鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用

(廣州大學 廣東 廣州 510006)

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu),主要有壓型鋼板組合板、組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土和外包鋼混凝土等五類。由于組合結(jié)構(gòu)有節(jié)約鋼材、提高混凝土利用系數(shù)、降低造價、抗震性能好、施工方便等優(yōu)點,得到了迅速推廣與應(yīng)用,許多國家制定了相應(yīng)的技術(shù)標準。我國對組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚,還沒制定一部完整的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程,限制了其推廣與應(yīng)用。

一、國內(nèi)外鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的早期發(fā)展

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的雛形最早于1894年出現(xiàn)于美國,當時出于防火的需要在鋼梁外面包混凝土,但并未考慮混凝土與鋼的共同受力。具有現(xiàn)代意義的鋼-混凝土組合梁出現(xiàn)于20世紀20年代,并在30年代中期出現(xiàn)了鋼梁和混凝土翼板之間的多種抗剪連接構(gòu)造方法。1908年美國首先對外包混凝土的鋼柱進行了試驗,此后的一系列研究證明混凝土的存在可以提高柱的承載力。60年代后當鋼管結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用后不久,又出現(xiàn)了在鋼管內(nèi)填充混凝土的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。由于兩種材料之間的相互約束作用,鋼管混凝土的性能比外包混凝土柱顯著增強。早期的組合結(jié)構(gòu)主要采用鋼材與混凝土兩種材料,將鋼梁、混凝土板、鋼管、鋼骨等不同構(gòu)件單元組合在一起共同工作。隨著壓型鋼板、玻璃、FRP等新型材料以及高強度合金、高性能混凝土的開發(fā)應(yīng)用,近年來組合結(jié)構(gòu)的類型也在不斷擴大。

我國在鋼—混凝土結(jié)構(gòu)方面大量的研究與應(yīng)用始于20世紀80年代。1974年頒布的《公路橋涵設(shè)計規(guī)范(試行)》第五章中首次提到了組合梁的設(shè)計概念,并于1986年頒布的《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 025—86)中對有關(guān)組合梁的內(nèi)容進行了補充。西安建筑科技大學與原冶金工業(yè)部建筑研究總院最早進行研究。繼而西南交通大學、重慶建筑大學、中國建筑科學院、華南理工大學、東南大學、清華大學等高等院校、科研單位也展開了廣泛的研究。2003年頒布實施的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)中有關(guān)組合梁一章的內(nèi)容,在原規(guī)范基礎(chǔ)上得到了進一步的充實和拓寬,增加了疊合板組合梁、連續(xù)組合梁等設(shè)計內(nèi)容,吸收了我國近年來在鋼-混凝土組合梁研究和應(yīng)用領(lǐng)域的最新成果,并首次采用了較為精確的折減剛度法來計算組合梁的剛度。

二、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展和工程應(yīng)用

(一)壓型鋼板與混凝土組合板。壓型鋼板混凝土組合樓板最初應(yīng)用于歐美國家。當時把壓型鋼板主要作為澆筑混凝土的永久性模板及施工操作平臺,并能使樓層立體作業(yè),加快施工進度。為了使其能承受施工時混凝土的自重及施工活荷載,壓型鋼板必須保證一定的剛度,因此壓制成帶凹凸肋形。而使用階段結(jié)構(gòu)的承載及變形仍只考慮鋼筋混凝土板的作用。但隨著應(yīng)用與研究的深入,發(fā)現(xiàn)壓型鋼板的存在能提高板的承載能力。因此,作為一種新的結(jié)構(gòu)形式,組合板的研究日益深入廣泛的開展。組合板設(shè)計計算的關(guān)鍵問題是解決壓型鋼板和混凝土之間的剪切計算。

(二)鋼—混凝土組合梁。鋼—混凝土組合梁在美、日、歐洲已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,美國最早制定了設(shè)計規(guī)范,隨后德國、英國和印度也制定了設(shè)計規(guī)范。我國起步較晚,改革開放以前,雖有少數(shù)工程用過組合梁,但是未考慮組合效應(yīng),而僅僅作為強度儲備和為方便施工而已,也沒有制定有關(guān)設(shè)計規(guī)范。近年來,清華大學開展了一系列開口和閉口截面組合梁在純扭、彎扭以及彎剪扭等聯(lián)合作用下的試驗研究與理論分析工作。由于組合梁具有抗疲勞性能好、承載力可靠、節(jié)約鋼材、降低梁高和增強梁的剛度的優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的加固與修復等方面。

(三)型鋼混凝土。型鋼混凝土是在鋼筋混凝土內(nèi)含型鋼的結(jié)構(gòu),比鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土具有許多優(yōu)點,在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。80年代后期,得到了較為系統(tǒng)的研究,并在一些高層建筑工程中應(yīng)用。由于型鋼混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比更耐久、更耐火,與鋼筋混凝土相比有施工方便、延性好的優(yōu)點,使得之越來越多地應(yīng)用于工程實踐。

(四)鋼管混凝土。鋼管混凝土是在勁性及螺旋配筋混凝土發(fā)展起來的,早期一般不考慮鋼管對核心混凝土的約束作用而使承載力的提高。20世紀60年代后,該類結(jié)構(gòu)得到深入的研究并被廣泛應(yīng)用,但往往采用壁厚較大的熱軋管,且混凝土澆筑工藝未得到很好地解決,經(jīng)濟效果不明顯,推廣應(yīng)用受到一定的影響。前蘇聯(lián)在五六十年代進行了大量的研究,并在工業(yè)廠房和拱橋結(jié)構(gòu)中采用;美、英、德和法等國主要研究核心混凝土為素混凝土、配筋或型鋼混凝土的鋼管混凝土。60年代中,開始在廠房和地鐵工程中采用;70年代后,在冶金、造船、電力等行業(yè)的工業(yè)廠房得到進一步的推廣應(yīng)用。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性能較好、抗震性能好等優(yōu)點,因此,廣泛應(yīng)用于下列建筑:1)高層和超高層建筑;2)橋梁結(jié)構(gòu);3)空間結(jié)構(gòu);4)單層和多層工業(yè)廠房柱。

三、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用展望

組合結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展和應(yīng)用的歷史雖然不及歐美等發(fā)達國家歷時長,但它在我國的發(fā)展勢頭已顯示出強勁的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。在可以預(yù)見的未來,組合結(jié)構(gòu)在大跨橋梁和高層建筑領(lǐng)域有望發(fā)展成為與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)并駕齊驅(qū)的主要結(jié)構(gòu)形式。21世紀的組合結(jié)構(gòu),應(yīng)當在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已有研究和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,靈活運用組合概念在廣義范圍內(nèi)研制和創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形式,并拓展組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。因此,作者認為應(yīng)當在新型組合構(gòu)件的研發(fā)、組合結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展、組合加固技術(shù)的創(chuàng)新以及組合結(jié)構(gòu)在其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用開展進一步的工作。

四、結(jié)語

國自20世紀80年代以來對鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)逐漸進行了深入的試驗研究和理論分析，在多層工業(yè)廠房、高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等方面都得到了較好的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益?？梢哉f鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)是21世紀一種非常有前景的結(jié)構(gòu)形式。但由于它所涵蓋的內(nèi)容廣泛而復雜，相關(guān)的設(shè)計理論和方法還不成熟，這需要在今后的研究應(yīng)用中逐步完善。