型钢混凝土梁构件施工阶段的受力性能及其施工工艺

恩学斌

摘    要：我国的建筑工程行业随着市场需求激增而飞速发展，同时施工工艺方面也在市场刺激下不断优化，这些年施工方根据工程实践反馈结果总结经验后不断做出各种改善。例如，通过将型钢与钢筋、混凝土材料组合形成的结构，通过三者的共同作用来抵抗外部应力。这种方式可以自由组合成许多个品种的构件，较其他常规结构在承载能力、刚度、抗震性能方面都表现得更为优秀，这种结构从横截面来看型钢全部被包在混凝土内部，80年代后逐步被广泛和深入地运用在地震频发区的高层建筑、海洋工程、城市立交桥、桥梁、铁路、大跨度公路、工业厂房、超高层建筑等工程当中。但因为我国对于整个型钢混凝土结构的研究和使用仍然处在初级阶段，经验不足，没有较为系统地完整施工方法，这种结构在多样性和施工的复杂性的荷载作用下始终还是缺乏足够施工经验和性能研究，本文从理论上分析了型钢混凝土结构梁的荷载性能，并且研究了混凝土施工振捣对构件的影响情况，其中包括施工机具和操作人员荷载、模板重量与混凝土重量，通过公式进行弯矩的计算。详细探讨了型钢混凝土的梁和类似不同构件的制作工艺和流程，其中着重介绍了构件的制作方法和注意要点，希望能够为型钢混凝土梁构件在我国的发展前景介绍给后来者。

关键词：型钢混凝土;施工;受力性能

1  概述

型钢混凝土结构从横截面看是由型钢、钢筋、混凝土三种材料组合而成，其中型钢全部被混凝土包裹在内部，根据三种材料的使用比例、位置不同可以组合成许多个品种的构件，如此组合较其他常规结构在承载能力、刚度、抗震性能方面都表现得更为优秀，更加适合现在各类大胯结构，地震频发区的高层建筑、高耸建筑。由于型钢混凝土结构在我国处于初级使用阶段，专业的学术理论研究和实践的施工经验相对贫乏。本文从理论上分析了型钢混凝土梁正截面在施工阶段的荷载性能，荷载性能主要测量施工阶段的混凝土自重、模板的重量、操作人员和施工机具的重量、振捣混凝土对构件的影响，并给出受弯承载力的计算方式。本文对于型钢混凝土梁构件相对于传统的钢筋混凝土构件的优缺点进行了讨论，着介绍了型钢混凝的制作工艺和流程，以及他的受力特点。在国际上因为型钢混凝土构件出现的相对较晚，具体受力标准还没有形成统一的标准，但截面计算方法相对比较普遍，应用的也比较广泛，也是我们着重介绍的一种方法 [1]。

2  型钢混凝土结构的类型及特点

2.1  型钢混凝土结构的类型

型钢混凝土结构一般分为两种，一种空腹式，一种实腹式，都是将型钢置放进混凝土当中。实腹式的根据横截面不同可以有很多种，比如圆形、矩形、王字形、L形、H形、T形、工字形等等，多是由型钢或钢板组成。而空腹式的型钢则在材料的节省方面比实腹型更为优秀，他们可以由缀条或缀板将槽钢和角钢连接在一起，它们的抗震效果更为优秀，但是，这种结构的型钢混凝土在在延展性方面不太理想，不如实腹型。我国建筑早期应用空腹式较多，但从70年代开始普遍更替采用实腹式[2]。型钢混凝土从置入型钢的位置在截面形状有可以分为规则截面和不规则截面，目前建筑中多采用规则截面形式即型钢及混凝土从横截面看上下左右布置对称，不规则截面主要应用于许多特殊情况下。

2.2  型钢混凝土结构的特点

（1）良好的抗风抗震性能。由于置入了抗拉亚性的型钢，而且型钢被包裹在混凝土的内部，受到混凝土产生的约束力，使得型钢混凝土构件获得了更高的韧性，这种结构与传统的铁筋混凝土相比具备更好的力学性能。通过良好的设计，型钢构件可以在地震有有较好的震能消耗，在高层风压下也能有良好的耗能表现[3]。

