型鋼混凝土梁構(gòu)件施工階段的受力性能及其施工工藝

恩學(xué)斌

摘? ? 要：我國(guó)的建筑工程行業(yè)隨著市場(chǎng)需求激增而飛速發(fā)展，同時(shí)施工工藝方面也在市場(chǎng)刺激下不斷優(yōu)化，這些年施工方根據(jù)工程實(shí)踐反饋結(jié)果總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后不斷做出各種改善。例如，通過(guò)將型鋼與鋼筋、混凝土材料組合形成的結(jié)構(gòu)，通過(guò)三者的共同作用來(lái)抵抗外部應(yīng)力。這種方式可以自由組合成許多個(gè)品種的構(gòu)件，較其他常規(guī)結(jié)構(gòu)在承載能力、剛度、抗震性能方面都表現(xiàn)得更為優(yōu)秀，這種結(jié)構(gòu)從橫截面來(lái)看型鋼全部被包在混凝土內(nèi)部，80年代后逐步被廣泛和深入地運(yùn)用在地震頻發(fā)區(qū)的高層建筑、海洋工程、城市立交橋、橋梁、鐵路、大跨度公路、工業(yè)廠(chǎng)房、超高層建筑等工程當(dāng)中。但因?yàn)槲覈?guó)對(duì)于整個(gè)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究和使用仍然處在初級(jí)階段，經(jīng)驗(yàn)不足，沒(méi)有較為系統(tǒng)地完整施工方法，這種結(jié)構(gòu)在多樣性和施工的復(fù)雜性的荷載作用下始終還是缺乏足夠施工經(jīng)驗(yàn)和性能研究，本文從理論上分析了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁的荷載性能，并且研究了混凝土施工振搗對(duì)構(gòu)件的影響情況，其中包括施工機(jī)具和操作人員荷載、模板重量與混凝土重量，通過(guò)公式進(jìn)行彎矩的計(jì)算。詳細(xì)探討了型鋼混凝土的梁和類(lèi)似不同構(gòu)件的制作工藝和流程，其中著重介紹了構(gòu)件的制作方法和注意要點(diǎn)，希望能夠?yàn)樾弯摶炷亮簶?gòu)件在我國(guó)的發(fā)展前景介紹給后來(lái)者。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土;施工;受力性能

1? 概述

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)從橫截面看是由型鋼、鋼筋、混凝土三種材料組合而成，其中型鋼全部被混凝土包裹在內(nèi)部，根據(jù)三種材料的使用比例、位置不同可以組合成許多個(gè)品種的構(gòu)件，如此組合較其他常規(guī)結(jié)構(gòu)在承載能力、剛度、抗震性能方面都表現(xiàn)得更為優(yōu)秀，更加適合現(xiàn)在各類(lèi)大胯結(jié)構(gòu)，地震頻發(fā)區(qū)的高層建筑、高聳建筑。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)處于初級(jí)使用階段，專(zhuān)業(yè)的學(xué)術(shù)理論研究和實(shí)踐的施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)貧乏。本文從理論上分析了型鋼混凝土梁正截面在施工階段的荷載性能，荷載性能主要測(cè)量施工階段的混凝土自重、模板的重量、操作人員和施工機(jī)具的重量、振搗混凝土對(duì)構(gòu)件的影響，并給出受彎承載力的計(jì)算方式。本文對(duì)于型鋼混凝土梁構(gòu)件相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論，著介紹了型鋼混凝的制作工藝和流程，以及他的受力特點(diǎn)。在國(guó)際上因?yàn)樾弯摶炷翗?gòu)件出現(xiàn)的相對(duì)較晚，具體受力標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但截面計(jì)算方法相對(duì)比較普遍，應(yīng)用的也比較廣泛，也是我們著重介紹的一種方法 [1]。

2? 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及特點(diǎn)

