钢—混凝土组合结构的发展和应用

(广州大学 广东 广州 510006)

钢—混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型的结构,主要有压型钢板组合板、组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土和外包钢混凝土等五类。由于组合结构有节约钢材、提高混凝土利用系数、降低造价、抗震性能好、施工方便等优点,得到了迅速推广与应用,许多国家制定了相应的技术标准。我国对组合结构的研究和应用起步较晚,还没制定一部完整的钢—混凝土组合结构设计规程,限制了其推广与应用。

一、国内外钢—混凝土组合结构的早期发展

钢—混凝土组合结构的雏形最早于1894年出现于美国,当时出于防火的需要在钢梁外面包混凝土,但并未考虑混凝土与钢的共同受力。具有现代意义的钢-混凝土组合梁出现于20世纪20年代,并在30年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法。1908年美国首先对外包混凝土的钢柱进行了试验,此后的一系列研究证明混凝土的存在可以提高柱的承载力。60年代后当钢管结构得到应用后不久,又出现了在钢管内填充混凝土的钢管混凝土结构。由于两种材料之间的相互约束作用,钢管混凝土的性能比外包混凝土柱显著增强。早期的组合结构主要采用钢材与混凝土两种材料,将钢梁、混凝土板、钢管、钢骨等不同构件单元组合在一起共同工作。随着压型钢板、玻璃、FRP等新型材料以及高强度合金、高性能混凝土的开发应用,近年来组合结构的类型也在不断扩大。

我国在钢—混凝土结构方面大量的研究与应用始于20世纪80年代。1974年颁布的《公路桥涵设计规范(试行)》第五章中首次提到了组合梁的设计概念,并于1986年颁布的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025—86)中对有关组合梁的内容进行了补充。西安建筑科技大学与原冶金工业部建筑研究总院最早进行研究。继而西南交通大学、重庆建筑大学、中国建筑科学院、华南理工大学、东南大学、清华大学等高等院校、科研单位也展开了广泛的研究。2003年颁布实施的《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中有关组合梁一章的内容,在原规范基础上得到了进一步的充实和拓宽,增加了叠合板组合梁、连续组合梁等设计内容,吸收了我国近年来在钢-混凝土组合梁研究和应用领域的最新成果,并首次采用了较为精确的折减刚度法来计算组合梁的刚度。

二、钢—混凝土组合结构的研究发展和工程应用

(一)压型钢板与混凝土组合板。压型钢板混凝土组合楼板最初应用于欧美国家。当时把压型钢板主要作为浇筑混凝土的永久性模板及施工操作平台,并能使楼层立体作业,加快施工进度。为了使其能承受施工时混凝土的自重及施工活荷载,压型钢板必须保证一定的刚度,因此压制成带凹凸肋形。而使用阶段结构的承载及变形仍只考虑钢筋混凝土板的作用。但随着应用与研究的深入,发现压型钢板的存在能提高板的承载能力。因此,作为一种新的结构形式,组合板的研究日益深入广泛的开展。组合板设计计算的关键问题是解决压型钢板和混凝土之间的剪切计算。

(二)钢—混凝土组合梁。钢—混凝土组合梁在美、日、欧洲已经得到了广泛的应用,美国最早制定了设计规范,随后德国、英国和印度也制定了设计规范。我国起步较晚,改革开放以前,虽有少数工程用过组合梁,但是未考虑组合效应,而仅仅作为强度储备和为方便施工而已,也没有制定有关设计规范。近年来,清华大学开展了一系列开口和闭口截面组合梁在纯扭、弯扭以及弯剪扭等联合作用下的试验研究与理论分析工作。由于组合梁具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点,已被广泛应用于高层建筑、桥梁结构、结构的加固与修复等方面。

(三)型钢混凝土。型钢混凝土是在钢筋混凝土内含型钢的结构,比钢结构和钢筋混凝土具有许多优点,在工程中得到了广泛的应用。80年代后期,得到了较为系统的研究,并在一些高层建筑工程中应用。由于型钢混凝土与钢结构相比更耐久、更耐火,与钢筋混凝土相比有施工方便、延性好的优点,使得之越来越多地应用于工程实践。

(四)钢管混凝土。钢管混凝土是在劲性及螺旋配筋混凝土发展起来的,早期一般不考虑钢管对核心混凝土的约束作用而使承载力的提高。20世纪60年代后,该类结构得到深入的研究并被广泛应用,但往往采用壁厚较大的热轧管,且混凝土浇筑工艺未得到很好地解决,经济效果不明显,推广应用受到一定的影响。前苏联在五六十年代进行了大量的研究,并在工业厂房和拱桥结构中采用;美、英、德和法等国主要研究核心混凝土为素混凝土、配筋或型钢混凝土的钢管混凝土。60年代中,开始在厂房和地铁工程中采用;70年代后,在冶金、造船、电力等行业的工业厂房得到进一步的推广应用。由于钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、抗震性能好等优点,因此,广泛应用于下列建筑:1)高层和超高层建筑;2)桥梁结构;3)空间结构;4)单层和多层工业厂房柱。

三、钢—混凝土组合结构的研究及应用展望

组合结构在我国发展和应用的历史虽然不及欧美等发达国家历时长,但它在我国的发展势头已显示出强劲的生命力和广阔的应用前景。在可以预见的未来,组合结构在大跨桥梁和高层建筑领域有望发展成为与钢结构和混凝土结构并驾齐驱的主要结构形式。21世纪的组合结构,应当在钢-混凝土组合结构已有研究和应用成果的基础上,灵活运用组合概念在广义范围内研制和创造新的结构形式,并拓展组合结构的应用范围。因此,作者认为应当在新型组合构件的研发、组合结构体系的发展、组合加固技术的创新以及组合结构在其他领域内的应用开展进一步的工作。

四、结语

国自20世纪80年代以来对钢—混凝土组合结构逐渐进行了深入的试验研究和理论分析，在多层工业厂房、高层建筑、桥梁结构等方面都得到了较好的应用取得了良好的经济效益和社会效益。可以说钢一混凝土组合结构是21世纪一种非常有前景的结构形式。但由于它所涵盖的内容广泛而复杂，相关的设计理论和方法还不成熟，这需要在今后的研究应用中逐步完善。