鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

金輝 朱志永

1河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院（450003）2武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司（430082）

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

金輝1朱志永2

1河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院（450003）2武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司（430082）

介紹了鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的一般概念和發(fā)展概況，總結(jié)了壓型鋼板、鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土柱、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，供設(shè)計(jì)和研究人員參考。

壓型鋼板；鋼-混凝土組合梁；鋼管混凝土柱；外包裝混凝土結(jié)構(gòu)；鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)

1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的一般概念

組合結(jié)構(gòu)的種類繁多，從廣義上講，組合結(jié)構(gòu)是指兩種或多種不同材料組成一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而共同工作的結(jié)構(gòu)（Composite Structure）。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是繼木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之后發(fā)展起來的第五大類結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是具有代表性的組合結(jié)構(gòu)的一種。

組合結(jié)構(gòu)通常是指鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中鋼又分為鋼筋和型鋼，混凝土可以是素混凝土也可以是鋼筋混凝土。國內(nèi)外常用的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括以下五大類：

壓型鋼板混凝土組合板、鋼—混凝土組合梁、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（也稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或勁性混凝土結(jié)構(gòu)）。

2 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)起源于本世紀(jì)初期。于20世紀(jì)20年代進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性的研究。到了20世紀(jì)50年代已基本形成獨(dú)立的學(xué)科體系。至今組合結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)等方面都有很大的發(fā)展。目前，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑、橋梁工程等許多土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

在國外，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)最初大量應(yīng)用于土木工程是在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后。當(dāng)時的歐洲急需恢復(fù)戰(zhàn)爭破壞的房屋和橋梁，工程師們采用了大量的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，加快了重建的速度，完成了大量的道路、橋梁和房屋的重建工程。1968年日本十勝沖地震以后，發(fā)現(xiàn)采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)修建的房屋，其抗震性能良好，于是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在日本的高層與超高層中得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)60年代以后，世界上許多國家（包括英、美、日、蘇、法、德）根據(jù)本國的試驗(yàn)研究成果及施工技術(shù)條件制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范。1971年成立了由歐洲國際混凝土委員會（CES）、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（ECCS）、國際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會（FIP）和國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）組成的組合結(jié)構(gòu)委員會，多次組織了國際性的組合結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會，并于1981年正式頒布了《組合結(jié)構(gòu)》規(guī)范。

我國對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，從20世紀(jì)50年代才開始開展組合梁的研究和應(yīng)用，至今除了鋼與混凝土組合梁已納入《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 17-88）外，其余的組合結(jié)構(gòu)和構(gòu)件還停留在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。具有代表性的三個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是：國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會頒布的中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5085-1999）；國家冶金工業(yè)部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB 9082-97）；中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS 28：90）。這三部規(guī)程的頒布標(biāo)志著我國的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用已進(jìn)入一個嶄新的時代。

3 壓型鋼板混凝土組合板的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

壓型鋼板可作為墻板和屋面板之用，也可用作樓板。壓型鋼板在施工階段用作樓面混凝土板的永久性模板，在混凝土未凝固之前的施工階段，它僅承受自重、濕混凝土重及施工活荷載。組合板中的壓型鋼板，在使用階段當(dāng)作組合板結(jié)構(gòu)中的下部受力鋼筋之用，從而減少混凝土板中的鋼筋（如圖1）。

圖1 混凝土組合板示意圖

20世紀(jì)60年代前后，在美、日等國大量興建高層建筑的情況下,由于壓型鋼板自重輕、施工快等一系列的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用，并促進(jìn)了壓型鋼板的生產(chǎn)。

國內(nèi)使用壓型鋼板起步較晚，但發(fā)展較快。冶金工業(yè)部頒布了《壓型金屬板設(shè)計(jì)施工規(guī)程》(YBJ 216-88)、《鋼與混凝土組合樓層設(shè)計(jì)施工規(guī)程》(YB 9238-92)，為國家采用壓型金屬板與組合板奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代以來，我國興建了大量高層建筑，如北京香格里拉飯店、長富宮中心、京城大廈、上海靜安飯店、上海錦江飯店、深圳發(fā)展中心大廈等都已經(jīng)采用壓型鋼板作樓層永久性模板或作組合板。