2.1? 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的類(lèi)型

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)一般分為兩種，一種空腹式，一種實(shí)腹式，都是將型鋼置放進(jìn)混凝土當(dāng)中。實(shí)腹式的根據(jù)橫截面不同可以有很多種，比如圓形、矩形、王字形、L形、H形、T形、工字形等等，多是由型鋼或鋼板組成。而空腹式的型鋼則在材料的節(jié)省方面比實(shí)腹型更為優(yōu)秀，他們可以由綴條或綴板將槽鋼和角鋼連接在一起，它們的抗震效果更為優(yōu)秀，但是，這種結(jié)構(gòu)的型鋼混凝土在在延展性方面不太理想，不如實(shí)腹型。我國(guó)建筑早期應(yīng)用空腹式較多，但從70年代開(kāi)始普遍更替采用實(shí)腹式[2]。型鋼混凝土從置入型鋼的位置在截面形狀有可以分為規(guī)則截面和不規(guī)則截面，目前建筑中多采用規(guī)則截面形式即型鋼及混凝土從橫截面看上下左右布置對(duì)稱(chēng)，不規(guī)則截面主要應(yīng)用于許多特殊情況下。

2.2? 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）良好的抗風(fēng)抗震性能。由于置入了抗拉亞性的型鋼，而且型鋼被包裹在混凝土的內(nèi)部，受到混凝土產(chǎn)生的約束力，使得型鋼混凝土構(gòu)件獲得了更高的韌性，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鐵筋混凝土相比具備更好的力學(xué)性能。通過(guò)良好的設(shè)計(jì)，型鋼構(gòu)件可以在地震有有較好的震能消耗，在高層風(fēng)壓下也能有良好的耗能表現(xiàn)[3]。

（2）綜合經(jīng)濟(jì)效益高。工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益是衡量工程的重要指標(biāo)之一。從建設(shè)成本角度來(lái)看，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中鋼材用量只有鋼結(jié)構(gòu)的百分之三十左右，構(gòu)件的梁截面尺寸減小同時(shí)減小了結(jié)構(gòu)總高度，從而整個(gè)房屋造價(jià)成本大幅降低;從保養(yǎng)方面看，型鋼結(jié)構(gòu)的鋼材被混凝土包裹，完美克服了鋼結(jié)構(gòu)的銹化和腐化，既提高了防火性能，又減少了維護(hù)工作;從建筑布置靈活方面看，型鋼混凝土建筑由于承重構(gòu)件截面尺寸下，占據(jù)空間更低，使建筑的使用面積大大增加。

（3）施工便捷，縮短周期。型鋼本身的承載能力很強(qiáng)，即便沒(méi)有澆灌也具有一定的承載能力，所以在澆筑混凝土的時(shí)候可以不用另設(shè)支撐而是直接將模板掛在型鋼上，這樣可以一定程度上節(jié)省支撐材料和減少支模的工作量，在工序上因?yàn)椴挥每紤]混凝土要達(dá)到某個(gè)強(qiáng)度才能繼續(xù)上層施工作業(yè)，大大的縮短了施工工期。

（4）型鋼混凝土的缺點(diǎn)。[①]由于繁瑣復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)配筋構(gòu)造，組合結(jié)構(gòu)缺乏關(guān)鍵的連接構(gòu)造技術(shù)，導(dǎo)致工程施工困難，需要進(jìn)一步做詳細(xì)研究。[②]型鋼混凝土的缺陷之一是他的造價(jià)，一般情況下型鋼混凝土要比正常的鋼筋混凝土的造價(jià)多出一半。[③]各國(guó)學(xué)者對(duì)型鋼混凝土計(jì)算理論觀點(diǎn)和計(jì)算公司都有出入，不盡相同。缺乏型鋼混凝土的受力性能的影響因素以及非線(xiàn)性分析的系統(tǒng)研究。

綜上所述，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)兼容了型鋼、鋼筋、混凝土三者的優(yōu)勢(shì)特性，具備了比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所不具備的特性，如承載力增大、剛度增大、防火性能增強(qiáng)、抗震性能增強(qiáng)、防風(fēng)性能增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減少了鋼材的使用量[4]。因此，在我國(guó)推廣型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑的應(yīng)用具有重要的價(jià)值和意義。隨著組合結(jié)構(gòu)的廣泛使用，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，豐富理論研究，總結(jié)實(shí)踐結(jié)果，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)也將逐步完善成為主流應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

