结构组合

浅谈结构组合的优缺点
钢和混凝土组合结构是钢部件和混凝土或钢筋混凝土部件组合成为整体而共同工作的一种结构，兼具钢结构和钢筋混凝土结构的一些特性。

可用于多层和高层建筑中的楼面梁、桁架、板、柱，屋盖结构中的屋面板、梁、桁架，厂房中的柱及工作平台梁、板以及桥梁，在中国还用于厂房中的吊车梁。

钢和混凝土组合结构有组合梁、组合板、组合桁架和组合柱四大类
1　概述
两种不同性质的材料组合成一个整体而共同工作的构件称为组合构件,组合结构是由组合构件组成。

例如钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力学性能完全不同的材料组合而成。

通过研究和实践证明,钢—混凝土组合结构住宅建筑体系具
有以下几个特点[1]:
1)建筑物自重轻;
2)钢—混凝土组合结构住宅体系的楼板是一种性能良好的大开间楼板;
3)体系节能、隔声性能好,更适宜居住;
4)体系采用了新型的墙体材料,大大减小了墙体的厚度,因而可比砖混结构增加10%的使用面积;
5)该体系的主要构配件均可在工厂内生产,标准化程度高, 质量容易得到保证。

50多年来,组合结构的研究与应用得到迅速发展,至今已成为一种公认的新的结构体系,与传统的四大结构,即钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列,已扩展成为五大结构。

2　组合结构在我国的发展
我国在组合结构方面的研究与应用始于20世纪80年代。

西安建筑科技大学与原冶金部建筑研究总院最早开始进行组合结构的研究,继而有西南交通大学、重庆建筑科技大学、中国建筑科学院、华南理工大学、东南大学、清华大学等高等院校、科研单位也展开了广泛的研究。

西安建筑科技大学系统地研究了各种配钢方式的型钢混凝土梁、柱、节点等各种构件的基本性能。

进而于20世纪90年代又进行了钢骨混凝土框架结构的模拟地震动态试验、拟动力试验,应用结构的静动力特性与分析方法,在我国自己的试验研究基础上制订了一套完整的设计计算理论。

1989年曾提出了《型钢混凝土结构的设计建议》,1997年原冶金工业部主要参考日本规程,编制并颁发了行业标准《钢筋混凝土设计规程》。

20世纪80年代中期,我国开始引进与研究组合楼盖这种结构形式,由于
这种结构既省去全部模板工程,又可以立体作业,不但省去了大量木材与人力,而且大大加快了施工进度,很快受到了许多建设者的欢迎。

较早采用这种结构作为楼板的典型建筑有上海锦江饭店、静安饭店、深圳发展中心、北京香格里拉饭店等,高层建筑采用组合楼盖的工业厂房有沈阳海热电厂等。

组合结构可以发挥钢与混凝土各自的特长,因而具有刚度大、抗震性能好、节省钢材、降低造价、施工方便等一系列优点。

目前在工程中应用较多的为组合板、组合梁、钢管混凝土柱以及
钢—混凝土结构体系。

2.1　组合楼板的优点
1)压型钢板可叠在一起,易于运输、卸装、堆放,在现场轧制也十分方便,长度可任意切取。

2)不需要支模,因而就没有模板拆卸工作,压型板安装后,即可用作操作平台,放置工具和材料。

3)压型钢板具有相当于抗拉主钢筋的作用,用以抵抗截面正弯矩,在施工阶段,压型钢板可起增强支撑钢梁侧向稳定的作用。

4)压型钢板底面可直接作为楼层的顶棚表面,若需吊顶,可在波槽内设置挂钩,压型钢板的波槽,也可供布置电力、通信管线之用。

5)采用组合楼板技术,在进行上层楼面混凝土浇灌时,不需要等待下一层浇灌的楼板达到要求的混凝土强度,有利于多层作业,加快施工速度。

6)组合楼板的综合造价在250元/m2左右, 材料费比钢筋混凝土楼板稍贵,但由于结构自重减轻,节省了下部结构和基础的费用;施工速度加快,投产时间可以提前;省去了脚手架、模板工程,减少了现场工程量,从这些有利因素可以得到抵偿。

