钢-混凝土组合结构的研究进展

第30卷第2期2009年4月华　北　水　利　水　电　学　院　学　报Journa l of Nort h China Institut e of W ate r Conservancy and Hydroe l ec tric Powe rVol 130No 12Ap r 12009收稿日期6作者简介胡　利(—),女,湖北公安人,在读硕士研究生,主要从事钢混凝土组合结构方面的研究文章编号:1002-5634(2009)02-0051-03钢-混凝土组合结构的研究进展胡　利1,王春磊2,李锋宁3(1.西安建筑科技大学,陕西西安710055;2.九冶建设有限公司,陕西咸阳710086;3.陕西红柠铁路有限责任公司,陕西神木719300)摘　要:阐述了钢-混凝土组合结构在国内外的研究发展,分析了钢-混凝土组合结构需要进一步研究的问题.并通过工程实例说明了该类结构具有良好的安全性、美观性和经济性,值得推广.关键词:钢-混凝土组合结构;发展应用;研究问题中图分类号:T U398;T U375 文献标识码:A 由几种不同受力性质的建筑材料组成,在荷载作用下具有整体作用的结构称为组合结构.随着建筑结构的发展,钢-混凝土组合结构得到越来越广泛的应用,成为与传统混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构相并列的新结构类型.钢-混凝土组合结构充分发挥了混凝土和钢材各自的优良性能,具有材料利用更充分、抗震性能好以及施工方便等优点,目前在欧美及日本等国应用广泛.我国对组合结构的研究与应用虽然起步较晚,但近年来取得了不少成果,各项力学性能试验也在进一步研究之中.1　组合结构的研究发展和工程应用钢-混凝土组合构件目前的主要形式有钢-混凝土组合梁、压型钢板混凝土组合楼板、型钢混凝土结构、钢管混凝土组合结构及外包钢混凝土结构等.1.1　钢-混凝土组合梁钢-混凝土组合梁是通过剪力连接件将钢梁与混凝土板连接起来而共同受力、变形协调的一种梁,该梁充分利用钢的优越抗拉性能和混凝土的优越抗压性能,显著提高了梁的刚度和稳定性.20世纪20年代初,加拿大首次对钢-混凝土组合结构进行了研究,他们进行了T 形简支组合梁的实验研究,同时,美国也进行了相应研究,并故意将工字钢翼缘两边剪成齿条状或将梁上翼缘表面凿得凹凸不平以增加粘结力[1].20世纪30年代末,欧洲多国也对其进行了实验研究.随后,这些技术先进的国家都制定了有关组合梁的设计规范或规程,组合梁设计理论逐渐得到完善.我国对钢-混凝土组合梁的研究相对国外较晚,约20世纪80年代初期,主要以试验研究和理论分析为主,包括研究简支组合梁的抗弯承载力、刚度、滑移效应等;研究栓钉、槽钢、弯筋及方钢剪力连接件在混凝土中的工作性能,探讨了其破坏形态、极限承载力、荷载与滑移关系等;研究了钢-混凝土连续组合梁的性能,探讨了塑性内力重分布规律、负弯区的承载力和裂缝宽度及钢梁局部稳定性等问题[2-3].最早的组合结构规范大多应用于桥梁结构,国外在很多大跨度桥梁中采用了钢-混凝土组合梁.我国从20世纪60年代初以来,便将钢-混凝土组合梁应用于工业与民用建筑及桥梁中.由于组合梁具有抗疲劳性能好、承载力可靠、节约钢材、降低梁高和增强梁的刚度的优点,目前已被广泛应用于多层工业厂房、高层建筑、桥梁结构、结构的加固与修复[4].1.2　压型钢板混凝土组合楼板压型钢板混凝土组合楼板是通过剪力连接件与钢梁连接起来,形成整体共同受力和协调变形的一:2008-12-1:1982-.种新型组合楼板体系.它能充分利用钢材优越的抗拉性能和抗压性能,具有自重轻、塑性和抗震性能好、施工简便和经济效果显著等突出优点.国外自20世纪60年代就开始对压型钢板混凝土组合楼板进行研究,研究了压型钢板混凝土组合楼盖的抗弯、抗剪及耐火等工作性能,研究成果已被许多国家纳入设计规范或规程[5],如美国A IS C规范(1978)、加拿大CS A(1978)规范、澳大利亚AS2327-Pa rt2-1980规范及欧洲组合结构规程EC -4[6]等都设有压型钢板混凝土组合楼板的条文,并且已建成一批压型钢板混凝土组合楼板体系,取得了良好的经济效益和社会效益.我国对压型钢板混凝土组合楼板研究较晚,主要是因为过去我国钢材产量较低,薄卷板材尤为紧缺,成型的压型钢板与连接件等配套技术未得到开发所致.20世纪80年代,我国对压型钢板混凝土组合楼板的基本性能进行了研究,如冶金建筑研究总院、哈尔滨建筑大学、北京市建筑设计研究院分别对组合效应、耐火性能进行了研究,给出了组合楼板的挠曲变形计算公式和楼板在一定时间内耐火时限中的变温和变形发展规律,并应用有限元法分析了组合板的温度场,分析影响组合板耐火极限的参数等.