钢-混凝土组合结构的发展综述

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

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结构，世界各国已经将组合结构成功应用于许多超高层建筑及大跨径桥梁结构。随着我国经济建设的高速发展，钢混凝土组合结构也得以迅速发展，应用日愈广泛，在高层结构、地下结构、大跨桥梁、结构加固等领域都涉及到组合结构的应用。

钢-混凝土组合结构相较于一般钢—混凝土复合结构，可以节省钢材的数量。并且钢-混凝土组合结构施工简单，质量易于控制，可靠性合理，性能可靠，耐用性好，维护和使用成本低，交叉能力大，特别是在重载荷，铁路桥梁结构和大跨度公路桥梁结构具有良好的应用前景。

二、钢-混组合结构概述

钢-混组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的,是优良的新型的一种应用前景广泛的结构，它是开发在钢结构和混凝土结构基础上的全优组合。混凝土和钢材是两个主要的土木工程材料,它有自己的优点和缺点。混凝土材料具有低成本、受压性能好,但同时也具有可怜的拉伸性能、大自重的特点,钢材具有良好的变形能力和拉伸压性能,但成本很高。组合结构合理组合两种材料即钢材和混凝土材料,充分利用钢材和混凝土的优点,钢抗拉强度高,良好的可塑性和抗压性能,充分利用材料的特性。组合结构同钢筋混凝土结构相比，自重更轻,地震作用对其影响更小,截面尺寸更合理；同钢结构相比，整体性也都得到了加强，降低结构造价，大大提高力学性能与经济性。钢和混凝土在钢-混凝土组合结构受力时表现出不同的力学性能，为了使两者能够协同工作，需要在连接部位设置剪力连接件，常见的钢-混组合结构常规连接截面形式(如图1)，随着组合结构的快速发展，剪力连接件的研究发展也将加快步伐。

图1 钢-混组合结构常规截面

三、钢-混组合结构的发展概况

钢-混组合结构发展至今已经历100多年了。1879年在铁路桥梁建设的时候,英国人以免钢管内壁生锈,满钢管填满混凝土材料，组合结构的应用由此就开始了。1897年,美国人约翰·拉莱柱提出了钢管混凝土结构，他把钢管混凝土结构作为主要的承重结构来研究,并提出了公式来估算钢管混凝土结构的承载性能。在钢-混凝土组合结构的研究中,美国、日本和欧洲比我国早,走在世界的前沿。然而从19世纪20年代开始才各国才开始对钢-混组合结构进行了系统研究，其发展过程可归述为三个阶段：

1)19世纪20年代开始，钢-混组合结构正真系统性研究正式开始，英国国家物理实验室对外包混凝土钢梁进行了试验研究，他们的研究结果表明，钢梁和混凝土能够整体工作是由于他们之间的粘结作用；19世纪20年代末，Macking和Lash研究了钢和混凝土之间的粘结作用，研究结果表明，在钢、混凝土交界面上设置机械连接件可以增强结构的整体工作性能，还可以提高结构的极限承载能力；20世纪30年代开始，剪力连接件开始应用于钢-组合结构，钢-混组合结构从依靠粘结作用慢慢过渡到了依靠剪力连接件。

2)20世纪40年代以后，组合结构快速发展，美、欧、日等国对组合结构进行了大量的实验，研究更加全面深入，并根据当时已有的的研究成果制定了相应的规范；1944年美国第一次的组合设计条款结构中添加AASHTO规范;1953年加拿大将加入国家结构组合设计规范规定;组合结构设计1954年在德国将加入国家相关设计规范的规定；二十世纪50年代末，组合结构的界面滑移理论提出了,他们通过大量的实验研究提出了对梁的极限强度理论的组合设计,理论广泛应用于实际工程；二十世纪60年代,纽马克在复合梁上进行了试验研究,提出了计算公式。

3)自1970年代以来,国家在复合结构设计规范越来越完善。组合结构开始广泛应用于实际工程项目。国际联合委员会颁布“复合结构规范”,该委员会在1985年的“标准”的基础上,结合结构颁布“欧洲标准4”(EC4)；在此之前,学者们关注主要是在复合梁上,直到1972年德国建造世界上第一个组合梁斜拉桥,kurt-Schumacher桥,组合梁由此得到了世界的关注；1980年斜拉桥的发展更加迅速,1988年墨西哥建成了坦皮科桥，1995法国建立了诺曼底大桥,他们是典型组合梁斜拉桥；1991年建造Shengkou桥是亚洲最早的组合梁斜拉桥,Tatara桥建于1999年,曾创造了世界纪录。

跟欧美国家相比较，在中国钢-混组合结构的研究起步较晚，在1970年代，组合梁正逐渐应用于工程领域。1974时候的公路桥涵设计规范中仅仅提到了一点点组合梁的概念，此时对桥梁设计的应用价值是很小的；1988的钢结构设计规范参考国外对结构设计规范相结合的基础上加入了钢与混凝土组合结构的相关内容；2003的钢结构设计规范(GB 50017-2003)对旧标准的基础上，把中国近些年钢结构和钢混组合结构研究的结果加进了规范中，最近几年大量的复合材料结构设计补充内容和扩展。同时组合梁在中国的发展也比较快，溆浦桥1996建于上海，是中国的第一个组合梁斜拉桥，比日本生口桥桥跨大了100米。

四、结语

钢-砼组合结构作为新型组合结构，凭借其兼有钢结构和混凝土结构的优点，在现代工程建设中应用广泛，它能适应现代桥梁工程向更大跨度发展的需求，符合现代化施工技术的工业化要求。随着理论研究的的深入和完善，新型施工工艺的产生和高性能材料的应用，钢-混凝土组合结构的良好受力性能和综合经济效益将展示其美好的应用前景，在未来的工程结构中必将越来越受重视，在未来的工程结构建设中占据更重要的地位。

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