現(xiàn)代鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

李紅現(xiàn)，劉殿忠

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 概述

1）跨入新時(shí)代，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)實(shí)力不斷增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)不斷取得新發(fā)展、新突破、新成就，原有傳統(tǒng)意義上的4大結(jié)構(gòu)：砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)代人對(duì)美好生活的需求，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)及現(xiàn)代科技新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，使人們對(duì)美好生活的理想更近了一步。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展與完善及在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和提升，現(xiàn)在的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)儼然已經(jīng)成為當(dāng)代第5大結(jié)構(gòu)體系。

2）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是把鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)2種不同的結(jié)構(gòu)形式組合在一起。它是隨著近年來(lái)高層建筑、超高層建筑、大跨度橋梁領(lǐng)域的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式，把鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)共同組合在一起，增加了抗側(cè)移剛度和抗剪承載力，鋼結(jié)構(gòu)框架還可以承擔(dān)建筑物豎向傳來(lái)的荷載，最終傳遞給地基基礎(chǔ)，充分利用了2種材料的互補(bǔ)性。我國(guó)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行的數(shù)10次統(tǒng)計(jì)分析表明，若在高層建筑設(shè)計(jì)施工中采用組合結(jié)構(gòu)，其用鋼量?jī)H為純鋼結(jié)構(gòu)建筑的70%左右，大大減少了用鋼量。在建筑高度100m以上的高層和超高層建筑中綜合考慮施工周期、結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、抗震性能及結(jié)構(gòu)的其他綜合指標(biāo)，都優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。

2 組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）型鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu) 指在混凝土中配置各種規(guī)格的型鋼或配置抗彎、抗剪、抗扭及構(gòu)造鋼筋的結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅增加了強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度，而且塑性變形能力也有了很大提高，與傳統(tǒng)意義上的鋼結(jié)構(gòu)建筑相比節(jié)省了大量鋼材，降低了造價(jià)，更為重要的是避免了鋼結(jié)構(gòu)易腐蝕、耐火性差及需要經(jīng)常進(jìn)行人工防腐、防火保護(hù)等缺點(diǎn)。關(guān)鍵是要如何保證梁柱節(jié)點(diǎn)與混凝土有足夠的黏結(jié)力和密實(shí)性，從而提高型鋼與混凝土共同工作時(shí)的強(qiáng)度和整體性，這就要求在振搗養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r采取合理措施來(lái)提高混凝土的密實(shí)度。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)除具有鋼結(jié)構(gòu)自身重量輕、強(qiáng)度高、材料均質(zhì)、密封性好等優(yōu)點(diǎn)外，還具備混凝土結(jié)構(gòu)良好的耐火性、抗銹蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，而且混凝土可還以保護(hù)型鋼免受外界介質(zhì)侵蝕，提高了結(jié)構(gòu)的使用年限。

2）鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu) 指在不同直徑的鋼管內(nèi)填充或澆筑各種強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)形式。這種組合結(jié)構(gòu)形式既要滿足鋼管的受力性能，還需滿足鋼管與混凝土在一起能夠保持良好的工作狀態(tài)，所以對(duì)鋼管和混凝土性能指標(biāo)的要求更高。常用的截面形狀有圓柱形、正方形、矩形及正多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)同時(shí)具備了二者的優(yōu)點(diǎn)，提高了其整體和局部的穩(wěn)定性，防止失穩(wěn)，承載能力比普通鋼結(jié)構(gòu)提升明顯，荷載的傳遞路徑簡(jiǎn)單，施工靈活方便，生產(chǎn)和建設(shè)周期短。

3）壓型鋼板與混凝土組合板 依靠咬合狀凹凸交錯(cuò)的肋板及不同的槽紋之間產(chǎn)生的黏結(jié)力、摩擦力與擠壓力和混凝土組合共同工作。壓型鋼板的凹槽肋部可以放置各種水電管線，減小了所占用的空間，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)與管道的融合，提高了使用效率，使建筑物的層高得以適當(dāng)加大，建筑物高度得以減小，給建筑的靈活設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。在施工階段，由于鋼板可以作為鋼梁自身的連續(xù)側(cè)向支撐，增加了鋼梁的抗側(cè)移剛度、穩(wěn)定性、承載力，減小了撓度、轉(zhuǎn)角和柔度，簡(jiǎn)化了施工工藝流程并縮短了施工時(shí)間，減少了勞動(dòng)力，降低了造價(jià)。這樣就減少了施工中安裝和拆除等施工工序，縮短了建設(shè)周期和勞動(dòng)力，降低了人力、物力、財(cái)力等。壓型鋼板安裝好后，可以為下一道施工工序的開(kāi)展提供有利條件，增加了工人施工作業(yè)的作業(yè)面，更好地滿足與上、下施工工序的連續(xù)和協(xié)同性要求。由于無(wú)需再進(jìn)行臨時(shí)支撐構(gòu)件的搭設(shè)，不會(huì)對(duì)下一層施工作業(yè)面的施工作業(yè)產(chǎn)生影響，使建筑和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活，提高了組合結(jié)構(gòu)的整體性。