目前已建成一批采用组合楼板的大跨结构、高耸建筑等,如上海锦江饭店、深圳发展中心大厦、北京香格里拉饭店、沈阳市汽车城等.1.3　型钢混凝土结构型钢混凝土是在钢筋混凝土内部埋置型钢形成的构件,它的突出优点是承载力高、构件截面较小、可降低结构层高;可以利用型钢的承载力减少模板工程量、缩短工期;结构延性好、抗震性能优良;耐火性和防火性明显优于钢结构.日本是强震多发国,对型钢混凝土的理论研究和试验工作比较深入,应用最广.1905年日本建造了第一个采用型钢混凝土柱的结构;1921年建成的日本兴业银行采用型钢混凝土的结构,在1923年东京大地震中几乎完整无损.1968年十胜冲发生大地震,震害调查反映了结构变形能力对结构抗震性能的重要意义,从此更注重结构的延性研究.1987年,文献[7]第5次修订出版.英美和其他西欧国家、加拿大、前苏联都有大量的型钢混凝土的结构研究成果和应用实践.欧洲统一规范文献[6]中也包括型钢混凝土结构的设计规范.我国从世纪5年代开始应用型钢混凝土,年代中期以后进行了大量的实验研究,分析其抗弯、抗剪的极限承载力,研究其破坏形态,以及粘结滑移对结构承载力影响,并做振动台试验以测试其抗震能力.目前已制定了文献[8-10]等标准.型钢混凝土结构的典型应用有北京香格里拉饭店、上海金茂大厦、深圳地王大厦等.1.4　钢管混凝土组合结构钢管混凝土结构是用水泥混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构,它能充分发挥混凝土和钢材各自优势,受力合理,节省材料.其基本原理为:借助核心混凝土增强钢管壁的稳定性;借助钢管对核心混凝土的约束作用,使混凝土处于3项受压状态,提高混凝土的强度和变形能力.20世纪60年代后,钢管混凝土结构得到深入的研究并被广泛应用,但往往采用壁厚较厚的热轧管,且混凝土浇筑工艺未得到很好地解决,经济效果不明显,推广应用受到一定的影响.前苏联在五六十年代进行了大量的研究,并在工业厂房和拱桥结构中采用;美、英、德和法等国主要研究核心混凝土为素混凝土、配筋或型钢混凝土的钢管混凝土.1923年日本关西地震后,发现钢管混凝土结构的破坏并不明显,故在以后的建筑,尤其是多、高层建筑中大量地采用.1995年阪神地震后,更显示了其优越的抗震性能,对其研究越来越热门.我国主要集中研究在钢管中灌素混凝土的内填型钢管混凝土,最早开展研究的是原中国科学院哈尔滨土建研究所(现国家地震局工程力学研究所). 1968年以后,原建筑材料研究院、原哈尔滨建筑工程学院和中国建筑科学院等单位都先后对基本构件的工作性能、设计方法、节点构造和施工技术等开展了比较系统的研究,20世纪60年代中期开始在厂房和地铁工程中采用,70年代后期在冶金、造船、电力等行业的工业厂房得到进一步的推广应用.现广泛应用于高层和超高层建筑、桥梁结构、空间结构和单层和多层工业厂房柱.1.5　外包钢混凝土组合结构外包钢混凝土是外部配型钢的混凝土结构,是在克服装配式钢筋混凝土结构某些缺点的基础上发展起来的,仿效钢结构的构造方式,是钢与混凝土组合结构的一种新形式.1987年,水利电力部华北电力设计院和电力建设研究所的有关工程技术人员首先在电厂的结构体系改革中提出采用外包钢结构,并结合实际工程,做了大量的试验研究.80年代以来进行了外包钢杆件的剪切和偏压剪强度、延性以及框架节点的试验研究,并对计算理论进行了探讨外包钢结构与钢筋混凝土结构相比具有节省模板、降低造价和缩短工期25　华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 2009年4月20080.的优点,与钢结构相比具有刚度好、耐火性能好和减小防锈面积等优点.外包钢结构构造简单,连接方便,使用灵活,适用于一般工业厂房框架和排架结构,目前在电力和石油工业部门的应用较多.除了外包钢混凝土结构多用于工业厂房外,前述3类钢-混凝土组合结构也可根据需要在同一结构中采用.例如,日本东京区高层住宅,采用钢管混凝土柱、型钢混凝土梁.2　需进一步研究的问题钢-混凝土组合结构在实际工程应用中存在很多钢筋混凝土结构或者钢结构无法体现的优点,但也存在如下缺点:压型钢板组合板的连接性能不好,焊接质量不易保证,且还存在焊接栓钉、镀锌可焊性很差等施工问题;组合梁耐火性能较差;钢管混凝土柱与梁的节点连接方式是设计与施工时的难点;外包钢结构由于外包外露,容易腐蚀,需要专门的防腐蚀措施等.