钢与混凝土组合结构综述

科技综述钢与混凝土组合结构综述Ξ潘继文　马山积摘要:本文介绍了钢与混凝土组合结构的连接,并分别介绍了压型钢板与混凝土组合板、钢与混凝土组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构各自的特性和构造要求,可供设计和研究人员参考。

关键词:压型钢板　钢与混凝土板组合梁　型钢混凝土结构　钢管混凝土结构1　概 述组合结构(C om posite structures)有时称作混合结构(Mixed structures),两者又统称为复合结构(Hybrid structures)。

组合结构的定义有不同的描述,在土木工程范围内组合结构应该是由两种或两种以上结构材料组成,并且材料之间能以某种方式有效传递内力,以整体的形式产生抗力的结构。

这里不包括虽由两种或两种以上结构材料组成,但却是各自单独发挥作用、简单叠加、单独承受荷载的结构。

《钢与混凝土组合结构》主要叙述钢与混凝土组合而成的组合结构,不包括一般钢筋混凝土结构。

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。

其与传统的四大结构,既钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列,并扩展成为五大结构。

在土木工程中采用的组合结构主要有:压型钢板与混凝土组合板、钢与混凝土板组合在一起的组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和外包钢混凝土结构等五大类。

组合结构充分发挥了钢材与混凝土各自的自身特点和优势,取长补短,组合结构在强度、刚度和延性等方面都比一般的钢筋混凝土结构要好,同时还方便施工,因此组合结构具有广阔的发展前景。

2　剪切连接组合结构是由两种材料共同工作,两种不同性能的材料组合成一体,发挥各自的长处,其关键在于“组合”。

只有将两种不同性能的材料组合成一体才能显示其优越性。

这种组合作用,主要是依靠两种不同材料之间的可靠连接。

连接必须能有效的传递混凝土与钢材之间的剪力,同时能有效抵抗使两者分离的“掀起力”,—1—Ξ作者简介:潘继文,男,中机工程(西安)第二建筑设计咨询有限公司,高级工程师。

马山积,男,中机工程(西安)第二建筑设计咨讲有限公司,工程师。

西安710054才能使混凝土与钢材组合成整体,共同工作。

剪切连接件的形式可以分为两大类:即柔性连接件(带头栓钉、斜钢筋、环形钢筋以及带直角弯钩的短钢筋等)和刚性连接件(块式连接件)。

211　连接方式组合构件中混凝土与钢的连接应视构件的形式与受力性能采取不同的方式,但应力求连接构造简单、传力直接、施工方便。

例如对于混凝土与压型钢板组合板,主要是依靠在压型钢板上压制凹凸的纵肋与槽纹起到混凝土与压型钢板的连接作用。

压型钢板的纵肋,不仅能增强粘结作用,而且能提高板材的局部刚度。

混凝土与压型钢板的界面上具有足够的抗纵向剪切能力是组合板具有完全的“组合效应”的关键。

因此连接件的抗纵向剪切必须计算;剪力连接件的抗拔能力计算比较复杂,而且一般构件“掀起力”较纵向剪力小的多,所以除特殊要求的构件外,组合板的抗拔力主要靠压型钢板压制的花纹形式及构造措施来保证,如设附加横向钢筋来保证,则不进行计算。

对于混凝土板与钢梁组成的组合梁,最普遍的是用焊于钢梁上的带头栓钉连接,组合梁中的剪力连接件的数量及排列都应进行计算;对于钢管混凝土,其主要适用于轴心受压构件以及小偏心受压构件,他们的特点是以承受轴向力尤其是轴向压力为主,因此在钢管混凝土中没有必要设置任何连接件。

3　压型钢板与混凝土组合楼板压型钢板与混凝土组合楼板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构。

最初在欧美和日本等国应用,近20年来我国也大量应用于工业与民用建筑中。

它既可用作楼面也可作屋面;既可用于工业建筑,也可用于民用建筑与公共建筑。

尤其在高层建筑中大量使用。

压型钢板按其在组合楼板中的作用可分为三类:第一类,以压型钢板作为楼板的主要承重构件,混凝土只是作为楼板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用;第二类,压型钢板只作为浇筑混凝土的永久性模板,并作为施工时的操作平台;第三类考虑组合作用的压型钢板混凝土组合楼板。