4）鋼混組合梁 指在鋼梁上部澆筑混凝土，將鋼梁與混凝土翼緣板通過(guò)抗剪結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連在一起共同工作的組合梁。一方面充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)塑性和韌性好的特點(diǎn)，另一方面也充分發(fā)揮了混凝土抗壓的優(yōu)點(diǎn)。組合梁設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮鋼梁與混凝土相互作用時(shí)接觸面的抗剪強(qiáng)度要求，又要充分考慮鋼梁在各種情況下從正常設(shè)計(jì)、施工到正常使用及后期維護(hù)階段的各種承載力和變形位移指標(biāo)在正常范圍之內(nèi)。組合梁在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，鋼梁可作為模板的連續(xù)側(cè)向約束支撐構(gòu)件，在施工階段節(jié)省了材料，降低了施工成本并增加了預(yù)制環(huán)節(jié)，有利于施工工序的連續(xù)性進(jìn)行。

5）組合桁架 指在鋼桁架上弦桿部分焊接柔性的鋼筋或栓釘?shù)倪B接件，然后澆筑鋼筋混凝土板而形成。改革開(kāi)放以來(lái)，受西方和日本等國(guó)家關(guān)于新型建筑結(jié)構(gòu)形式的影響，在屋蓋結(jié)構(gòu)中相交節(jié)點(diǎn)將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件組裝拼接而形成組合桁架結(jié)構(gòu)，目的是為了在節(jié)點(diǎn)處保持良好的受力與變形性能。通常組合桁架跨度宜≥12m，但最好≤24m，一般工程實(shí)際項(xiàng)目具體所需跨度需要通過(guò)計(jì)算來(lái)綜合確定。

6）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu) 指在混凝土構(gòu)配件外部放置鋼板或者其他各種形式的鋼構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu)。由于不需要設(shè)置預(yù)埋件簡(jiǎn)化了施工工藝和順序，一般應(yīng)用在跨度較大的工業(yè)廠房?jī)?nèi)，以此來(lái)固定各類水電管線，也可用于一般建筑物的維護(hù)加固和后期改造返修工作。

3 工程技術(shù)應(yīng)用概括與實(shí)例

1）應(yīng)用概括 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)適用于建筑物高度大于100m的高層建筑與超高層建筑、橫向跨越超過(guò)30m的大跨度橋梁。型鋼混凝土還適合于尺寸特別大的梁、柱等；鋼混組合梁適用于結(jié)構(gòu)跨度較大而高跨比受到限制的樓蓋結(jié)構(gòu)；鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)因其抗壓能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，主要適用于高層、超高層建筑的柱或承受較大豎向荷載的柱；特殊的組合桁架、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)還適用于跨度較大的大、中型工業(yè)廠房。

2）工程實(shí)例 港珠澳大橋基礎(chǔ)工程采用沉管灌注樁基礎(chǔ)，是在一個(gè)大鋼管里澆筑具有高強(qiáng)度、耐海水氯鹽和各種微生物腐蝕性能的超強(qiáng)混凝土，屬于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，大橋主體工程全長(zhǎng)約29.6km；海底隧道長(zhǎng)約6.7km，采用沉管隧道技術(shù)，主體工程和海底隧道部分分別采用大量的鋼和混凝土2種材料；人工島的島體承重結(jié)構(gòu)采用直徑較大的鋼圓筒和毛石斜坡堤組合結(jié)構(gòu)。就其土建部分的路基路面而言，就是把鋼板與混凝土板組合形成一個(gè)整體，從而共同承受荷載。港珠澳大橋的用鋼量非常大，相當(dāng)于幾十個(gè)埃菲爾鐵塔的用鋼量，所以港珠澳大橋又稱為鋼橋。

4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展前景

1）在國(guó)外，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用始于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后。由于戰(zhàn)爭(zhēng)造成各種房屋大量破壞，為加快建設(shè)速度，人們發(fā)明了最初的組合結(jié)構(gòu)。1970年以后，歐美、日本等世界發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)本國(guó)理論試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用研究成果，制定了與本國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范。在此后的幾十年里，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在歐美日等國(guó)家迅速發(fā)展，特別是在高層、超高層建筑和大跨度跨河或跨海大橋中的應(yīng)用非常廣泛。

2）我國(guó)建國(guó)初期的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)力相對(duì)落后，對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究和應(yīng)用較晚，改革開(kāi)放后尤其是近10年來(lái)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展迅速，快速進(jìn)入大跨度橋梁和高層與超高層建筑領(lǐng)域，我國(guó)對(duì)現(xiàn)有的規(guī)范還在不斷改進(jìn)和趨于完善。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)由于受力合理、材料利用較充分、建筑垃圾回收率（重復(fù)利用率）較高、穩(wěn)定性好、抗風(fēng)性、抗震性好、施工方便且速度快、自重較輕等特點(diǎn)，將在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、高層與超高層建筑及對(duì)抗震有特殊要求的建筑物或構(gòu)筑物中被廣泛應(yīng)用，在未來(lái)的建筑市場(chǎng)擁有巨大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入新時(shí)代，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)未來(lái)新型組合結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展研究。作為一名研究鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的學(xué)者，筆者深深地感受到組合結(jié)構(gòu)將會(huì)在未來(lái)朝著更加經(jīng)濟(jì)合理化、資源節(jié)約化、人工智能化方向發(fā)展，將在服務(wù)于住房與城市及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮巨大作用。此外，由于組合結(jié)構(gòu)自身可回收再用率較高的特點(diǎn)，與住建部所倡導(dǎo)的促進(jìn)建筑資源全面節(jié)約與提高可重復(fù)利用性相一致，在未來(lái)的建筑業(yè)市場(chǎng)發(fā)展中所占的比重會(huì)越來(lái)越高。