目前,钢-混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目,为更好地推广组合结构,笔者认为,需要进一步对以下问题进行研究:组合结构在复杂受力状态下的性能及设计方法,温度、徐变和收缩效应及残余应力的影响,组合结构的整体性能和施工力学问题研究,开发新的组合结构形式,开展梁柱节点构造、构件及其节点制造的标准化和组合结构体系的性能研究、防火研究等.此外,还需推广采用高强高性能材料,以充分地发挥2种材料的组合作用等.3　结　语钢-混凝土组合结构具有广阔的应用前景.工程实践表明,推广该类结构符合我国国情,符合建筑结构技术发展方向.对钢-混凝土组合结构的研究,国内外都投入了一定的人力、物力和财力,并取得了一定成果,但是,还应加大对组合结构研究的投入使其更好地发挥在工程结构中的优势,且有必要尽快制定一部完整的钢-混凝土组合结构设计规范.参　考　文　献[1]王连广.钢与混凝土组合结构计算与理论[M ].北京:科学出版社,2005.[2]林宗凡.钢-混凝土组合结构[M ].上海:同济大学出版社,2004.[3]傅传国,娄宇.预应力型钢混凝土结构试验研究及工程应用[M ].北京:科学出版社,2007.[4]聂建国,余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J ].土木工程学报,1999(2):3-7.[5]蒋首超,李国强,周宏宇,等.钢-混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究[J ].建筑结构学报,2004(3):45-50.[6]欧洲标准化委员会.E C -4.De sign of Co mpo site Steeland Conc rete Structure s [S ].出版地及出版社不详,1994.[7]日本建筑学会.钢-钢筋混凝土结构计算标准[S ].出版地及出版社不详,1987.[8]中华人民共和国行业标准.JG J138-2001型钢混凝土组合结构技术规程[S ].北京:中国建筑工业出版社,2002.[9]中华人民共和国行业标准.T B 9058-97钢骨混凝土结构设计规程[S].北京:冶金工业出版社,1998.[10]中华人民共和国行业标准.DL /T5085-1999钢-混凝土组合结构设计规程[S ].北京:中国电力出版社,1999.Resear ch of the Steel 2con cr ete C om posite S tr uc tur esHU L i 1,WANG Chun 2lei 2,L I Feng 2ning3(1.Xi ′an Uni ve rsity of Architecture &Technol ogy,Xi ′an 710055,China;2.No .9M eta llurgica l Construction Li m ited Corporati on,Xianyang 710086,China;3.Shanxi Hong n i ng R ailroad L i m ited L iability Company,Shen m u 719300,China)Ab stra ct:A s for the steel 2conc re t e co mposite struc tures ′develo pm en t and applica ti on at h ome and abroad are de tailed,and t he prob 2l em s of t he stee l 2conc rete co mposit e struc t ures in furt her re s ea rch a re analyzed .The p rojec t practi ce indi ca tes tha t this kind of struc tures have the g ood secur ity,the a rtistry and the effi c iency,a re worth 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