新型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究與展望

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

隨著土木行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)物使用功能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足不斷增長(zhǎng)的功能要求。另外新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，也為組合結(jié)構(gòu)的研究創(chuàng)造了條件。組合結(jié)構(gòu)是指將不同材料和構(gòu)件組合在一起的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將不同材料和構(gòu)件的力學(xué)性能納人整體進(jìn)行考慮，以最有效地發(fā)揮材料和構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，從而獲得更好的結(jié)構(gòu)性能和綜合效益。鋼材是一種高強(qiáng)度和高性能的綠色環(huán)保材料，具有很高的再循環(huán)利用價(jià)值。鋼結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、結(jié)構(gòu)空間布置靈活、構(gòu)件截面尺寸小等特點(diǎn)。在建造上，其有利于工業(yè)化生產(chǎn)，具有建造速度快、施工工藝方便的優(yōu)點(diǎn)，而且能減小企業(yè)投資的財(cái)務(wù)成本等。同時(shí)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)一系列相關(guān)的墻體材料的改革與發(fā)展，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)創(chuàng)造條件。

根據(jù)我國(guó)目前應(yīng)用情況，在建或已建的大跨空間結(jié)構(gòu)和超高層結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中很多是將鋼管混凝土、型鋼混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合起來(lái)，采用鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁、型鋼混凝土柱—鋼筋混凝土梁、鋼筋混凝土柱—鋼與混凝土組合梁等組成框架，用鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋組成板柱結(jié)構(gòu)，從而形成以鋼—混凝土組合構(gòu)件為主要承重構(gòu)件的新型結(jié)構(gòu)體系，有人稱之為新型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)。

二、組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

(一)國(guó)外研究與應(yīng)用。組合結(jié)構(gòu)最早起源于美國(guó)，當(dāng)時(shí)出于防火的需要在鋼梁外面裹包混凝土，但并未考慮混凝土與鋼材的共同受力。在20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了具有現(xiàn)代意義的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，并在20世紀(jì)30年代中期出現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法，20世紀(jì)60年代后，當(dāng)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用不久后又出現(xiàn)了鋼管內(nèi)填充混凝土的組合結(jié)構(gòu)。隨著組合結(jié)構(gòu)在各國(guó)的推廣應(yīng)用，部分國(guó)家也制訂了多部有關(guān)組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范。其中歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)于 1994年頒布了歐洲規(guī)范4(EC4)，這是目前世界上關(guān)于鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)最完整的一部設(shè)計(jì)規(guī)范，為組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用作了較全面的總結(jié)，并指出了今后的發(fā)展方向。

20世紀(jì)80年代后期，由于施工工藝快速發(fā)展，解決了部分現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆注的工藝問題，再加上鋼管套箍效應(yīng)的理論基礎(chǔ)，因此在歐美等國(guó)家的若干高層建筑工程中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)又悄然興起，傳統(tǒng)的鋼柱被鋼管混凝土替代，為鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

(二)國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始著手發(fā)展高層建筑，最初在我國(guó)建造的一批高層建筑混合結(jié)構(gòu)體系中都采用了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。其中鋼—混凝土組合梁在我國(guó)的應(yīng)用是從建國(guó)初期就開始了，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑及多種橋梁中，并開始采用預(yù)應(yīng)力組合梁。到20世紀(jì)80年代，高層建筑在我國(guó)迅速發(fā)展，建筑形式和建筑功能越來(lái)越趨向于多樣化，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)無(wú)法滿足高層建筑設(shè)計(jì)和使用的要求，于是新式的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)形式得到了越來(lái)越多的使用。但由于造價(jià)高等原因，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用仍主要集中在超高層建筑中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有超過(guò)一半的超高層建筑中使用了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。

