鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

【摘 要】 鋼-混凝土組合梁是通過剪力連接件使鋼和混凝土形成一體共同工作的， 剪力連接件的主要作用是抵抗鋼與混凝土之間的滑移和分離。目前已用于施工的剪力鍵有：剪力釘、PBL鍵、PBH剪力鍵、PCSS剪力鍵。經(jīng)過幾十年的研究及工程實踐，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式， 又與之密切相關(guān)和交叉的結(jié)構(gòu)型式， 其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu) 剪力連接件

1 引 言

兩種不同性質(zhì)的材料組合成一個整體而共同工作的構(gòu)件稱為組合構(gòu)件，組合結(jié)構(gòu)是由組合構(gòu)件組成。組合結(jié)構(gòu)將不同的材料或構(gòu)件組合在一起共同工作，在設(shè)計時將各組成材料和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能進行整體考慮，最有效地發(fā)揮各種材料和構(gòu)件的優(yōu)勢[1]。

2 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

2.1 壓型鋼板與混凝土組合板

壓型鋼板與混凝土組合板是在壓型鋼板上澆筑混凝土，依靠鋼板上凹凸肋及不同的糟紋使鋼板與混凝土結(jié)合在一起而制成的組合板。它利用混凝土抗壓強度高、壓型鋼板受拉性能好的特點，使得材料合理受力，發(fā)揮各自的優(yōu)點。

2.2 鋼-混凝土組合梁

鋼-混凝土組合梁是將鋼筋混凝土板放置于鋼梁的上部，通過剪切連接件連接，使混凝土板與鋼梁組合在一起，整體共同工作而形成的組合梁。在組合梁中，混凝土位于受壓區(qū)，鋼梁主要位于受拉區(qū)，充分利用混凝土抗壓和鋼材抗拉的優(yōu)點，發(fā)揮了兩種材料的強度，并且由于混凝土作為梁翼緣的一部分，很大程度上避免了鋼梁結(jié)構(gòu)容易整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的弱點。

2.3 組合柱結(jié)構(gòu)

組合柱結(jié)構(gòu)包括鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱兩類。這兩類組合柱所利用的組合概念有所不同，鋼骨混凝土柱主要利用了混凝土對鋼柱的支持，而鋼管混凝土則同時利用了鋼管對混凝土的橫向約束作用提高了后者的強度和延性[3]。

2.3.1 鋼骨混凝土柱

鋼骨混凝土是在混凝土中配置型鋼，再加鋼筋和箍筋組合而成的。鋼骨混凝土柱中配置的型鋼形式可以分為實腹式與格構(gòu)式兩大類。前者的強度、剛度、延性均較好，遠比后者優(yōu)越。研究表明，它在抗震時吸收能量是空腹式的2倍。

2.3.2 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土是在鋼管中灌入混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)。它利用鋼管約束混凝土，將混凝土由單向受壓變?yōu)槿蚴軌?，混凝土的抗壓強度提?倍以上，混凝土的塑性性能提高使本屬于脆性的材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?，提高結(jié)構(gòu)的可靠度;另一方面內(nèi)填混凝土可以延緩和避免鋼管過早地發(fā)生局部屈曲。

2.4 鋼-混凝土組合框架

用鋼和混凝土組合成框架結(jié)構(gòu)，框架柱的結(jié)構(gòu)形式有： 鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱等結(jié)構(gòu)形式，框架梁有鋼梁、鋼骨混凝土梁、鋼-混凝土組合梁和鋼筋混凝土梁等結(jié)構(gòu)形式。

3 剪力鍵的發(fā)展

鋼-混凝土組合梁是通過剪力連接件使鋼和混凝土形成一體共同工作的，剪力連接件的主要作用是抵抗鋼與混凝土之間的滑移和分離[4]。目前已用于施工的剪力鍵有：剪力釘、PBL剪力鍵、PBH剪力鍵、PCSS剪力鍵。

3.1 剪力釘

剪力連接件出現(xiàn)于20世紀(jì)初，1903年JuliusKahn因發(fā)明了一種組合梁而獲得美國的專利，這種組合梁通過梁翼緣向上彎起的部分以增加鋼與混凝土之間的抗力。剪力鍵作為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵傳力部件，能將鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料連接成受力整體，發(fā)揮各自的優(yōu)點，改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

3.2 PBL剪力鍵

PBL剪力鍵的雛形出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，德國斯圖加特大學(xué)的研究人員研究了在組合梁的鋼梁上翼緣表面疊焊鋼板并在鋼板上開方孔的剪力連接方式。

3.3 PBH剪力鍵

作為鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，剪力連接件把有較大彈性模量差別的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)連接成整體而共同工作，防止界面處過出現(xiàn)大滑移和分離。在優(yōu)化組合拱橋設(shè)計和施工的背景下提出了鋼箱混凝土組合拱橋，并針對鋼箱混凝土組合構(gòu)件提出了一種基于PBL的新型剪力鍵-開孔加勁肋套箍剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造（簡寫為PBH）。

3.4 PCSS剪力鍵

在鋼-混凝土組合梁中，一般剪力釘?shù)乃ㄡ斴S向垂直焊接于鋼梁的上翼緣頂面，或者栓釘與混凝土板平行布置，通過現(xiàn)澆混凝土實現(xiàn)橋面板與鋼結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)，然而現(xiàn)澆混凝土?xí)箻蛎姘彘_裂、增加梁體下?lián)系取榭朔炷潦湛s徐變帶來的病害，可采用全裝配式鋼-混凝土組合梁。全裝配式鋼-混凝土組合梁無需現(xiàn)澆混凝土，可縮短現(xiàn)場施工工期，推動橋梁裝配化的發(fā)展。為適應(yīng)全裝配式鋼-混凝土組合梁的裝配化施工工藝，需對剪力釘?shù)牟贾眯问阶鱿鄳?yīng)調(diào)整，提出了預(yù)制裝配式組合剪力釘（簡稱PCSS）。

4 結(jié)語

組合結(jié)構(gòu)將多種材料或構(gòu)件通過某種方式組合在一起共同工作， 組合后的整體工作性能要明顯優(yōu)于各自性能的簡單疊加。經(jīng)過幾十年的研究及工程實踐，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式， 又與之密切相關(guān)和交叉的結(jié)構(gòu)型式， 其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域。

【參考文獻】

[1] 聶建國， 樊健生. 廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2006， 27（6）：1-8.

[2] 聶建國， 余志武. 鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報， 1999， 32（2）：3-8.

[3] 夏再海. 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用[J]. 福建建材， 2007（2）：70-72.

[4] 張瑞云， 劉杰. 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究與實踐[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版， 2006， 19（2）：1-5.

作者簡介：方金（1992.07.26--），男，碩士研究生在讀，單位：重慶交通大學(xué)，研究方向：組合結(jié)構(gòu)橋梁