改善钢结构的耐火性能而在其外围包裹混凝土,但就这样开创了组合结构的实际应用的历史。

组合结构有时称作混合结构,两者又统称为复合结构。组合结构的定义有不同的描述,在土木工程范围内组合结构应该指由两种或两种以上结构材料组成,并且材料之间能以某种方式有效传递内力,以整体的形式产生抗力的结构。这里不包括两种或两种以上结构材料组成而是各自单独发挥作用、简单叠加、单独承受荷载的结构。

1 组合结构分类

土木工程采用的组合结构大致可分为以下几类：

1)组合板。a.以下部压型钢板为配筋的混凝土板,其间用连接件使两者结合成整体。b.在箱形截面钢板内充填的组合板。2)组合柱。将型钢埋入钢筋混凝土共同承受内力的柱构件,又称SRC柱。3)钢管混凝土柱。将混凝土充填到钢管内部而形成的组合柱,又称CFT柱。4)组合梁。a.将钢筋混凝土板锚固在钢梁上形成的组合梁。b.将型钢或焊接钢骨架埋入钢筋混凝土而形成的梁,又称SRC梁。5)组合墙。由混凝土和平面钢板结合而成的墙板。6)组合壳体。由混凝土和曲面钢板结合而成的壳体。

2 组合结构优点

组合结构能充分发挥各自材料的性能,绝不单单是 1+1=2那么简单,具有如下特点：

1)钢—混凝土组合楼盖中,压型钢板可作为混凝土的受拉加强部分,用以抵抗板面荷载产生的板底拉力,除了在适当部位要设置钢筋减轻混凝土收缩以及温度变化的影响外,不必再另设钢筋。并且压型钢板作为永久性模板,不再需要安装、拆模,方便施工。

2)钢—混凝土组合楼盖中,混凝土板作为组合梁截面的受压翼缘,从而使组合截面的几何特性比非组合截面的几何特性有很大的改善,因而前者的承载力及刚度将远远超过后者。并可以增强组合梁截面中钢梁的侧向刚度,可以防止钢梁在使用荷载下发生扭曲失稳。

3)钢—混凝土组合楼盖与钢结构相比,具有整体性强,抗剪性能好,耐震性能大大提高。1923年日本的关东大地震的震害调查中,由内藤多仲设计的日本兴业银行大楼,总面积达15 000m2,地上 7层、地下 1层,高度约为 30m的钢骨钢筋混凝土组合结构,梁、柱都是型钢埋入的SRC结构,在震后几乎没有发现损伤,由此证明了组合结构优良的抗震能力。

4)型钢混凝土组合结构含钢率不受限制,承载力高,刚度大。反过来讲,可以减小构件截面,增加建筑物使用面积和楼层净高。型钢混凝土框架较之钢框架可节省钢材达 50%以上,经济效益可观。

5)型钢混凝土组合结构可以二次受力。浇灌混凝土以前,型钢混凝土中的型钢有相当的承载力,可以悬挂模板,承受自重、后浇混凝土和施工荷载等第一阶段荷载。后浇混凝土养护结硬达到设计强度后,与型钢、钢筋形成整体,共同承受使用荷载。利用二次受力原理进行型钢混凝土梁的合理设计,可以减小梁的变形和裂缝宽度。

6)型钢混凝土组合结构显著加快施工速度。不必等待下层结构的混凝土达到预定强度就可继续上层施工,不需临时支撑,可实行土建和设备安装工序的平行流水作业。

7)型钢混凝土组合结构与钢结构相比,型钢混凝土组合结构的耐久性、耐火性能等均胜一筹。型钢混凝土构件的外包混凝土,可以阻止其中型钢的局部屈曲,并能显著改善型钢的出平面扭转屈曲性能,使钢骨的钢材强度得以充分发挥,节约钢材 50%以上。

8)经济效果好,适合我国国情;与钢结构相比,型钢混凝土结构用钢量大幅度减少。资料表明,型钢混凝土全框架结构较之钢框架结构可减少钢材用量 50%或者更多一些。与钢筋混凝土结构相比,型钢混凝土结构虽然用钢量有所增加,但有更好的适用性,即减少构件体积,增大使用空间,节省混凝土用量,减轻地基荷载,节省模板和支撑,可免除构件中的预埋件,有更好的抗震性能等,且建筑结构的综合效益优于钢筋混凝土结构。

3 组合结构缺点

由于组合结构具有如上优点,在国际上特别是在西方工业国家得到了迅速的发展和应用。在我国,组合结构的应用面还不大,主要是受到如下缺点的制约：

1)组合结构的防火性能不如混凝土结构,特别是在高层建筑中,结构防火问题尤为突出。2)组合结构需要进行防锈蚀处理。由于我国的钢结构应用相对较少,对钢材的防锈蚀问题研究的不多,在防锈蚀处理时多采用防锈蚀油漆,而在西方工业国家一般采用在钢材中加入抗腐蚀成分。这种钢材表面锈蚀后可形成保护层,锈蚀不会向内部发展。3)型钢混凝土构件既要求进行钢构件的制作和安装,又要求支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土,施工工序增多。4)在我国,对组合结构的理论研究还不够深入,理论对实践的指导也很不够,因而影响了组合结构在我国的推广和应用。

4 结语

改革开放以来,全国以经济建设为中心,国民经济得到了空前的发展,钢产量大幅度增加,每年以 10%左右的速度持续增长,1996年我国钢产量首次突破 1亿 t,跃居世界第一位。钢材的开发、计算的改进、新的结构体系的应用取得了很大的进展,为组合结构的发展奠定了坚实的物质基础。组合结构的优良性能和技术经济指标使它在我国有着更广泛的应用前景,随着试验研究和实际应用的不断发展,可以预见组合结构将迅速推广而成为继混凝土结构、钢结构之后的主要结构形式。

[1]严正庭.钢与混凝土组合结构计算构造手册[M].北京：中国建工出版社,1996.

[2]蒋家奋,汤关祚.三向应力混凝土[M].北京：中国铁道出版社,1988.

[3]钟善桐.钢管混凝土结构[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社,1994.

[4]张国正.组合结构[M].郑州：河南科学技术出版社,1989.

[5]朱聘儒.钢—混凝土组合梁设计原理[M].北京：中国建工出版社,1989.

On com bination structure in building

ZHANG Bing-bing

The paper introduces the characteristics of steel and concrete combination structure,illustrates the advantages of the combination structures which are common ly applied in projects athome,and analyzes the problems of the combination structure in China,so as to provide the direction for the further development of the combination structure.

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TU398

A

1009-6825(2011)09-0059-02

2010-11-29

张兵兵(1982-),男,助理工程师,山西新唐工程设计有限公司,山西太原 030006