3? 型鋼混凝土主梁施工工藝

3.1? 型鋼混凝土用料的選擇

（1）型鋼用料選擇：高層建筑結(jié)構(gòu)的主要承重鋼材一般不考慮采用A級(jí)鋼材，因?yàn)锳級(jí)鋼材通常不做沖擊和冷彎試驗(yàn)。（2）鋼筋用料選擇：一級(jí)、二級(jí)熱軋鋼筋適合作為箍筋材料，二級(jí)、三級(jí)熱軋鋼筋適合作為縱向鋼筋材料。（3）栓釘用料選擇：為了保證型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體工作抗剪連接作用，應(yīng)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《圓柱頭焊釘》規(guī)定的合格產(chǎn)品，不可以采用短鋼筋代替栓釘，導(dǎo)致力學(xué)性能無(wú)法保障。（4）混凝土用料選擇：考慮到混凝土在結(jié)構(gòu)中既要在截面抗彎中承擔(dān)壓力又要防止型鋼的翼緣局部和腹板壓屈，應(yīng)采用高強(qiáng)度等級(jí)的混凝凝土，等級(jí)通常不低于C30。

3.2? 型鋼混凝土梁和柱的施工工藝流程

施工工藝的步驟較為繁復(fù)，先要將底板鋼筋綁扎好，然后在型鋼柱底節(jié)插入底板，在固定和校正后再插入柱筋，都做好后再進(jìn)行底板的混凝土澆筑，隨后開(kāi)始綁扎柱筋，合攏柱模，然后澆筑柱子的混凝土，之后開(kāi)始搭設(shè)梁模板，綁扎梁板鋼筯并安裝型鋼梁，然后又到了澆筑梁板混凝土的環(huán)節(jié)，澆筑完成后再構(gòu)筑長(zhǎng)鋼并對(duì)構(gòu)件進(jìn)固定和校正，再然后又是一輪綁扎柱筋、合攏模板，澆筑混凝土，如此反復(fù)。

3.3? 型鋼混凝土梁和柱的制作加工

（1）工藝流程：第一步先要進(jìn)行原材料的質(zhì)量復(fù)核，完成后進(jìn)行劃線(xiàn)找方，再下一步進(jìn)行切割，鉆孔，對(duì)于坡口也要注意處理，然后將處理過(guò)的材料組成成型并進(jìn)行貼角焊，栓釘熔焊等，整個(gè)成品就完成了，但是還需要進(jìn)行探傷檢查，最后一步是進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)收。

（2）檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：焊縫金屬表面光滑不得有裂縫、夾渣、焊結(jié)、焊穿、弧坑、針孔點(diǎn)，鋼材表面不能有深度超過(guò)1.5mm的劃痕及明顯凹陷或損傷。塊體、切割誤差應(yīng)控制在1.5mm范圍內(nèi)，對(duì)接間隙的誤差控制在1.0mm的范圍內(nèi)，任意兩個(gè)相鄰孔距偏差控制在1.0mm范圍內(nèi)，埋弧自動(dòng)焊的焊絲和焊劑要相匹配。

3.4? 鋼柱梁安裝和鋼筋綁扎施工

施工的流程步驟：第一步是要進(jìn)行防線(xiàn)，然后是安裝鋼柱并進(jìn)行箍筋套柱，不要忘了在鋼梁外箍要套在梁內(nèi)，然后進(jìn)行鋼梁的安裝，進(jìn)行鋼筋的穿孔和綁扎。通常我們采用更為先進(jìn)的交叉焊接方法，這樣可以很大程度保證鋼構(gòu)件的質(zhì)量和尺寸。

3.5? 混凝土施工

在進(jìn)行型鋼混凝土柱構(gòu)件澆筑時(shí)，需要嚴(yán)格控制施工工藝，混凝土應(yīng)從型鋼柱四周均勻下料，每層混凝土厚度要控制在50cm左右。振搗需要同時(shí)采用4根振搗棒，由下至上振搗，避免鋼筋圍繞的死角區(qū)域無(wú)混凝土或者混凝土澆筑不密實(shí)的情況。

梁混凝土在施工澆筑的時(shí)候，應(yīng)該從工字梁的下端開(kāi)始，從下側(cè)開(kāi)始澆筑，然后用儀器將混凝土從一側(cè)振搗到底部的另一側(cè)。如果混凝土的高度太高，已經(jīng)超過(guò)了鋼梁的下翼板100mm，則采用振搗棒進(jìn)行兩側(cè)同時(shí)的振搗也可稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)振搗，這種方法可以使得整個(gè)鋼梁的混凝土相對(duì)均勻。在進(jìn)行鋼梁腹板的澆筑時(shí)，也需要注意一些細(xì)節(jié)，在離上翼板100mm的時(shí)候，應(yīng)該注意從中部進(jìn)行振搗，這樣可以能夠最大限度的將上翼板的汽泡排出。

