淺談建筑工程中的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（大地建筑事務(wù)所（國(guó)際），北京 100195）

淺談建筑工程中的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐘義平

（大地建筑事務(wù)所（國(guó)際），北京 100195）

介紹了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的類型，進(jìn)而分析了各類鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，指出了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面的一些要點(diǎn)，指導(dǎo)以后的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；組合構(gòu)件

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程合理的選擇結(jié)構(gòu)形式不僅能有效的節(jié)省成本，還能縮短工期；然而，很多工程中如果單獨(dú)的選擇鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿足該工程的施工成本和工期等方面的要求，所以，越來(lái)越多的的工程中都采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)就是結(jié)合這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，但兩種材料組合后的整體工作性能并不是二者性能的簡(jiǎn)單疊加，而明顯優(yōu)于一般的簡(jiǎn)單疊加，使其綜合性能得到了很大的提升。學(xué)者對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)在組合結(jié)構(gòu)已運(yùn)用于結(jié)構(gòu)工程的各個(gè)領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固與改造等領(lǐng)域，其綜合效益良好，應(yīng)用前景廣闊。

目前，一般常用的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有壓型鋼板混凝土組合板、鋼-混凝土組合梁、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)四種類型。這幾類組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求各不相同。

2 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)

2.1 壓型鋼板混凝土組合板

2.1.1 壓型鋼板混凝土組合板的特點(diǎn)

由于不需要模板，免除了模板拆卸安裝工作，也降低由易燃的模板而引起的建筑失火的危險(xiǎn)；壓型鋼板混凝土組合板僅需要在必要之處加設(shè)鋼筋，用以抵抗混凝上收縮及溫度影響；壓型鋼板自身可以看做平整的混凝土樓層頂棚表面；在安裝后，不用搭建鋼管腳手架，壓型鋼板為材料和施工人員提供了安全的工作臺(tái)；通信、電力等工程的安裝，可利用壓型鋼板波紋之間的預(yù)加工槽；縮短了施工時(shí)間，可以進(jìn)行兩個(gè)樓層的同時(shí)施工；壓型鋼板不僅存儲(chǔ)簡(jiǎn)單，而且運(yùn)輸方便；壓型鋼板混凝土組合板的質(zhì)量較輕，減少了結(jié)構(gòu)的恒荷載，降低了用于下部基礎(chǔ)的成本。

2.1.2 壓型鋼板混凝土組合板的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

組合板的計(jì)算分為兩個(gè)階段：施工階段和使用階段。在組合板的施工階段，作為澆注混凝土底模的壓型鋼板，要進(jìn)行強(qiáng)度和撓度的驗(yàn)算，但是只計(jì)算順助（強(qiáng)邊）方向壓型鋼板強(qiáng)度和撓度；在組合板的使用階段，要對(duì)組合板進(jìn)行全部荷載作用下的強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算。

對(duì)于組合板的變形驗(yàn)算，按彈性理論進(jìn)行，分為短期荷載作用和長(zhǎng)期荷載作用。按短期荷載作用計(jì)算時(shí)，可將混凝土面積除以n（鋼材與混凝土彈性模量比）換算為鋼面積；按長(zhǎng)期荷載作用計(jì)算時(shí)，將截面中的混凝土的彈性模量除以2n換算成鋼截面。

2.2 鋼-混凝土組合梁

2.2.1 鋼-混凝土組合梁的特點(diǎn)

鋼-混凝土組合梁與鋼板梁相比，最少可節(jié)省約20%鋼材，有效的降低了造價(jià)；鋼梁與混凝土板共同工作，可使鋼材與混凝土材料各自的材料特性得到充分發(fā)揮；增大梁的截面剛度，降低梁的截面高度和建筑高度；降低沖擊系數(shù)，抗沖擊、抗疲勞性能優(yōu)越；增加了梁的側(cè)向剛度，防止了在使用荷載下主梁的扭曲失穩(wěn)；減少施工支模工序和節(jié)省模板，現(xiàn)場(chǎng)施工更為簡(jiǎn)捷方便。

2.2.2 鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了保障鋼梁和混凝土共同工作，需使用大量的抗剪連接件時(shí)，要防止鋼與混凝土接觸面產(chǎn)生滑移和豎向掀起；為了防止腹板受剪局部屈曲，支座附近一般要加厚鋼梁腹板或使用大量加勁肋。

2.3 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)

2.3.1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)截面小，承載力高，剛度大，對(duì)于高層及超高層建筑的適用性更強(qiáng)；延性好，抗震性能更加優(yōu)越；相比于鋼結(jié)構(gòu)，其耐久性和耐火性更好，而且很大程度上節(jié)約鋼材，減少成本；施工速度快，工期短。

2.3.2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了焊接方便和滿足局部穩(wěn)定要求，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中的型鋼板厚不宜過(guò)薄，厚度不宜小于6mm；框架梁的截面寬度不宜小于300，從而保證框架梁對(duì)框架節(jié)點(diǎn)的約束作用；混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C30，以便最大程度發(fā)揮型型鋼在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的作用；規(guī)定混凝土最大骨料直徑小于型鋼外側(cè)混凝土保護(hù)層厚度的1/3，且不宜大于25mm，這樣便于混凝土的澆筑；規(guī)定高寬比不宜超過(guò)4，以保證梁抗扭和增強(qiáng)側(cè)向穩(wěn)定性。

2.4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

2.4.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力高，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析可以得到鋼管混凝土受壓構(gòu)件強(qiáng)度承載力是鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1.7～2.0倍；延性好，由于鋼管和混凝土之間的相互作用，鋼管內(nèi)部混凝土的破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性性能大幅加強(qiáng)；抗震性能優(yōu)越；施工方便，簡(jiǎn)化了施工安裝工藝；由于鋼管內(nèi)填有混凝土，可以吸收大量的熱量，耐火性能良好。

2.4.2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于在建筑工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于高層或超高層建筑、大跨度且單柱軸力大以及抗震等級(jí)較高的建筑，故鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大的要點(diǎn)和難點(diǎn)是其柱腳節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)；目前此類工程設(shè)計(jì)中慣用的節(jié)點(diǎn)有四種：加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)，雙梁節(jié)點(diǎn)，半穿心牛腿節(jié)點(diǎn)和環(huán)梁節(jié)點(diǎn)。

應(yīng)依照相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算，尤其在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足“強(qiáng)柱弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)，以及強(qiáng)剪弱彎”的要求，并盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，達(dá)到質(zhì)量控制的要求。

結(jié)語(yǔ)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在多年的工程實(shí)踐中得到了很好的檢驗(yàn)，學(xué)者們對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的理論研究也在不斷深入，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到推廣應(yīng)用，同時(shí)組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向也由組合構(gòu)件轉(zhuǎn)向組合結(jié)構(gòu)體系。然而，對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件、鋼骨混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力筋等不同材料元素進(jìn)行優(yōu)化組合，還要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。在未來(lái)的建筑行業(yè)中，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)必將作為建筑結(jié)構(gòu)中一種新型的結(jié)構(gòu)形式發(fā)揮其特有的、獨(dú)一無(wú)二的作用。

[1]夏再海.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].福建建材，2007（01）.

[2]王越.淺談鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2008，34（34），91-92.

[3]聶建國(guó)，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國(guó)的研究與應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，1999.

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