（2）综合经济效益高。工程建设的经济效益是衡量工程的重要指标之一。从建设成本角度来看，型钢混凝土结构中钢材用量只有钢结构的百分之三十左右，构件的梁截面尺寸减小同时减小了结构总高度，从而整个房屋造价成本大幅降低;从保养方面看，型钢结构的钢材被混凝土包裹，完美克服了钢结构的锈化和腐化，既提高了防火性能，又减少了维护工作;从建筑布置灵活方面看，型钢混凝土建筑由于承重构件截面尺寸下，占据空间更低，使建筑的使用面积大大增加。

（3）施工便捷，缩短周期。型钢本身的承载能力很强，即便没有浇灌也具有一定的承载能力，所以在浇筑混凝土的时候可以不用另设支撑而是直接将模板挂在型钢上，这样可以一定程度上节省支撑材料和减少支模的工作量，在工序上因为不用考虑混凝土要达到某个强度才能继续上层施工作业，大大的缩短了施工工期。

（4）型钢混凝土的缺点。[①]由于繁琐复杂的节点配筋构造，组合结构缺乏关键的连接构造技术，导致工程施工困难，需要进一步做详细研究。[②]型钢混凝土的缺陷之一是他的造价，一般情况下型钢混凝土要比正常的钢筋混凝土的造价多出一半。[③]各国学者对型钢混凝土计算理论观点和计算公司都有出入，不尽相同。缺乏型钢混凝土的受力性能的影响因素以及非线性分析的系统研究。

综上所述，型钢混凝土结构兼容了型钢、钢筋、混凝土三者的优势特性，具备了比普通钢筋混凝土结构所不具备的特性，如承载力增大、刚度增大、防火性能增强、抗震性能增强、防风性能增强等优势，同时减少了钢材的使用量[4]。因此，在我国推广型钢混凝土结构在高层建筑的应用具有重要的价值和意义。随着组合结构的广泛使用，不断积累经验，丰富理论研究，总结实践结果，型钢混凝土结构施工技术也将逐步完善成为主流应用结构。

3  型钢混凝土主梁施工工艺

3.1  型钢混凝土用料的选择

（1）型钢用料选择：高层建筑结构的主要承重钢材一般不考虑采用A级钢材，因为A级钢材通常不做冲击和冷弯试验。（2）钢筋用料选择：一级、二级热轧钢筋适合作为箍筋材料，二级、三级热轧钢筋适合作为纵向钢筋材料。（3）栓钉用料选择：為了保证型钢混凝土结构构件的整体工作抗剪连接作用，应采用国家标准《圆柱头焊钉》规定的合格产品，不可以采用短钢筋代替栓钉，导致力学性能无法保障。（4）混凝土用料选择：考虑到混凝土在结构中既要在截面抗弯中承担压力又要防止型钢的翼缘局部和腹板压屈，应采用高强度等级的混凝凝土，等级通常不低于C30。

3.2  型钢混凝土梁和柱的施工工艺流程

施工工艺的步骤较为繁复，先要将底板钢筋绑扎好，然后在型钢柱底节插入底板，在固定和校正后再插入柱筋，都做好后再进行底板的混凝土浇筑，随后开始绑扎柱筋，合拢柱模，然后浇筑柱子的混凝土，之后开始搭设梁模板，绑扎梁板钢筯并安装型钢梁，然后又到了浇筑梁板混凝土的环节，浇筑完成后再构筑长钢并对构件进固定和校正，再然后又是一轮绑扎柱筋、合拢模板，浇筑混凝土，如此反复。

3.3  型钢混凝土梁和柱的制作加工

（1）工艺流程：第一步先要进行原材料的质量复核，完成后进行划线找方，再下一步进行切割，钻孔，对于坡口也要注意处理，然后将处理过的材料组成成型并进行贴角焊，栓钉熔焊等，整个成品就完成了，但是还需要进行探伤检查，最后一步是进行产品验收。

（2）检验标准：焊缝金属表面光滑不得有裂缝、夹渣、焊结、焊穿、弧坑、针孔点，钢材表面不能有深度超过1.5mm的划痕及明显凹陷或损伤。块体、切割误差应控制在1.5mm范围内，对接间隙的误差控制在1.0mm的范围内，任意两个相邻孔距偏差控制在1.0mm范围内，埋弧自动焊的焊丝和焊剂要相匹配。

