钢混(型钢-混凝土)结构特点及发展.doc

型钢混凝土组合结构自古以来，人类习惯用多种材料来构筑能减轻自然界不利因素的结构物，实用工程很难见到完全采用单一材料建造的完整结构物。从广义上来说，用竹索和木板跨越山谷的吊桥也是一种组合结构，在土木结构中最普通的结构构件，钢筋混凝土构件就是典型的组合结构之一。这种组合构件中钢筋借助于混凝土的扶助，充分发挥其抗拉能力强的特长，帮助混凝土克服抗拉能力弱的缺点，又受到混凝土的保护而免受侵蚀，相辅相成，取长补短，是目前得到广泛应用的组合结构的成功典范。目前，钢混凝土组合结构在房屋建筑、桥梁、地下建筑、海洋工程、特殊容器等领域得到重视，并不断发展。新材料还在不断涌现，还会出现新的组合结构。但就目前来说，在土木工程领域内，从经济与实用的角度来看，钢和钢筋混凝土之间的搭配是最合适的。2组合结构的形式和分类在土木工程范围内组合结构应该指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。一般来说，组合结构分为：1、组合板：(1)以下部压型钢板为配筋的混凝土板，其间用连接件使两者结合成整体。(2)在箱型截面钢板内充填混凝土的组合板。2、组合柱：将型钢埋人钢筋混凝土共同承受内力的柱构件，又称SRC柱。3、钢管混凝土柱：将混凝土充填到钢管内部而形成的组合柱4、组合梁：(1)将钢筋混凝土板锚固在钢梁上形成的组合梁。(2)将型钢或焊接钢骨架埋入钢筋混凝土而形成的梁5、组合墙：由混凝土和平面钢板结合而成的墙板。6、组合壳体：就是由混凝土和曲面钢板结合而成的壳体。各类组合结构中，根据型钢或骨架的类型不同、型钢或骨架与混凝土部件相对位置的差别又可分为若干不同的形式，例如SRC组合梁可分为实腹、空腹SRC组合梁，SRC组合柱又可分为实腹、空腹SRC组合柱，钢管混凝土组合柱又派生出充填型、外包型、充填外包型钢管混凝土柱。3组合结构的特点3.1组合板的特点组合板又分为压型钢板组合板与混凝土组合板，压型钢板本身可作为屋面板以及墙板，与混凝土组合在一起有很多优点：(1)压型钢板可作为混凝土的受拉加强部分，用以抵抗板面荷载产生的板底拉力，与混凝土共同抵抗剪力，除了在适当部位要设置钢筋减轻混凝土收缩以及温度变化的影响外，不必再另设钢筋。(2)压型钢板相当平整，可直接作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，增加了楼层的有效空间，可适当降低层高，节省投资。(3)由压型钢板作为其永久性的模板，不再需要安装、拆模，方便施工。(4)由于压型钢板本身具有相当的承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度值前就可以继续进行上层混凝土的浇筑使施工进度加快。3.2组合梁的特点组合梁首先从截面组成上充分发挥了型钢与混凝土材料各自的特长，与钢筋混凝土梁相比，还有以下优点：(1)节约钢材，由于截面材料受力合理，混凝土替代部分钢材工作，使其用钢量大幅度下降。如采用塑性理论进行设计，还可降低造价。(2)减小截面高度，由于相当宽的混凝土板参与抗压，组合梁的惯性矩比钢梁的大得多。可以达到降低梁高、增加层净高的效果。(3)延性好，由于耗能能力强，整体稳定性又好，在实际地震中表现出良好的抗震性能。(4)刚度好，混凝土板与钢梁共同工作，抗弯模量增大，致使挠度减小，刚度增大。(5)抗冲击、抗疲劳性能好，实际工程表明用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力，引起的损伤较小，比起钢吊车梁使用寿命提高了。