組合板具有下列的優(yōu)點(diǎn)：

不需要模板不需模板的拆卸安裝，可避免由易燃的模板而引起的建筑失火的危險。

壓型鋼板的作用相當(dāng)于抗拉主鋼筋，用以抵抗板底面的正彎距，只在認(rèn)為需要之處才加設(shè)抵抗混凝上收縮及溫度影響的鋼筋。

壓型鋼板本身為混凝土樓層提供了平整的頂棚表面。

壓型鋼板可疊在一起，并可置于集裝箱內(nèi)，易于運(yùn)輸、存儲、堆放與裝卸。

壓型鋼板的波紋間有預(yù)加工的槽，供電力、通信等工程之用。

在安裝后，壓型鋼板可用作工具、材料、設(shè)備的安全工作臺。

使用組合板，施工時間人為減少，可以繼續(xù)進(jìn)行另一樓層混凝上的澆灌，而不需要等待前一層澆灌的樓板達(dá)到要求的混凝上強(qiáng)度等級。

整個結(jié)構(gòu)的恒荷載減少，節(jié)約了下部基礎(chǔ)的費(fèi)用。

4 鋼-混凝土組合梁的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

組合梁由于能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的力學(xué)性能，在國內(nèi)外獲得廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。20世紀(jì)20年代初，在加拿大和英國進(jìn)行了最早的研究，至20世紀(jì)30年代組合梁結(jié)構(gòu)體系試驗(yàn)成功,并建立了組合梁按彈性理論的設(shè)計(jì)方法，20世紀(jì)60年代后出現(xiàn)了按塑性理論的設(shè)計(jì)方法。我國從20世紀(jì)50年代初開始研究組合梁結(jié)構(gòu)，之后在公路、鐵路橋梁方面得到應(yīng)用。在房屋建筑方面，早在20世紀(jì)50年代,北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院對組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討和研究。組合梁結(jié)構(gòu)除了具有鋼材和混凝土兩種材料受力特點(diǎn)外，與非組合梁結(jié)構(gòu)比較，具有下列一系列的優(yōu)點(diǎn)：

節(jié)約鋼材。以某工程冶煉車間為例，該車間標(biāo)高16.9 m的平臺，原設(shè)計(jì)是鋼梁上澆灌混凝土板，鋼筋混凝土板不參與鋼梁共同工作，后在施工現(xiàn)場將其修改成鋼筋混凝土板與鋼梁共同工作的組合梁，節(jié)約鋼材17%～25%。

降低梁高。組合梁較非組合梁不僅節(jié)約鋼材，降低造價，降低了梁的高度。這在建筑或工藝限制梁高的情況下，采用組合梁結(jié)構(gòu)特別有利。

增加梁的剛度。在一般的民用建筑中，鋼梁截面往往由剛度控制，而組合梁由于鋼梁與混凝土板共同工作，大大地增強(qiáng)了梁的剛度。

增加梁的承載力。

降低沖擊系數(shù)。

抗震性能好，抗疲勞強(qiáng)度高。

局部受壓穩(wěn)定性能良好。

使用壽命長。

5 鋼管混凝土柱的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。鋼管混凝土研究最多的是圓鋼管，在特殊情況下也采用方鋼管或異型鋼管。除了在一些特殊結(jié)構(gòu)當(dāng)中采用鋼筋混凝土，混凝土一般為素混凝土。早在19世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最初用作橋墩，然后漸漸地用作建筑物中的柱子。

