钢与混凝土组合结构漫谈

李明芳

摘要：众所周知，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。

关键词：钢；混凝土；组合结构；钢管混凝土

中图分类号：TU398+.5 文献标识码：A

由于新材料的发展和现有结构材料的优化组合，使组合结构在世界发展迅速。组合结构是由两种或两种以上不同受力性质的建筑材料组成的构件或结构，在荷载作用下能够共同受力、变形协凋的结构，称之为组合结构。组合结构拥有不同材料各自优良性能的特点，使得不同材料的力学性能得到充分的发挥，具有较大延性，抗震性能好、造价低，施工方便。

一、组合结构的分类

人们通常将钢与混凝土组合结构大致分为四类：1、钢—混凝土组合梁是由钢梁和楼板通过剪力连接件而组成。混凝土楼板有现浇混凝土板、预制混凝土板、压型钢板组合板。钢梁与楼板间通过栓钉连接件连成整体，保证钢梁与楼板共同工作； 2、压型钢板混凝土组合楼板是在带有各种形式的凹凸肋或各种形式槽纹的钢板上浇混凝土而制成的组合楼板，它是依靠各种凹凸肋或各种形式的槽纹将钢板与混凝土连接在一起；3、型钢混凝土组合结构构件是由型钢、纵筋、箍筋及混凝土组合而成，即核心部分有型钢结构构件，其外部则为以箍筋约束并配以适当的纵向受力钢筋的混凝土结构。型钢混凝土组合结构分为以下两类：(1)全部结构构件均采用型钢混凝土结构；(2)部分结构采用型钢混凝土结构。型钢混凝土梁、柱是型钢混凝土结构基本构件。型钢混凝土组合结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用，有时也设抗剪连接件。4、钢管混凝土组合结构构件是指用混凝土填人薄钢管内形成的结构构件。钢管混凝土组合结构是指其主要构件采用钢管混凝土杆件所组成的结构。目前，在工程中应用最多的是钢管混凝土柱，其截面形式有圆形、矩形、方形、多边形，用的最多的是圆形；钢管混凝土组合结构的共同工作则主要是依靠钢管与混凝土的相互约束、层间横隔板等形成。【1】

二、组合结构的特点

1、钢—混凝土组合梁的特点

(1)组合梁能合理地利用材料，充分发挥钢和混凝土各自的材料特性，与钢结构相比，节约钢材20％一40％。(2)组合梁比钢筋混凝土梁节约混凝土，减轻自重且截面高度小。(3)组合梁截面的上翼缘为宽大的混凝土板，增强了组合梁的侧向刚度，可以防止钢梁在使用荷载下发生扭曲失稳。(4)组合梁的整体性、抗剪性能好，耗能能力强，因而表现出良好的抗震性能。(5)钢梁在施工阶段可以作为混凝土板支承，可以简化施工工艺。(6)组合梁的耐火性能差，需要涂耐火性的涂料来提高钢梁的耐火性。

2．压型钢板混凝土组合板的特点

(1)施工工期短。压型钢板作为混凝土楼板的永久模板，取消了现浇混凝土所需的模板与支撑系统，免除了支模和拆模的施工工序，加快了施工进度。(2)自重轻，节约钢材。压型钢板不仅可以作为混凝土板的永久型模板，还可以起到组合板中受拉钢筋的作用。这样，只在楼板支撑处设置抵抗负弯矩的钢筋即可，省去了钢筋的敷设和绑扎工作。由于压型钢板自重轻，减小了结构作用效应，从而使梁、柱截面尺寸减小，设计更加经济合理的地基与基础。(3)增加结构的抗震性能。组合楼板不仅增强了竖向刚度，而且压型钢板组合楼板和钢梁起着加劲肋的作用，因而有很好的抗震和抗风的作用。(4)防火性能差。压型钢板作为组合楼板的受力钢筋，外表无保护，当遇到火灾时，耐火时间短，所以应在板底涂防火涂料。

3、型钢混凝土组合结构特点型钢混凝土组合结构与钢结构相比具有以下特点

(1)耐火性能好。包裹在型钢外的钢筋混凝土，可取代型钢外所涂的防锈和防火涂料，由于混凝土的蓄热较大，可以提高构件的耐火性能。(2)节约钢材。采用型钢混凝土组合结构的高楼可以节约钢材50％左右。(3)兼做模板支架。型钢混凝土结构的型钢，在混凝土尚未浇之前即已形成钢架，已具有相当大的承载力，可用作施工模板支架和操作平台。型钢混凝土组合结构与混凝土结构相比具有以下特点：(1)整体工作性能好。型钢骨架与外包钢筋混凝土形成整体，共同受力。(2)截面尺寸小。钢筋混凝土受到配筋率的限制，提高承载力的途径只能是加大截面尺寸，而型钢混凝土组合结构可以设置较大的型钢，在截面尺寸相同的条件下，可以提高构件的承载力。(3)构件截面延性好。由于构件中型钢的作用，型钢混凝土组合结构的延性远高于钢筋混凝土结构。

4、钢管混凝土组合结构特点与钢结构、混凝土结构相比具有以下特点：

（1）构件承载力高。当钢管混凝土构件轴心受压时，由于产生紧箍效应，核心混凝土的强度大大提高，而钢管也能充分发挥强度作用，因而构件的抗压承载力高。(2)具有良好的塑性和韧性。单纯混凝土受压属于脆性破坏，但管内的核心混凝土在钢管约束下，不但在使用阶段提高了弹性，扩大了弹性工作的阶段，而且破坏时产生很大的塑性变形。(3)经济效益显著。与钢结构相比，可节约钢材50％左右，造价也可降低。 (4)施工方便，可大大缩短工期。