3.6? 支撐加固及模板拆除和養(yǎng)護(hù)

（1）加固：型鋼梁自重是一個(gè)不得不考慮的因素，不僅需要考慮到這一層的各種荷載要求，還要考慮到其他數(shù)層的荷載傳遞和自重，所以在施工前務(wù)必對(duì)下層梁先進(jìn)行加固措施[3]。

（2）拆模：澆筑底模的時(shí)間一定要注意掌握，必須達(dá)到28天而且強(qiáng)度檢測(cè)也要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才可以對(duì)模具進(jìn)行拆除，側(cè)模則要求在澆筑完成后至少七天才可以拆除，而且每間隔14天進(jìn)行4次/天的澆水養(yǎng)護(hù)工作;對(duì)于外側(cè)模板也要注意養(yǎng)護(hù)，因?yàn)榛炷習(xí)驗(yàn)闇囟茸兓瘡亩斐蔁釒だ淇s，這樣就很容易產(chǎn)生裂縫，我們采取澆水養(yǎng)護(hù)的辦法則可以在一定程度上防止裂縫的出現(xiàn)。

4? 型鋼混凝土梁正截面受彎承載力計(jì)算

4.1? 型鋼和混凝土共同工作

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的剪力鍵作用十分重要，它可以使得混凝土與型鋼上翼緣交界地方在受到外力時(shí)發(fā)生的變形與整體保持致，這樣就不會(huì)出現(xiàn)特別明顯的混凝土裂縫了，使得整個(gè)建筑構(gòu)件在抗裂縫變形方面能夠有良好表現(xiàn)。如果混凝土構(gòu)件缺少了這個(gè)剪力鍵，那整個(gè)構(gòu)件在外力作用時(shí)都可能會(huì)發(fā)生箍筋間距變形，構(gòu)件粘合強(qiáng)度變低等情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成外包的混凝土脫落，使得整個(gè)構(gòu)件的承載能力都會(huì)受到影響。

4.2? 澆筑混凝土后型鋼混凝土梁正截面受力性能計(jì)算

目前型鋼混凝土結(jié)構(gòu)通常都是中和軸在鋼腹板中通過(guò)，短形的截面梁在計(jì)算時(shí)，型鋼的彈性模量ESS，鋼筋的彈性模量ES，受拉鋼筋A(yù)S，型鋼腹板厚度TW，型鋼至受壓區(qū)邊緣的距離AS，型鋼下翼緣至受拉區(qū)邊緣AS，用H來(lái)代表梁截面的高度，用HS來(lái)表示型鋼的截面高度，用B來(lái)表示截面寬度，AR表示受拉區(qū)邊緣到受拉鋼筋重心的距離，AR表示受壓區(qū)邊緣到受壓區(qū)鋼筋的距離。

5? 結(jié)論

型鋼混凝土相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土而言，有著極大優(yōu)點(diǎn)。比如良好的抗風(fēng)減震性，良好的整體經(jīng)濟(jì)性，施工十分便捷而且周期很短，可以極大的改以往建筑工程上的一些弊端。當(dāng)然，型鋼混凝土同時(shí)也存在諸多缺點(diǎn)，比如單個(gè)型鋼構(gòu)件的造價(jià)較貴，其中一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也對(duì)施工人員提出了技術(shù)上的要求還有就是對(duì)于這種新型的構(gòu)件，國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算受力的標(biāo)準(zhǔn)。相信隨著人們研究的不斷深入，算法的不斷成熟，型鋼混凝土將會(huì)在工程上有更為廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳瑞生，周曉悅，惲波，等.鋼骨混凝土柱非線(xiàn)性有限元分析[J].浙江建筑，2003（6）：97～103.

[2] 姜維山，趙世春，孫慧中，等.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2002（3）：23～54

[3] 江韓，侯善民，包紅燕.南京圖書(shū)館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].工程抗震，2004（4）.

[4] 王向峰，張仲先，阮成堂，等.鋼骨混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2002（1）：74～78.