2.2　组合梁的优点
1)抗疲劳性能好,使用寿命长。

2)实际承载力高。

梁的试验资料表明,组合梁的实际承载力为设计承载力的2.2倍～2.6倍,而普通钢梁,其破坏荷载较设计荷载一般不超过2.2。

3)冲击系数降低。

钢桥实测资料表明,用YH型机车以64.4 km时速通过,对全钢梁桥产生的冲击系数为1.403,而在同样情况下的组合梁桥,实测冲击系数为1.121,后者较前者降低了20%。

4)节省钢材。

以9 m×12 m平台单元为例,在相同荷载条件下,对组合梁和非组合梁进行设计对比,组合梁较非组合梁的主、次梁,分别节省钢材35.6%及30%。

5)降低梁高,增强刚度。

2.3　钢管混凝土柱
在薄壁钢管内灌注素混凝土所组成的构件是组合柱的主要形式,通常称为钢管混凝土柱,截面形式一般为圆形,也可以是方形。

它的工作特点是:核心混凝土可以增强薄壁的稳定性,防止钢管内表面锈蚀;钢管可以阻止核心混凝土在压力作用下的侧向膨胀和酥松剥落,使混凝土处于三向
受压状态,从而提高其抗压强度和变形能力。

从这一特点看圆管比方管更有效,因而应用也较多,不过方管柱与横梁的连接要方便些。

钢管混凝土柱具有强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳和耐冲击等优点。

与钢结构柱相比,在保持自重相近和承载力相同的条件下,可节省钢材约50%,焊接工作量大幅度减少;与普通钢筋混凝土柱相比,在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下,构件的横截面面积可减少约1/2,使建筑空间加大,混凝土和水泥用量以及构件自重可减少50%。

组合楼板、组合梁和钢管混凝土柱等组合结构,其构件本身就是由钢和混凝土两种材料组成的。

混凝土结构或构件和钢结构或构件共同组成了另一类组合结构,通常称为混合结构体系。

钢结构虽具有材料强度,截面尺寸小,能跨越的跨度大,但存在着抗推刚度小,结构变形大的缺点。

而钢筋混凝土筒体或墙体具有较大的抗推刚度和较高的抗剪承载力。

发挥两种结构各自的特点,组成新的结构类型,这种结构体系用钢量省,造价较低。

近年来在30层～60层的高层建筑中得到广泛的应用。

3　组合结构存在的问题及其探讨
3.1　结构设计
1)计算模型的选择与认定。

钢框筒或钢—混凝土组合体系中模型的选择应来自建筑设计或作为体系开发的前提提出,这些模型会有某些理论依据但不一定有足够的规范条款作为设计依据,因此在发展体系的同时需要进行一些研究与试验,为新标准的制定提供经验。

2)构造。

根据选定的轴网、构件及材料,建筑和结构专业必须共同确定各部构造,进行技术设计,以便使结构设计符合体系策划的全部条件,或者经过设计作业修正某些条件。

3)设计与验算。

结构设计应尽量减少构件类型,构件的外型应该简单,同时需要对钢框架进行安装阶段验算。

3.2　建筑方案
钢框筒住宅内部无承重墙,平面设计有一定的灵活性;但钢框架柱网宜相对规整,芯筒分布位置有一定要求,又使户型设计受到约束。

因此在户型—模块—模块组合的设计方案中应注意
扬长避短,得到合理的户型平面和丰富的外部造型。

3.3　外墙
多层钢结构住宅的理想外墙应当是功能齐备的轻质外挂板(工厂生产)或现场复合的轻质板外墙系统,目前国内还没有开发出这样的挂板或外墙系统,现阶段除应为开发或引进作准备外,采用轻质砌体填充外墙仍然是一种可靠的选择。

4　结语
改革开放以来,全国以经济建设为中心,国民经济得到了空前的发展,钢
产量大幅度增加,每年以10%左右的速度持续增长, 1996年我国钢产量首次突破1亿t,跃居世界第一位。

钢材的开发、计算的改进、新的结构体系的应用取得了很大的进展,为组合结构的发展奠定了坚实的物质基础。