3.3组合楼盖的特点组合板与钢梁相结合而成的组合楼盖，不但满足了结构的功能要求技术经济指标，其主要优点如下：(1)钢混凝土组合楼盖合理地利用了材料，充分发挥了钢和混凝土各自的材料特性，与钢结构方案相比，通常可节约钢材2040。(2)在钢混凝土组合楼盖中，混凝土板成为组合梁截面的受压翼缘，与采用钢结构方案的钢梁相比，组合梁的承载力可提高2030。(3)由于混凝土板成为组合梁截面的一部分，使截面的高度增大，提高了梁的刚度。因此。对于同样刚度要求的楼盖结构来说，采用钢混凝土组合楼盖，梁的挠度可减少约20，楼盖结构高度可降低约1520，不但节约了竖向结构材料，而且大大减轻地基荷载。(4)组合梁截面的上翼缘为宽大的混凝土板，增强了组合梁截面中钢梁的侧向刚度，可以防止钢梁在使用荷载下发生扭曲失稳。(5)与钢结构方案相比，钢混凝土组合楼盖的整体性强，抗剪性能好，耐震性能大大提高。(6)可利用钢梁作为混凝土板的模板支撑，并承担作用在钢梁上的混凝土板重和施工荷载，无需从地面搭设满堂红脚手架，加快了施工进度。(7)与混凝土楼盖相比，钢混凝土组合楼盖可以在钢梁上焊接托架或牛腿，供支撑室内所敷设的管线，不必像混凝土梁那样需在混凝土中埋设预埋件。由于钢混凝土组合楼盖具有上述系列优点，在国际上特别是西方工业国家得到了迅速的发展和应用。在我国，钢混凝土组合楼盖的应用面还不大，这主要是受到了下述国情的制约：(1)与混凝土楼盖相比，钢混凝土组合楼盖的用钢量要大一些。不过，随着我国经济建设的不断发展和钢产量的不断增加，这将不再会成为制约因素。(2)钢混凝土组合楼盖的防火性能不如钢筋混凝上楼盖，特别是在高层建筑中，结构的防火问题尤为突出。国内已有单位研制了防火涂料，但价格较高。（3）钢混凝土组合楼盖需要进行防锈蚀处理。由于我国的钢结构应用相对较少，对钢材的防锈蚀问题研究得不多，在防锈蚀处理时多采用防锈蚀油漆，而在西方工业国家一般采用在钢材中加入抗腐蚀成分。这种钢材表面锈蚀后形成保护层，锈蚀不会向内部发展。(4)在我国，对钢混凝土组合楼盖的理论研究还不够深入，因而影响了钢混凝土组合楼盖在我国的推广和应用o4组合柱的特点实际上组合梁所具有的优点，组合柱大部分都具备，但钢管混凝土柱却具有更多的优点：(1)组合柱尤其是钢管混凝土组合祝中的混凝土，具有良好的承压性能，可以较大幅度地减少钢材的用量。(2)组合柱的承载能力普遍较高，自重轻，变形能力强，耐疲劳，抗冲击性能好。(3)组合柱的施工可减少工序，由于准确定位的钢骨可为设置模板提供方便，尤其是钢管混凝土组合柱的外包钢管直接为混凝土的浇筑提供了模板。4组合结构的发展与应用1、组合结构的发展历史组合结构早在19世纪末已经存在，尽管当时并没有意识到要利用两种材料组合以后新增的强度和刚度，单纯的想要减轻钢管内部的锈蚀而灌入混凝土，为了改善钢结构的耐火性能而在其外围包裹混凝土，就这样开创了组合结构的实际应用的历史。1879年英国的SEVERN在铁路桥的钢管桥墩中充填了混凝土，便形成了钢管混凝土结构。英、美等国在钢梁与钢柱外围包上了混凝土形成组合梁、组合柱，用以防火。20世纪初，有人为了提高钢管祝的刚度，在方钢管中注入混凝土。在日本，1905年白石直治设计的和田岬的旧东京仓库的柱，采用的也是型钢与混凝土并用的形式。1918年，旧东京海上大厦的梁也采用钢与钢筋混凝土的组合形式。1908年Burr在纽约进行了组合柱的试验，发现混凝土的存在确实提高了型钢柱的承载力。1920年，加拿大学者Mackay对在混凝土内埋入钢柱的结构作了研究，结果表明外包混凝土能与内置型钢共同工作。