钢—混凝土组合结构的研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

钢—混凝土组合结构的研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

针对钢—混凝土组合结构的受扭承载力、抗火性能、节点抗震性能进行了详细的实验研究，对比分析了钢—混凝土组合结构与普通混凝土结构的性能，指出钢—混凝土组合结构由于混凝土内部型钢的存在可使组合试件的性能得到更好的发挥。

钢—混凝土组合结构，受扭，节点抗震，抗火性能

钢—混凝土组合结构是混凝土结构和钢结构组合形成的新型结构，自身具备钢结构和混凝土结构的优点，相比混凝土结构自重更轻，抗震性能更强，延性也更加优秀，与钢结构相比耐火及抗压性能更强。适合我国的中高层建筑领域，适用在工业建筑、民用建筑及大跨度桥梁等结构中，随着建筑荷载复杂性的提高和建筑安全性能的要求越来越高，钢—混凝土组合结构能有效的降低造价、缩短工期。

1 钢—混凝土组合结构受扭分析

试验持续过程可以分为四个阶段：1)线弹性发展阶段。在这个阶段中可以发现，组合梁平衡扭矩的方式是通过翼缘正截面上存在的剪应力来达到，此时作用在钢梁自身的扭矩相对很小。2)当钢梁截面的主拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时，混凝土表面开始出现裂纹，组合梁受到的扭矩突然增大，在应力—应变曲线上形成明显的台阶状。3)随着外界作用在组合梁上的荷载不断增大，混凝土表面的裂缝不断发展变宽变长，此时组合梁的抗扭强度不断下降，因扭动产生的变形加快，当荷载达到一定值时组合梁内部箍筋开始屈服。4)在荷载不断增大的过程中，混凝土翼缘板上开始出现分布均匀的斜裂缝并逐渐贯通截面上下，进入不稳定的发展阶段，部分混凝土因受压扭开始破坏，脱离主体，内部钢筋也开始屈服，此时组合梁完成受扭破坏。受扭承载力影响因素分析:组合梁承受的弯矩主要由混凝土翼板承担，综合考虑分析得极限承载力的主要影响因素是翼板的截面面积，如果提高翼板构件的厚度可以发现组合梁的受扭承载力会显著提高，相对提高翼板厚度来说增加配箍率对承载力的提升影响很小。实验中，当各方面作用相同时，组合梁的抗扭承载力是在配箍率为0.5%左右时达到最大，其他配箍率情况对承载力影响也不是很大。

2 钢—混凝土抗火性能分析

为分析钢—混凝土的抗火性能，特将荷载分为五个等级，按分级加载至最大荷载。在实验中发现，点火升温一段时间后，钢—混凝土试件背火面有水层冒出。30 min后随着温度的持续升高水分开始蒸发，水蒸气从混凝土表面和钢板的结合处的缝隙中流出，随着时间的增加水蒸气量渐渐增大，出现水雾现象。大约40 min后出现在混凝土表面的水层开始减少并逐渐消失。1 h左右，由于混凝土内部存在的水分在高温下蒸发，但有部分水蒸气在混凝土的堵塞下不能从裂隙中冒出，此时在混凝土的封闭空隙中积聚产生了蒸汽高压，高压的存在使混凝土开始爆裂，伴随着的是轻微的混凝土爆裂声，部分混凝土碎片随着爆裂离开试件主体。观察组合试件的顶部并未发现特别明显的裂缝产生，对比此时试件与常温下没有明显的不同。实验再持续10 min混凝土顶面开始出现了一条贯穿试件的主裂缝，这条裂缝使试件的承载力显著下降，继续观察其他部位，这些部位只是出现细小裂缝，没有出现严重的破坏。最为明显的变化是在跨中出现防火保护层脱落的现象。根据此现象推知跨中的变形最大，位移变形达到试件跨度的1/20，对钢—混凝土抗火性能的影响最为严重，因为破坏试件无法继续承载，此时组合试件的两端出现钢板因受热不断膨胀而与混凝土脱开发生破坏。

实验结果分析：对于组合梁来说，混凝土表面一旦出现了贯通上下的主裂缝就标志着梁已经破坏。主裂缝的出现伴随着表层混凝土的脱落，混凝土内部的型钢暴露出来，开始接触外部的高温作用，型钢在高温作用下出现软化，部分型钢在高温作用下出现了较明显的变形屈服。实验结果分析显示，在跨中跨度达到试件跨度的1/20时试件的变形速度加快，作者认为在高温条件下，跨中挠度变形超过1/20即可认为组合梁已经丧失耐火能力。

3 钢—混凝土组合结构节点抗震性能分析

为研究组合梁与柱连接处的抗震能力，特进行实验加载分析。先在柱的两端施加竖向荷载，模拟地震发生时的竖向荷载，与此同时在组合梁的两端加入大小不断变化的荷载。荷载持续加入一段时间，观察梁和柱的变化发现，在反向荷载加入到20 kN左右的时候，在组合梁与柱连接的表面处开始出现不明显的细小裂缝，荷载继续施加，随着时间的延长裂缝不断发展，同时裂缝的宽度和长度均有明显增大，发展良好。继续增加荷载，因为连接处受力复杂，在外力的不断作用下，连接处变成了塑性铰出现变形。在塑性铰形成的同时，混凝土表面出现了上下贯通的裂缝，内部钢筋暴露出来，在重复荷载的作用下钢筋开始屈服，屈服后钢筋继续承受荷载作用，因为钢筋强化作用的存在，组合梁可以继续工作，一旦钢筋达到抗拉强度便开始破坏，这也标志着组合梁的彻底破坏。再观察节点处，节点的核心区域并未出现斜裂缝，作者认为柱的刚度比梁的刚度大得多，钢梁的腹板在没有达到屈服时柱的剪切变形也很小。继续加大荷载，在柱的表面出现了不断发展的竖向裂缝，柱子也开始发生破坏。当梁与柱的连接处开始出现轻微的裂缝时节点即可认为是破坏。此实验按照“强柱弱梁节点更强”的原则进行。

实验结果分析：组合梁与柱的连接处和混凝土梁柱节点略有不同，因为组合梁与柱的连接处存在型钢，在荷载的作用下承载力和刚度比混凝土都要大，混凝土发生破坏时，型钢可以替代混凝土继续承载工作，充分说明了组合梁与柱的节点的延性也更强，可以避免节点在复杂荷载作用下发生脆性破坏。

4 结语

钢筋混凝土组合梁与普通混凝土对比有很大优势，实验过程也表明混凝土组合梁拥有较轻的自重，刚度也更大，承载力提升明显，在抗震方面的抗性也更强。可以广泛的应用在工业厂房、高层建筑等大型结构中，随着我国建筑行业的快速发展，钢筋混凝土组合梁也得到了设计、施工单位的认可，其广泛推广和应用也必将带来更好的综合效益。

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Study on steel-concrete composite structure

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The article studies torsion bearing capacity, fire-resistance performance and joint seismic resistance performance of steel-concrete composite structure, compares steel-concrete composite structure performance to common concrete structure performance, and points out that: steel-concrete composite structure plays better performance role owing to internal steel existing in concrete.

steel-concrete composite structure, torsion, joint seismic resistance, fire-resistance performance

2014-11-25

张 瑾(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)04-0043-02

TU398

A