我國20世紀(jì)60年代開始了這種結(jié)構(gòu)的研究，并首先用于首都地鐵工程中。北京站至蘋果園的地鐵線路上，在北京站和前門站的站臺工程中首次試用，經(jīng)濟(jì)效果很好。和傳統(tǒng)采用的鋼筋混凝土柱相比，不但施工簡捷得多，而且體積小，增加了地下有效使用空間。因此，在隨后建造的地鐵環(huán)線工程中，所有的站臺柱，全部采用了鋼管混凝土柱。從20世紀(jì)70年代開始，在工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架、變電和輸電塔架等工程中，鋼管混凝土得到了推廣應(yīng)用。工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱的有鞍鋼、首鋼及寶鋼工程中的大量重工業(yè)廠房，還有各地的造船廠和火力發(fā)電廠等。廠房跨度最大的L=54 m，柱高60～70 m,橋式吊車最大的為Q=l00 t重級工作制吊車。鋼管混凝土在我國的應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展很快。自20世紀(jì)80年代后期開始，鋼管混凝土由于本身具有的優(yōu)點(diǎn)，開拓了兩個新的應(yīng)用領(lǐng)域：一個是公路和城市橋梁，另一個是高層和超高層建筑。

鋼管混凝土具有下列基本特點(diǎn)：

承載力大大提高。試驗(yàn)和理論分析證明，鋼管混凝土受壓構(gòu)件的強(qiáng)度承載力可以達(dá)到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1.7～2.0倍。

具有良好的塑性和抗震性能。在鋼管混凝土構(gòu)件軸壓試驗(yàn)中，試件壓縮到原長的2/3，構(gòu)件表面已褶曲，但仍有一定的承載力，可見塑性非常好。鋼管混凝土構(gòu)件在壓彎剪循環(huán)荷載作用下，水平力P與位移之間的滯回曲線十分飽滿，表明有很好的吸能能力，基本無剛度退化，它的抗震性能大大優(yōu)于鋼筋混凝土。

經(jīng)濟(jì)效果顯著。和鋼柱相比，可節(jié)約鋼材50%，降低造價45%；和鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土約70%，減少自重約70%，節(jié)省模板100%，而用鋼量約略相等或略多。

施工簡單，可大大縮短工期。和鋼柱相比，零件少，焊縫短，且柱腳構(gòu)造簡單，可直接插入混凝土基礎(chǔ)預(yù)留的杯口中，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造；和鋼筋混凝土柱相比，免除了之模、綁扎鋼筋和拆模等工作；由于自重的減輕，還簡化了運(yùn)輸和吊裝等工作。

6 外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)(以下簡稱外包鋼結(jié)構(gòu))是外部配型鋼的混凝土結(jié)構(gòu)，是在克服裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)某些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，仿效鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式，是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種新型式。外包鋼結(jié)構(gòu)由外包型鋼的桿件拼裝而成。桿件中受力主筋由角鋼代替并設(shè)置在桿件四角，角鋼的外表面與混凝土表面趨平，或稍突出混凝土表面0.5～1.5 mm。橫向箍筋與角鋼焊接成骨架，為了滿足箍筋的保護(hù)層厚度的要求，可將箍筋兩端墩成球狀再與角鋼內(nèi)側(cè)焊接。

外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

構(gòu)造簡單。外包鋼結(jié)構(gòu)取消了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向柔性鋼筋以及預(yù)埋件，構(gòu)造簡單，有利于混凝土的搗實(shí),也有利于采用高標(biāo)號混凝土，減小桿件截面，便于構(gòu)件規(guī)格化、簡化設(shè)計(jì)和施工。

連接方便。外包鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于能夠利用它的可焊性，桿件的連接可采用鋼板焊接的干式接頭，管道等的支吊架也可以直接與外包角鋼連接。和裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以避免大最鋼筋剖口焊和接頭的二次澆灌混凝土等工作。

使用靈活。外包角鋼和箍筋焊成骨架后，本身就有一定強(qiáng)度和剛度，在施工過程中可用來直接支承模板，承受一定的施工荷載。這樣施工方便，速度快，又節(jié)約了材料。

抗剪強(qiáng)度提高。雙面配置角鋼的桿件，極限抗剪強(qiáng)度與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比提高22%左右。

延性提高。剪切破壞的外包鋼桿件，具有很好的變形能力，剪切延性系數(shù)和條件相同的鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)相比要提高一倍以上。

7 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的概況及優(yōu)缺點(diǎn)