其后十年间，美国、英国、以及欧洲一些国家的对组合梁的试验表明，这一结论只是在静荷载情况下才适用，在变化荷载作用下还是采用连接件更可靠。值得一提的是，1923年日本的关东大地震的震害调查证明了组合结构的抗震能力。由内藤多仲设计的日本兴业银行大楼，总面积达15000m2，地上七层、地下一层，高度约为30m的钢骨钢筋混凝土组合结构，梁、柱都是型钢埋入的SRC结构，在震后几乎没有发现损伤，由此赢得了土木工程界的好评。日本从1928年开始对SRC结构性能作了研究，包括对组合柱、梁、以及节点的研究。30年代开始对设置连接件的试件作了系统的研究，而且往后的组合结构的研究大多集小在钢梁上用连接件拉结混凝土板的组合结构形式。连接件包括螺旋形、钩状、块状，还有槽钢与螺栓等形式，而且还进行了疲劳试验。通过40年代许多学者大量的研究，对组合梁的设计与施工有了更多的认识，并建立了组合梁按弹性理论的设计方法，而且美国洲际公路协会在1944年制定的公路桥涵设计规范列入了有关组合梁设计的内容。紧接着美国在1946年房屋钢结构设计、制造、安装规范也列出了组合梁的有关内容。1948年英国规范型钢在建筑中的应用在构件截面回转半径的计算中还考虑了外包混凝土的刚度增大作用。在1949年由前苏联建筑科学院建筑技术研究所编制了多层房屋劲性钢筋混凝土暂行设计技术规程，同时结合实际应用又进行了一系列构件试验，以完善组合结构的设计理论。50年代我国开始在桥梁工程中采用组合结构，还编制了公路铁路组合梁桥的标准图，同时对房屋建筑中应用的组合梁结构进行了研究。德国在二次大战以后的重建工作中迫于钢材缺乏，大量采用组合梁结构，通过工程实际应用在1955年制定了有关规定桥梁组合梁，1956年又颁布了有关标准房屋建筑组合梁，日本建筑学会在1951年成立了钢骨钢筋混凝土结构分组，对此作了专门研究。在1958年制定钢骨钢筋混凝土结构计算规程提出了组合结构承载力的简化计算方法。继1953年在0SAKA首先架设神崎大桥后，日本又架设了许多组合梁桥，并于1959年颁布了钢道路桥组合梁设计施工指南。日本于1959年建立了H型钢的生产线后，对实腹式钢骨钢筋混凝土结构进行了大量的试验研究，并于1963年对1958年制定的钢骨钢筋混凝土结构计算规程作了第一次修改。我国在此期间开展了对钢管混凝土的试验研究，包括中科院哈尔滨土建研究所、建材研究院(即现在的苏州水泥和混凝土制品研究院)、北京地铁工程局、冶金部建研院、电力部电力研究所、还有建研院结构所和哈尔滨建筑大学都曾经对构件以及节点的受力变形性能、设计施工方法作过大量的试验研究，许多建研院所、设计单位都积极推广应用。1965年英国制定了CPll7的第一部分钢混凝土组合结构房屋建筑，随即于1967年制定了钢一混凝土组合结构桥梁，即CPll7的第二部分。1965年美国ACI规范ACI31865确定了钢管混凝土柱的计算方法。1966年印度标准协会也制定了组合结构设汁规范。1967年日本建筑学会的年会上制定了钢管混凝土构件设计规范，对填充型、外包型以及填充外包型二种形式的钢管混凝土构件的计算方法作了规定。1971年美国颁布ACI31871，该钢筋混凝土规范中包含了组合柱的设计规定。1974年，我国交通部颁布的公路桥涵设计规范对组合梁的构造和计算做出了相应的规定。在建筑结构方面，也开始在平台结构小应用。1968年日本十胜冲地震中不少钢骨混凝土结构的建筑物发生脆性剪切破坏，最后对此专门作了研究以改进规范计算方法。日本在1975年对钢骨钢筋混凝土结构计算规范作了第二次改版，明确提出必须保证构件在荷载增大情况下首先发生弯曲破坏。