鋼-混凝土組合結構的發(fā)展綜述

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

鋼—混凝土組合結構是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發(fā)展起來的一種新型結構，世界各國已經(jīng)將組合結構成功應用于許多超高層建筑及大跨徑橋梁結構。隨著我國經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，鋼混凝土組合結構也得以迅速發(fā)展，應用日愈廣泛，在高層結構、地下結構、大跨橋梁、結構加固等領域都涉及到組合結構的應用。

鋼-混凝土組合結構相較于一般鋼—混凝土復合結構，可以節(jié)省鋼材的數(shù)量。并且鋼-混凝土組合結構施工簡單，質量易于控制，可靠性合理，性能可靠，耐用性好，維護和使用成本低，交叉能力大，特別是在重載荷，鐵路橋梁結構和大跨度公路橋梁結構具有良好的應用前景。

二、鋼-混組合結構概述

鋼-混組合結構是在鋼結構和混凝土結構基礎上發(fā)展起來的,是優(yōu)良的新型的一種應用前景廣泛的結構，它是開發(fā)在鋼結構和混凝土結構基礎上的全優(yōu)組合?；炷梁弯摬氖莾蓚€主要的土木工程材料,它有自己的優(yōu)點和缺點?；炷敛牧暇哂械统杀?、受壓性能好,但同時也具有可憐的拉伸性能、大自重的特點,鋼材具有良好的變形能力和拉伸壓性能,但成本很高。組合結構合理組合兩種材料即鋼材和混凝土材料,充分利用鋼材和混凝土的優(yōu)點,鋼抗拉強度高,良好的可塑性和抗壓性能,充分利用材料的特性。組合結構同鋼筋混凝土結構相比，自重更輕,地震作用對其影響更小,截面尺寸更合理；同鋼結構相比，整體性也都得到了加強，降低結構造價，大大提高力學性能與經(jīng)濟性。鋼和混凝土在鋼-混凝土組合結構受力時表現(xiàn)出不同的力學性能，為了使兩者能夠協(xié)同工作，需要在連接部位設置剪力連接件，常見的鋼-混組合結構常規(guī)連接截面形式(如圖1)，隨著組合結構的快速發(fā)展，剪力連接件的研究發(fā)展也將加快步伐。

圖1 鋼-混組合結構常規(guī)截面

三、鋼-混組合結構的發(fā)展概況

鋼-混組合結構發(fā)展至今已經(jīng)歷100多年了。1879年在鐵路橋梁建設的時候,英國人以免鋼管內壁生銹,滿鋼管填滿混凝土材料，組合結構的應用由此就開始了。1897年,美國人約翰·拉萊柱提出了鋼管混凝土結構，他把鋼管混凝土結構作為主要的承重結構來研究,并提出了公式來估算鋼管混凝土結構的承載性能。在鋼-混凝土組合結構的研究中,美國、日本和歐洲比我國早,走在世界的前沿。然而從19世紀20年代開始才各國才開始對鋼-混組合結構進行了系統(tǒng)研究，其發(fā)展過程可歸述為三個階段：

1)19世紀20年代開始，鋼-混組合結構正真系統(tǒng)性研究正式開始，英國國家物理實驗室對外包混凝土鋼梁進行了試驗研究，他們的研究結果表明，鋼梁和混凝土能夠整體工作是由于他們之間的粘結作用；19世紀20年代末，Macking和Lash研究了鋼和混凝土之間的粘結作用，研究結果表明，在鋼、混凝土交界面上設置機械連接件可以增強結構的整體工作性能，還可以提高結構的極限承載能力；20世紀30年代開始，剪力連接件開始應用于鋼-組合結構，鋼-混組合結構從依靠粘結作用慢慢過渡到了依靠剪力連接件。

2)20世紀40年代以后，組合結構快速發(fā)展，美、歐、日等國對組合結構進行了大量的實驗，研究更加全面深入，并根據(jù)當時已有的的研究成果制定了相應的規(guī)范；1944年美國第一次的組合設計條款結構中添加AASHTO規(guī)范;1953年加拿大將加入國家結構組合設計規(guī)范規(guī)定;組合結構設計1954年在德國將加入國家相關設計規(guī)范的規(guī)定；二十世紀50年代末，組合結構的界面滑移理論提出了,他們通過大量的實驗研究提出了對梁的極限強度理論的組合設計,理論廣泛應用于實際工程；二十世紀60年代,紐馬克在復合梁上進行了試驗研究,提出了計算公式。

3)自1970年代以來,國家在復合結構設計規(guī)范越來越完善。組合結構開始廣泛應用于實際工程項目。國際聯(lián)合委員會頒布“復合結構規(guī)范”,該委員會在1985年的“標準”的基礎上,結合結構頒布“歐洲標準4”(EC4)；在此之前,學者們關注主要是在復合梁上,直到1972年德國建造世界上第一個組合梁斜拉橋,kurt-Schumacher橋,組合梁由此得到了世界的關注；1980年斜拉橋的發(fā)展更加迅速,1988年墨西哥建成了坦皮科橋，1995法國建立了諾曼底大橋,他們是典型組合梁斜拉橋；1991年建造Shengkou橋是亞洲最早的組合梁斜拉橋,Tatara橋建于1999年,曾創(chuàng)造了世界紀錄。

跟歐美國家相比較，在中國鋼-混組合結構的研究起步較晚，在1970年代，組合梁正逐漸應用于工程領域。1974時候的公路橋涵設計規(guī)范中僅僅提到了一點點組合梁的概念，此時對橋梁設計的應用價值是很小的；1988的鋼結構設計規(guī)范參考國外對結構設計規(guī)范相結合的基礎上加入了鋼與混凝土組合結構的相關內容；2003的鋼結構設計規(guī)范(GB 50017-2003)對舊標準的基礎上，把中國近些年鋼結構和鋼混組合結構研究的結果加進了規(guī)范中，最近幾年大量的復合材料結構設計補充內容和擴展。同時組合梁在中國的發(fā)展也比較快，溆浦橋1996建于上海，是中國的第一個組合梁斜拉橋，比日本生口橋橋跨大了100米。

四、結語

鋼-砼組合結構作為新型組合結構，憑借其兼有鋼結構和混凝土結構的優(yōu)點，在現(xiàn)代工程建設中應用廣泛，它能適應現(xiàn)代橋梁工程向更大跨度發(fā)展的需求，符合現(xiàn)代化施工技術的工業(yè)化要求。隨著理論研究的的深入和完善，新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應用，鋼-混凝土組合結構的良好受力性能和綜合經(jīng)濟效益將展示其美好的應用前景，在未來的工程結構中必將越來越受重視，在未來的工程結構建設中占據(jù)更重要的地位。

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