第一类与第二类属于非组合楼板。

311　压型钢板与混凝土组合楼板的优点1)由于压型钢板作为浇注混凝土的模板,节省了大量木模板及其支撑;2)由于压型钢板非常轻便,因此堆放、运输及安装都非常方便;3)压型钢板在使用阶段,因其和混凝土的组合作用,还可代替受拉钢筋。

因此减少了钢筋的制作与安装工作;4)由压型钢板组合楼板的几何形状所决定,组合楼板具有较大的刚度,且省去了许多受拉区混凝土(因为在混凝土结构的承载能力计算中不考虑混凝土的受拉作用),使组合楼板的自重减轻;5)便于敷设通信、电力、采暖等管线;6)由于压型钢板作为浇注混凝土的模板直接支承于钢梁上,而且为各种工种作业提供了宽广的工作平台,大大加快了施工进度,缩短了工期;7)压型钢板可直接作顶棚;8)与木模板相比,压型钢板组合楼板施工时,减少了发生火灾的可能性。

312　压型钢板的型式及要求压型钢板与混凝土组合楼板中,必须保证压型钢板与混凝土能可靠地共同工作。

压型钢板与混凝土的组合作用是通过两者接触面之间采取适当的连接方式形成的。

为保证可靠的组合效应,要求接触面上的抗剪齿槽、槽纹或其他连接措施,具有足够的抗剪切粘结强度,不产生过大的粘结滑移,以抵抗楼板在外荷载作用下产生的纵向水平剪力;同时还要足以抵抗垂直掀起力,保证在垂直方向结合成不可分开—2—的整体。

压型钢板常见的压型形式可以归纳为三类:闭口形槽口的压型钢板;开口形槽口压型钢板,在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹作为剪力连接件;开口形槽口压型钢板,同时在它的翼缘上另焊附加钢筋。

目前国内生产的压型钢板都仅使用于直接作非组合板用,如果要用于组合板中,必须在板的翼缘上焊横向钢筋,以保证组合效应;设计中压型钢板的厚度应不小于017mm,用于组合板的压型钢板板厚一般应在110mm以上;为了便于浇灌混凝土,要求压型钢板的平均槽宽不小于50mm;当在槽内设置带头栓钉时,压型钢板的总高,包括刻痕在内不应超过80mm。

压型钢板可以由冷轧钢板或镀锌钢板制作,钢板应符合现行国家标准规定的指标。

313　组合板的构造要求压型钢板的表面应有保护层,应采用镀锌钢板(其镀锌层厚度应满足在使用期间不致锈损的要求)。

除了仅供施工用的压型钢板外,压型钢板的厚度(不包括镀锌层或饰面层厚度)不应小于0175mm。

常用的钢板厚度为0175～215mm。

组合楼板截面的全高不应小于90mm,而压型钢板顶面至组合板顶面的高度不应小于50mm。

简支组合板的跨高比不大于25,连续组合板的跨高比不大于35。

组合板在钢梁上的支承长度不应小于75mm,而其中压型钢板的支承长度不应小于50mm。

支承于钢筋混凝土梁或砌体上时,则组合板的支承长度不应小于100mm,而其中压型钢板的支承长度不应小于75mm。

4　钢与混凝土组合梁组合梁由钢梁、钢筋混凝土板及两者之间的剪切连接件组成。

剪切连接件的可靠连接作用是混凝土板与钢梁是否能组合成一个整体,共同工作的关键。

剪切连接件的主要作用是抵抗混凝土板与钢梁叠合面上的纵向剪力,使板与梁之间不能自由滑移。

同时剪切连接件也必须能抵抗使混凝土板与钢梁具有分离趋势的“掀起力”。

组合梁根据混凝土板与钢梁的组合连接程度可分为完全剪切连接组合梁和部分剪切连接组合梁,简称为完全组合梁与部分组合梁。

所谓完全组合梁是指组合梁中配有足够数量的剪切连接件,在组合梁截面的极限弯矩作用下所产生的纵向剪力,完全可以由所配的剪力连接件承担。

部分组合梁是指剪力剪切连接件所能承担的剪力小于在截面的极限弯矩作用下所产生的纵向剪力(目前关于部分剪切连接组合梁的计算方法仅适用于跨度不超过20m、以承受静力荷载为主且没有太大集中荷载的等截面梁的情况)。