3.4  钢柱梁安装和钢筋绑扎施工

施工的流程步骤：第一步是要进行防线，然后是安装钢柱并进行箍筋套柱，不要忘了在钢梁外箍要套在梁内，然后进行钢梁的安装，进行钢筋的穿孔和绑扎。通常我们采用更为先进的交叉焊接方法，这样可以很大程度保证钢构件的质量和尺寸。

3.5  混凝土施工

在进行型钢混凝土柱构件浇筑时，需要严格控制施工工艺，混凝土应从型钢柱四周均匀下料，每层混凝土厚度要控制在50cm左右。振捣需要同时采用4根振捣棒，由下至上振捣，避免钢筋围绕的死角区域无混凝土或者混凝土浇筑不密实的情况。

梁混凝土在施工浇筑的时候，应该从工字梁的下端开始，从下侧开始浇筑，然后用仪器将混凝土从一侧振捣到底部的另一侧。如果混凝土的高度太高，已经超过了钢梁的下翼板100mm，则采用振捣棒进行两侧同时的振捣也可称为对称振捣，这种方法可以使得整个钢梁的混凝土相对均匀。在进行钢梁腹板的浇筑时，也需要注意一些细节，在离上翼板100mm的时候，应该注意从中部进行振捣，这样可以能够最大限度的将上翼板的汽泡排出。

3.6  支撑加固及模板拆除和养护

（1）加固：型钢梁自重是一个不得不考虑的因素，不仅需要考虑到这一层的各种荷载要求，还要考虑到其他数层的荷载传递和自重，所以在施工前务必对下层梁先进行加固措施[3]。

（2）拆模：浇筑底模的时间一定要注意掌握，必须达到28天而且强度检测也要达到标准才可以对模具进行拆除，侧模则要求在浇筑完成后至少七天才可以拆除，而且每间隔14天进行4次/天的浇水养护工作;对于外侧模板也要注意养护，因为混凝土会因为温度变化从而造成热帐冷缩，这样就很容易产生裂缝，我们采取浇水养护的办法则可以在一定程度上防止裂缝的出现。

4  型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算

4.1  型钢和混凝土共同工作

型钢混凝土结构中的剪力键作用十分重要，它可以使得混凝土与型钢上翼缘交界地方在受到外力时发生的变形与整体保持致，这样就不会出现特别明显的混凝土裂缝了，使得整个建筑构件在抗裂缝变形方面能够有良好表现。如果混凝土构件缺少了这个剪力键，那整个构件在外力作用时都可能会发生箍筋间距变形，构件粘合强度变低等情况，严重时还会造成外包的混凝土脱落，使得整个构件的承载能力都会受到影响。

4.2  浇筑混凝土后型钢混凝土梁正截面受力性能计算

目前型钢混凝土结构通常都是中和轴在钢腹板中通过，短形的截面梁在计算时，型钢的弹性模量ESS，钢筋的弹性模量ES，受拉钢筋AS，型钢腹板厚度TW，型钢至受压区边缘的距离AS，型钢下翼缘至受拉区边缘AS，用H来代表梁截面的高度，用HS来表示型钢的截面高度，用B来表示截面宽度，AR表示受拉区边缘到受拉钢筋重心的距离，AR表示受压区边缘到受压區钢筋的距离。

5  结论

型钢混凝土相对于传统的钢筋混凝土而言，有着极大优点。比如良好的抗风减震性，良好的整体经济性，施工十分便捷而且周期很短，可以极大的改以往建筑工程上的一些弊端。当然，型钢混凝土同时也存在诸多缺点，比如单个型钢构件的造价较贵，其中一些复杂的结构也对施工人员提出了技术上的要求还有就是对于这种新型的构件，国际上还没有统一的计算受力的标准。相信随着人们研究的不断深入，算法的不断成熟，型钢混凝土将会在工程上有更为广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 陈瑞生，周晓悦，恽波，等.钢骨混凝土柱非线性有限元分析[J].浙江建筑，2003（6）：97～103.

[2] 姜维山，赵世春，孙慧中，等.型钢混凝土结构构件的研究[J].建筑钢结构进展，2002（3）：23～54

[3] 江韩，侯善民，包红燕.南京图书馆的结构设计[J].工程抗震，2004（4）.

[4] 王向峰，张仲先，阮成堂，等.钢骨混凝土梁的受弯性能试验研究[J].特种结构，2002（1）：74～78.