鋼骨混凝土構(gòu)件是指鋼骨與外包鋼筋混凝土共同承受荷載的梁、柱、墻構(gòu)件。實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件具有較好的抗震性能，空腹式鋼骨混凝土構(gòu)件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同。

目前，在抗震結(jié)構(gòu)中多采用實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件。實(shí)腹式鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制成或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。結(jié)構(gòu)可自下向上采用不同的結(jié)構(gòu)材料，如混凝土→鋼骨混凝土→鋼，或鋼骨混凝土→混凝土等。即可在不同的抗側(cè)力單元中分別采用鋼骨混凝土、鋼或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可在同一抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中梁、柱(或墻)分別采用不同材料。

由鋼骨混凝土柱和梁可以組成型鋼混凝土框架?？蚣芰嚎梢圆捎娩摿?、組合梁或鋼筋混凝土梁。在高層建筑中，型鋼混凝土框架中可以設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻，在剪力墻中也可以設(shè)置型鋼支撐或者型鋼桁架，或在剪力墻中設(shè)置薄鋼板，這樣就組成了各種形式的型鋼混凝土剪力墻。型鋼混凝土剪力墻的抗剪能力和延性比鋼筋混凝土剪力墻好，可以在超高層建筑中發(fā)揮作用。

在鋼骨混凝土構(gòu)件中，鋼骨與混凝土能否共同工作是構(gòu)件設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)。試驗(yàn)表明，當(dāng)鋼骨翼緣位于截面受壓區(qū)，且配置一定數(shù)量鋼筋和鋼箍，鋼骨與外包混凝土能較好地共同工作，截面應(yīng)變分布基本上符合平戴面假定。但試驗(yàn)也表明，除了要設(shè)置足夠箍筋，以約束混凝土，增強(qiáng)其黏結(jié)力外，在某些內(nèi)力傳遞較大的部位如柱腳、構(gòu)件類型轉(zhuǎn)換部位等，還要設(shè)置栓釘，防止鋼骨與混凝土之間相對滑移。

鋼骨混凝土與鋼筋混凝土框架相比較具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：

鋼骨混凝土的型鋼可不受含鋼率的限制，其承載能力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力一倍以上；可以減小構(gòu)件的截面，對于高層建筑可以增加使用面積和樓層凈高。如某焦化公司干熄焦的熄焦車軌道基礎(chǔ)梁，見圖2、圖3。

圖2 車軌道基礎(chǔ)梁平面圖

圖3 車軌道基礎(chǔ)梁剖面圖

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的施工工期比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工期大為縮短。鋼骨混凝土中的鋼骨在混凝土澆灌前已形成鋼結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)大的承載能力，能夠承受構(gòu)件自重和施工時的活荷載，并可將模板懸掛在鋼骨上，而不必為模板設(shè)置支柱，因而減少了支模板的勞動力和材料。鋼骨混凝土多層和高層建筑不必等待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度就可繼續(xù)施工上層。施工中不需架立臨時支柱，可留出設(shè)備安裝的工作面，讓土建和安裝設(shè)備的工序?qū)嵭衅叫辛魉鳂I(yè)。

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高，尤其是實(shí)腹式的構(gòu)件。因此在大地震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。日本抗震規(guī)范規(guī)定，高度超過45 m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)則不受此限制。

鋼骨混凝土框架較鋼框架在耐久性、耐火性等方面均勝一籌。

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是既要求鋼構(gòu)件制造及安裝，又要求支模、綁鋼筋、澆筑混凝土，施工工序增加。

我國在20世紀(jì)50年代就從前蘇聯(lián)引進(jìn)了勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；20世紀(jì)60年代以后，由于片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約鋼材,鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)就難于推廣應(yīng)用；20世紀(jì)80年代以后，鋼骨混凝土又一次在我國興起。日本為我國設(shè)計(jì)的北京國貿(mào)中心、香格里拉飯店和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。我國在80年代中期開始興起對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)研究的熱潮。在上海、重慶等城市也建成了這種類型的建筑物，但鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用還剛剛開始，其建筑面積還不到建筑總面積的千分之一。