钢筋混凝土板与钢梁接触处,经常设置板托,扩大板与梁接触处的承压面积,增加了板在梁支承处的截面高度,以使板的抗剪与抗冲切能力提高。

同时,因为梁的截面高度增加了,因此组合梁的承载能力与刚度进一步提高,极为有利,在组合梁的设计中,在可能的情况下应考虑设置板托。

411　组合梁的特点钢与混凝土组合梁首先从截面组成上充分发挥了混凝土与型钢材料各自的特点,除此以外,与普通钢筋混凝土梁相比,具有以下优点:1)将钢筋混凝土板与钢梁组合成整体,使钢筋混凝土板成为组合梁的一部分(翼缘),因此比按非组合梁考虑,承载能力显著提高;2)钢筋混凝土板组合成为全梁的一部分,因此在同样大小钢梁的情况下,组合梁比非组合梁竖向刚度明显提高;3)混凝土处于受压区(正弯矩区段),钢梁主要处于受拉区,两种不同材料都能充分发挥各自的长处,受力合理,节约材料;4)由于处于受压区的钢筋混凝土板刚度较大,对避免钢梁的整体与局部失稳有明显的作用;—3—5)降低梁高与房屋总高;6)组合梁可大量节约钢材以致降低工程造价;此外,根据工程实例,组合梁用于吊车梁及桥梁等结构中,比钢梁的抗疲劳性能及抗冲击性能有所改善。

412　组合梁的构造要求组合梁中现浇混凝土板的混凝土强度等级不低于C20,组合梁中混凝土板的厚度,一般采用100～160mm,采用压型钢板与混凝土组合板,则压型钢板肋顶至混凝土板顶间的距离不小于50mm,组合板的整个高度不小于90mm,混凝土板中应设置板托。

钢梁顶面不得涂刷油漆,在浇筑或安装混凝土板之前应消除铁锈、焊渣及其他脏污杂物。

5　型钢混凝土组合结构型钢混凝土(SRC)结构是把型钢(S)置入钢筋混凝土(RC)中,使型钢、钢筋(纵筋和箍筋)、混凝土三种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种作用。

它是钢-混凝土组合结构的一种形式,其截面组成特征是型钢钢筋混凝土的钢材全部被包在混凝土内部,型钢与钢筋骨架的外面有一层混凝土外壳(外包钢钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构的型钢是外露的)。

型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外,还广泛使用焊接型钢,此外还配合使用钢筋和钢箍。

型钢混凝土梁和柱是最基本的构件,型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。

型钢混凝土结构广泛的被采用于高层及高耸结构、地震区的建筑物和构筑物、承受大荷载的结构、大跨结构等。

511　型钢混凝土构件的优点1)承载能力高;2)变形能力和延性好;与钢筋混凝土结构和钢结构相比,型钢钢筋混凝土的变形能力和延性比钢筋混凝土的好,比钢结构刚度大且不易失稳。

3)经济效果好,适合我国国情;与钢结构相比,型钢混凝土结构用钢量大幅度减少。

资料表明,型钢混凝土全框架结构较之钢框架结构可减少钢材用量50%或者更多一些。

与钢筋混凝土结构相比,型钢混凝土结构虽然用钢量有所增加,但有更好的适用性,即减少构件体积,增大使用空间,节省混凝土用量,减轻地基荷载,节省模板和支撑,可免除构件中的预埋件,有更好的抗震性能等,且建筑结构的综合效益优于钢筋混凝土结构。

4)简化现场施工。