轻钢混凝土组合结构的发展趋势

轻钢混凝土组合结构的发

展趋势

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轻钢-混凝土组合结构的发展趋势

提要：介绍了轻钢-混凝土组合结构的概念，对其结构体系、发展现状及存在的问题进行了探讨，并阐明了该结构必将广泛应用于建筑结构工程的发展趋势。关键词：轻钢-混凝土组合结构；结构体系；发展趋势

一、引言

随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产，我国已进入了大力发展钢结构建筑的新时期。目前，普通钢结构建筑的受力性能分析和设计方法已比较成熟，轻型钢结构和普通钢-混凝土组合结构也处于进一步开发和完善阶段，而轻钢-混凝土组合结构的研究还比较少[1,2,3]。轻钢-混凝土组合结构是一种由冷弯薄壁型钢和薄壁钢管与混凝土组合而成的新型结构体系。轻钢─混凝土组合结构具有轻钢结构的优点，同时由于混凝土的存在而提高了结构的刚度和稳定性，并增强了结构的防火性能。

二、轻钢-混凝土组合结构体系

（一）竖向承重结构

结构竖向承重主要以薄壁钢管混凝土柱为主。由于冷成型薄壁钢管的管壁较薄，管内部混凝土可防止钢管发生局部屈曲，还可根据其稳定性要求在管内纵向设肋[4]，从而提高钢管的局部稳定承载力。同时钢管对混凝土有较强的约束作用，提高了混凝土的轴向抗压强度，因此，薄壁钢管混凝土柱的承载力高于钢管和混凝土的承载力之和。由于在钢管内浇筑了热容量较大的混凝土，发生火灾时

能够吸收热量，从而延长了钢管的耐火极限[5,6]。圆钢管轴向受力性能较好，其受弯性能及与其它构件的连接不如方钢管，但方钢管对混凝土的约束能力较差[7]。因此可考虑采用六边形及八边形钢管[8,4]，以便为梁﹑柱连接提供方便和保证（如图1所）。

（二）楼面结构

轻钢-混凝土组合建筑可选用多种楼面结构形式。它要求楼板必须有足够的刚度﹑强度和整体稳定性，同时应使楼板自重轻﹑厚度小，并提高施工速度。楼面结构可选用如下形式：

（1）压型钢板和混凝土组合楼板；

（2）密肋轻钢─混凝土组合楼板；

（3）现浇预应力钢筋混凝土楼板；

（4）混凝土预制叠合楼板。

其中优先选用1﹑2类型。其主要优点是：

（1）省去楼面模板支撑，节省投资，施工速度快；

（2）压型钢板与轻钢密肋中可布置设备管线，减少吊顶高度；

（3）平面刚度大，房屋有较强的整体性，抗震性能好。主﹑次梁可采用矩形钢管﹑双槽钢﹑冷弯U型卷边槽钢或H型﹑I字型焊接或热轧型钢。I字型钢可以是实腹的也可是空腹的，也可选用卷边槽钢－混凝土组合梁。梁板组合结构通过栓钉及剪力连接件形成整体，共同来承担楼面荷载。目前压型钢板与混凝土组合楼面结构在国内发展已比较成熟。

（三）支撑结构

（1）对于单层工业厂房轻钢─混凝土组合结构，由于采用薄壁钢管混凝土柱承受竖向荷载及吊车荷载，屋架及支撑均可采用轻型钢构件，因而其支撑布置方式与普通钢结构厂房类似。即采用柱间支撑及屋盖水平﹑垂直支撑来保证厂房及屋盖的整体稳定性。

（2）对于多﹑高层轻钢─混凝土组合结构体系，由于其侧向刚度较弱，为抵抗水平地震作用，减小层间侧移，宜在相应位置采用垂直支撑。为满足门窗开洞及其它方面需要，支撑的形式可以灵活多样，如X型﹑M型﹑W型﹑V型﹑单斜杆型﹑人字型支撑等。对位于地震区的通常的钢－混凝土组合梁楼盖宜采用偏心支撑[1]，以便结构在地震作用下具有良好的延性及耗能性能。此外，若采用刚性梁柱节点，对于多层结构可以不设置支撑构件。

（四）维护结构

轻钢-混凝土组合结构与其它钢结构一样，应采用轻质维护材料。墙梁宜优先选用冷弯薄壁槽钢﹑卷边槽钢﹑卷边Z型钢。可采用轻型组合墙体，如：压型钢板加轻型保温隔层墙体﹑压型钢板夹芯板﹑玻纤增强水泥外墙板﹑钢网塑料墙板等。至于屋盖结构，一般采用有檩体系，亦可采用拱形波纹屋顶或轻型网架﹑轻型桁架加铺轻质保温层和彩色压型钢板。其特点是生产工厂化，制作机械化，施工方便﹑速度快﹑工期短。

三、轻钢-混凝土组合结构的发展现状

（一）国外研究现状

国外一些学者已进行了薄壁型钢混凝土组合梁及薄壁钢管混凝土组合柱的试验研究。组合梁中的薄壁型钢主要有冷弯U型型钢﹑百叶薄壁型钢和装配式薄壁型钢等形式，如图2所示。c～h类型均能与混凝土有效地结合[9,10，11，12]，

来共同承受外界弯矩和剪力。其中h类型为装配式截面，布置较为灵活，可适用于不同截面尺寸的轻钢组合梁，并可作为标准型材批量生产，但在浇混凝土之前必须用框架固定其形状。a、b类型[7]为箱形薄壁型钢截面，与混凝土的粘结性能较差，一般只起到模板的作用。此外，还可根据实际需要，在薄壁型钢混凝土梁中配置一定数量的纵向钢筋，以进一步提高其抗弯刚度和极限承载力。

国外研究表明[9,13]，薄壁型钢混凝土组合梁的承载力大小，取决于薄壁型钢与混凝土间的粘结力性能。粘结性能好才能使钢和混凝土两种材料共同工作，充分发挥材料的强度。而薄壁型钢的截面形状及表面有无刻痕是影响粘结力的主要因素。如图2中c～h类型，在充分咬合情况下，钢板与混凝土处于完全粘结状态，其应变相同，几乎没有滑移发生。对于不同形状的薄壁钢板，可取用不同的粘结系数，具体数值需要由试验确定。目前，轻钢-混凝土组合梁还正处于研究开发阶段。

薄壁钢管混凝土柱的研究目前主要集中在短柱上[8,4],重点研究圆形和方形截面短柱在轴压荷载作用下的力学性能，包括钢壁板的局部屈曲性能，而对于长柱构件在轴压和压弯荷载作用下的性能研究还未见相关报导

（二）国内研究现状

在国内，清华大学和哈尔滨工业大学正在进行轻钢-混凝土组合构件的研究工作。哈尔滨工业大学近期进行了薄壁型钢混凝土组合梁和短柱的试验研究。共对6根梁和22个短柱构件进行了静载试验观测，取得了较为理想的结果。下面对其组合梁、柱试验情况分别加以介绍。

1.薄壁型钢混凝土组合梁试验