三、組合結(jié)構(gòu)的概念和類型

從材料性能與組合的效果,以及經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際應(yīng)用上來(lái)看,作為與土木工程相關(guān)的組合結(jié)構(gòu),鋼與混凝土或鋼與鋼筋混凝土的組合仍然最具適用性,被大量研究和應(yīng)用。組合結(jié)果即是:至少應(yīng)使用兩種以上的材料, 不包括只單獨(dú)發(fā)揮各自作用的、單純重疊的和單獨(dú)承受外部作用的形式,材料之間必須能以某種形式傳遞荷載或作用。就材料而言,“組合”的目的是希望得到單一材料不具有的力學(xué)性能和改善單一(或兩種)材料組成構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的綜合性能。從廣義概念上看，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)分類：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(guó)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：(1)壓型鋼板混凝土組合板；(2)鋼—混凝土組合梁；(3)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))；(4)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；(5)外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

四、組合結(jié)構(gòu)新方面的研究及展望

(一)預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)的新發(fā)展。預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅可以用于混凝土結(jié)構(gòu)，而且可以廣泛應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)中，如預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力砌體結(jié)構(gòu)等。預(yù)應(yīng)力的作用不僅僅增加其抗裂度，減少撓度變形，而且可起調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力分配、增加剛度和穩(wěn)定性等作用。在大跨度支撐式結(jié)構(gòu)或復(fù)雜懸挑結(jié)構(gòu)、連續(xù)組合梁橋、連續(xù)箱形梁橋、斜拉橋結(jié)構(gòu)中，可利用梁彎曲還原力、鋼絞線(或兩者并用)、化學(xué)預(yù)應(yīng)力(膨脹混凝土)等方法根據(jù)需要施加預(yù)應(yīng)力。這樣可增大結(jié)構(gòu)跨度，擴(kuò)大型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍，取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)，在使用條件下，防止或控制混凝土產(chǎn)生裂縫，增大構(gòu)件剛度;也能防止型鋼和鋼筋混凝土受有害環(huán)境侵蝕，增加型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

(二)輕型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)混凝土組合的新發(fā)展。波形鋼腹板箱梁的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)可減輕約25%～30%的上部結(jié)構(gòu)重量,從而使鐵路橋自振周期的控制更加容易,同時(shí)明顯減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),進(jìn)而可以減小基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)的尺寸與工程量。(2)由于取消了腹板,模板制作、加工的難度大大降低,頂?shù)装寤炷恋馁|(zhì)量容易得到保證, 施工進(jìn)度可大大加快。(3)波形鋼腹板具有較高的抗剪強(qiáng)度,從而解決了混凝土箱梁腹板容易出現(xiàn)斜向裂縫的問題,減少了混凝土徐變對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響。(4)波形鋼腹板的縱橋向剛度很小,頂、底板的預(yù)應(yīng)力鋼束不會(huì)產(chǎn)生相互影響,預(yù)應(yīng)力的效率大大提高。

(三)抗爆性能的新發(fā)展。壓型鋼板方鋼管鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)具有重量輕和施工方便的優(yōu)點(diǎn)。由于底部襯上壓型鋼板，所以可以延遲甚至避免混凝土剝落的發(fā)生，保護(hù)防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的人員和設(shè)備安全通過(guò)這種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)與普通混凝土板的對(duì)比研究表明:

(1)壓型鋼板有鋼管鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)不但承載能力高，而且其變形能力也要比普通混凝土板好很多，具有良好的延性，是一種比較合理的抗力復(fù)合結(jié)構(gòu)。

(2)在相同的爆炸荷載作用下，壓型鋼板—方鋼管鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)跨中最大位移約為普通混凝土板的一半，避免了底部混凝土的過(guò)早開裂，具有很好的抗爆能力。

(3)由于壓型鋼板—方鋼管鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)比普通普通混凝土板自重輕很多，這樣就能顯著的降低爆炸荷載作用時(shí)的動(dòng)力放大效應(yīng)，有利于提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

五、結(jié)語(yǔ)

新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)工程中已凸現(xiàn)其優(yōu)越性,發(fā)展前景十分廣闊,國(guó)外不同類型結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對(duì)今后鐵路橋梁組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展有一定的借鑒作用，但它所涵蓋的內(nèi)容廣泛而復(fù)雜,相關(guān)的設(shè)計(jì)理論和方法還不成熟,這需要在今后的研究應(yīng)用中逐步完善。