前苏联在1978年制定了劲性钢筋混凝土结构设计指南(CN378)。1979年英国标准协会制定了钢、混凝土及组合梁桥。1979年美国钢结构学会ASSC制定了钢混凝土组合梁设计规范。在1980年日本建筑学会考虑1975版钢骨钢筋棍凝土结构计算规范的完整性，将方形钢管也列入规范1984年欧洲规范的草案在英国完成，该草案是以CEB(欧洲国际混凝土委员会)、ECCS(欧洲钢结构协会)、FIP(国际预应力联合会)、IABSE(国际桥梁与结构工程协会)在1981年共同颁布的组合结构规范为基础修订而成的，是目前国际上一部比较完整的组合结构规范。1986年我国交通部制定了公路桥涵设计规范，还有同年颁布的公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ02586)对组合梁的计算方法及构造措施作了规定。1987年水利电力部提出了SDJ69-87电力建设施工及验收技术规范(建筑工程篇)对钢管混凝土结构的设计作了具体规定。1988年由建设部颁布的国标钢结构设计规范(GBJl788)第12章专门对钢混凝土组合梁的设计方法做出了规定。国家建材工业局苏州混凝土水泥制品研究院与中国船舶总公司第九设计院一起主编了部标钢管混凝土结构设计与施工规程(JCJ01-89)。国家能源部下属的电力规划设计管理局在1991年颁布了火力发电厂主厂房钢混凝土组合结构设计暂行规定DLGJ999l对钢管混凝土结构、外包钢混凝土结构以及组合梁结构的设计与构造作了规定。目前国内对钢骨凝土组合结构的研究正在进一步深人，有关钢管混凝土、钢月钢筋混凝土结构的设计与施工规程也在编制过程中。2、组合结构的应用在我国组合结构的应用从50年代开始起步，长江大桥上层公路桥纵向粱的跨度为18m，上部组合板的跨度为1.8m，就已经采用组合梁结构。前苏联在1944年建造第一座组合结构公路桥：日本在1953年建成第一座采用组合结构的公路桥后，尤其是1959年有关规范颁布以后，大部分钢结构公路桥都改为组合结构。铁道部专门编制了钢梁外露的组合梁的标准图，最大跨度达44m。许多发达国家对组合结构的研究和应用都是从桥梁结构开始的，以后再逐步推广到其他结构中。我国在井塔结构、平台结构、吊车梁，在一般工业与民用建筑及公共建筑等都进行了推广应用，并取得良好的技术经济效果。与此同时在高层建筑、地下建筑、电力杆塔设备支架中的应用也得到了长足的发展。我国自80年代开始，钢管混凝土结构逐步地在高屋和超高层建筑中得到来用。从高87.5m的福建泉州邮电大厦率先采用800x10C30的钢管混凝土柱开始到66层高278.8m的深圳赛格广场大厦，管径达1600M，表明组合结构在高层结构中的应用已达到了一个新阶段。国际上对组合结构在桥梁中的应用最活跃，用于拱桥、铁路与公路的梁桥、连续梁桥、跨座式单轨铁路桥、组合框架桥、组合衍架桥以及组合桥墩等等。现已发展到土木结构的许多领域，例如筒仓的钢板混凝土壁足以两个钢板筒体之间充填混凝土来建造的；核反应堆中的压力容器用钢板作为衬里外包钢筋混凝土而构成组合结构；用连续地下组合墙建造组合井筒型基础；在隧道丁程中坑道采用组合弓形体；离岸工程中海洋石油平台用组合墙作为防冰墙；同时还用于港湾钢结构的加固(在原钢结构损坏部分外包混凝土而构成组合结构)；另外还有用组合结构来建造防冰堤、深海石油平台的支柱等。组合结构在我国应用越来越广泛，研究也越来越深入，其优良性能和技术经济指标使它在我国有着更广泛的应用前景，随着试验研究和实际应用的不断发展，可以预见组合结构将迅速推广而成为继混凝土结构、钢结构之后的主要结构形式。