三、组合结构的发展与应用

1、钢—混凝土组合梁

钢—混凝土组合梁试验研究始于20世纪20年代初，在这一时期，钢—混凝土组合梁按弹性理论进行分析，其基本原理是将组合截面换算成同一材料的截面，然后根据初等弯曲理论进行截面计算和设计。60年代以后，则逐渐转入塑性理论分析，探讨了组合梁的破坏形态、极限承载力、荷载与滑移的关系以及连续组合梁的性能和塑性内力重分布的规律，并建立了相应的计算公式。在国外，钢—混凝土组合梁最早应用在桥梁结构中，随着理论研究工作的发展，将钢—混凝土组合梁应用到建筑工程中。我国在20世纪60年代，将钢—混凝土组合梁应用到建筑工程及桥梁结构中，并建立了相应的设计和施工规范。【2】

2、压型钢板混凝土板组合楼盖

20世纪60年代前后，日本等国家大量兴建多层及高层建筑，采用压型钢板作为楼板的永久模板或用作施工作业平台。随后，结构工程师发现在压型钢板表面上做出凸凹不平的齿槽，使它与混凝土粘结成整体共同受力，可以作为楼板的部分纵向受力钢筋使用。60年代末，美国钢结构学会和国际桥梁结构工程联合会制定了组合结构统一规定。20世纪70年代以来，组合楼盖结构试验和理论研究工作有了新的发展。欧洲钢结构协会(ECCS)于1981年制定的《组合结构规程及说明》、欧洲经济共同体(EEC)建筑与土木工程部1985年制定的统一标准规范《钢与混凝土组合结构》，都有组合楼盖的规定。20世纪80年代，我国在组合楼板技术方面的研究和应用方面发展迅速。1984年，冶金工业部冶金建筑研究总院对压型钢板的选型、抗剪连接件等配套技术进行了大量的开发、研究与应用，制定了冶金行业标准《钢—混凝土组合结构楼盖设计与施工规程》(YB9238—92)，国家标准《钢结构设计规范》(GB50017—2003)、电力行业标准《钢—混凝土组合结构设计规范》(DL／T5085—1999)等对压型钢板—混凝土组合楼盖设计作了规定。1984年以来，我国兴建的高层钢结构建筑中大部分采用组合楼盖。

3、型钢混凝土组合结构

日本在1905年建造了第一栋型钢混凝土柱的组合结构，1921年日本采用型钢混凝土结构建成了兴业银行，总面积1500m左右，总高为30m，在1923年东京大地震中几乎完整无损。在以后的地震调查中，发现结构变形能力对结构物抗震性能具有重要意义，从此开始对型钢混凝土结构的延性进行研究。日本在1987年对《型钢混凝土结构计算标准》进行了第五次修订，欧洲也进行了大量的型钢混凝土结构的研究和应用。欧洲统一规范《组合结构规范》中也包括型钢混凝土结构的设计规定。我国从20世纪50年代中期应用型钢混凝土结构，进入80年代以后，随着经济的发展，我国开始进行型钢混凝土结构的研究和应用，并制定了建设部行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》(GJl38—2001)，冶金行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》等。【3】

4、钢管混凝土结构

从20世纪60年代中期钢管混凝土开始进入我国。它在我国的应用和发展经历了两个阶段，60年代中期到80年代中期为应用推广阶段，从80年代中期迄今为提高发展阶段。应用推广阶段的特点是：从厂房柱开始迅速推广应用到各种工业建筑中，在这一阶段采用钢管混凝土柱单层厂房的有大连造船厂的船体车间、太原钢铁公司连铸车间、鞍山钢铁公司新轧炼钢炼铸车间，还应用于首都地铁l号线和北京站、前门站两个站台工程中。提高发展阶段的特点是：推广应用到高层建筑和公路拱桥领域，发展十分迅速，同时在理论研究方面取得了进展，逐步形成了完整的理论体系和独立的新学科。在这一阶段经历了由局部采用、大部分采用到全部采用钢管混凝土柱的过程。已建成的有北京的世界金融大厦、深圳的赛格广场大厦，它是世界目前最高的钢管混凝土高层建筑。钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式主要是拱式结构，拱式结构跨度很大，拱肋承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土结构是十分合理的。而且，在施工时加工成型后的空钢管骨架刚度很大、承载力高、重量轻，可以解决转体结构的承载力、刚度和转体重量的矛盾，解决拱桥材料向高强度发展和无支架施工拱圈轻型化两大问题，因此深受桥梁工程师的青睐。起初，人们对钢管混凝土的研究和设计采用传统的叠加法，即分别研究钢管和核心混凝土的工作性能和极限承载力。随着研究的深人，人们把钢管混凝土视为一种新的组合材料统一体，并根据统一体的工作性能指标，来建立计算构件的承载力、刚度、变形等关系式。【4】

四、结语

因为钢与混凝土组合结构具有明显的优点，所以在我国发展较为迅速，但是目前相关规范还不完善，不健全，有些原理还有待我们深入研究。

参考文献

[1]薛建阳.钢与混凝土组合结构设计原理[M].2010.北京:科学出版社

[2]王连光.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].2005.北京:科学出版社

[3]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].2001.北京:科学出版社

[4]张培新.钢-混凝土组合结构设计[M] .2004.上海:上海科学技术出版社