组合结构的优点与缺点

组合结构的优点与缺点

Advantages and Disadvantages of

Composite Structures

摘要

本文对组合结构的特点和结构类型作了简要介绍，与钢结构和混凝土结构对比阐明了各种类型的优点与缺点。组合结构就是利用钢结构和混凝土结构的优点,使两种材料组合后的整体工作性能要明显优于二者性能的简单叠加,极大地提升了其综合性能。缺点是结构的节点连接较为复杂。其优点远远大于缺点，值得推广和应用。文章最后给出了组合结构的发展趋势。

关键词：组合结构优点缺点

Abstract

The characteristics and types of composite structures are provided in this paper．It illustrates the advantages and disadvantages of composite structures by compared with steel structures and concrete structures. Composite structures take advantages of both steel and concrete structures. Its working performance is superior than the easy superposition of steel structures and concrete structures. So it improves the integrate capability. The disadvantage is that the joints are complex. However, Advantages outweigh the disadvantages, it is worth to extend and apply the composite structures. At the end, we give the development trend of the composite structures.

Keywords:composite structures advantage disadvantage

1 引言

在传统结构设计中,习惯上把结构体系分为木结构、砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构等，钢筋混凝土结构是指钢筋和混凝土组合在一起共同工作。从广义上讲,钢筋混凝土结构也属于组合结构。随着现代建筑的飞速发展,对结构设计的要求日益提高,由此带动对组合结构的更深入研究,并衍生出比较成熟的各个分支。为使结构设计更好地满足发展的需要,我们有必要对组合结构进行深入的谈论和研究。

2 钢与混凝土结合构件与结构的基本概念

由两种或两种以上不同物理力学性质的材料结合而形成整体的构件，在荷载作用下，构件中不同力学性质的材料能共同工作，这种构件称为组合构件。由组合构件组成的结构即为组合结构，通常组合结构指钢与混凝土结合而成的结构，也称为钢与混凝土组合结构。钢与混凝土组合构件又可分为非外露式与外露式两种。非外露式构件包括型钢混凝土梁、柱及型钢混凝土剪力墙和钢管混凝土柱及内藏钢板剪力墙等；外露式构件包括钢与混凝土组合梁、压型钢板与混凝土组合楼板等等。

3 组合结构的优点与缺点

钢-混凝土组合结构，它是一种优于钢结构和钢筋混凝土结构的新型结构，它分别继承了钢结构和钢筋混凝土结构各自的优点，也克服了两者的缺点而产生的一种新型体系结构，可充分利用钢和混凝土的特点，按照最佳几何尺寸，组成最优的组合构件，使它具有构件刚度大，防火，防腐性能好，具有较大的抗扭及抗倾覆能力（与钢结构相比），而且具有重量轻，构件延性好，增加净空高度和使用面积，同时缩短施工周期，节约模板（以上与钢筋混凝土结构相比），特别在高层和超高层建筑用桥梁结构中，更加体现了它的承载能力和克服结构在施工技术难题的优点。

其缺点是结构需要特定的剪力连接件和专门焊接设备和专门焊接技术人员，与钢结构相比，还有一定量的二次抗火设计（指组合构件，而不是劲性构件），还有压型钢板混凝土组合析在施工期间，在混凝土初凝期，当混凝土厚度不够厚时（一般混凝土板厚应大于100mm）,易使混凝土出现临时裂缝，特别指高标号混凝土（由于压型钢板阻止混凝土收缩所致）。

3.1压型钢板混凝土组合板的概况及优缺点

压型钢板可分为彩色压型钢板和建筑压型钢板。压型钢板可作为墙板和屋面板之用，也可用作楼板。压型钢板在施工阶段用作楼面混凝土板的永久性模板，在混凝土未凝固之前的施工阶段。它仅承受自重、湿混凝土重及施工活荷载。组合板中的压型钢板，在使用阶段当作组合板结构中的下部受力钢筋之用，从而减少混凝土板中的钢筋。

压型钢板与混凝土组合楼板有很多优点：混凝土硬化后，压型钢板可作为混凝土的受拉部分，用来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，还必须另设钢筋；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，增加了楼层间的有效空间，有效减少各层楼板厚度，可降低层高，节省投资；压型钢板可以作为模板并承接施工荷载，由压型钢板作为永久性的模板，不再需要安装、拆模，施工方便；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浇筑，加快施工进度，从而带来经济效益。

3.2钢—混凝土组合梁的概况及优缺点

钢与混凝土组合梁是将钢梁与混凝土板组合在一起形成组合梁。组合梁由于能充分发挥钢与混凝土两种材料的力学性能，在国内外获得广泛的发展与应用。

组合梁结构除了能充分发挥钢材和混凝土两种材料受力特点外，与非组合梁结构比较，具有下列一系列的优点：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，如果采用塑性理论设计，还可以降低造价。②减少截面高度。由于相当宽的混凝土板参与抗压，组合梁的惯性矩比钢梁大的多，可以达到降低梁高增加层高的效果。③延性好。由于耗能能力强，整体稳定性好，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作用，抗弯模量增大，致使挠度减小，刚度增大。⑤抗冲击、抗疲劳性好。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。

⑥稳定性好。由于组合梁上翼缘侧向钢度大，所以整体稳定性好；加上钢梁的受压翼缘受到混凝土板的约束，其翼缘与腹板的局部稳定性都得到改善。⑦使用期延长。由于混凝土板的存在，使得钢梁上翼缘的应力水平降低，由于裂缝引起的损伤减小，比起钢吊车梁的使用寿命提高了许多。

3.3钢管混凝土的概况及优缺点

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管混凝土研究最多的是圆钢管，在特殊情况下也采用方钢管或异型钢管，除了在一些特殊结构当中有采用钢筋混凝土的情况之外，混凝土一般为素混凝土。钢管混凝土具有下列基本特点：

①承载力大大提高：试验和理论分析证明，钢管混凝土受压构件的强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7-2.0倍。②具有良好的塑性和抗震性能：在钢管混凝土构件轴压试验中，试件压缩到原长的2/3，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载力，可见塑性非常好。钢管混凝土构件在压弯剪循环荷载作用下，水平力P与位移 之间的滞回曲线十分饱满，表明有很好的吸能能力，基本无刚度退化，它的抗震性能大大优于钢筋混凝土。③经济效果显著：和钢柱相比，可节约钢材50%，降低造价45%；和钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土

约70%，减少自重约70%，节省模板100%，而用钢量约略相等或略多。④施工简单，可大大缩短工期：和钢柱相比，零件少，焊缝短，且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础预留的杯口中，免去了复杂的柱脚构造；和钢筋混凝土柱相比，免除了之模、绑扎钢筋和拆模等工作；由于自重的减轻，还简化了运输和吊装等工作。

另一方面，因为钢管混凝土主要是利用强度很高的混凝土受压，所以这种结构最适用于轴心受压和小偏心受压构件。因为其是圆形截面，而且断面高度较小，所以在受弯矩作用时显然并无优越可言，而且是不利的。钢管混凝土结构最大弱点是圆形截面的柱与矩形截面的梁连接较复杂，也将耗费相当多的钢材。

3.4钢骨混凝土结构的概况及优缺点

由混凝上包裹型钢做成的结构被称为型钢混凝土结构。它的特征是在型钢结构的外面有一层混凝土的外壳。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。实腹式型钢可由型钢或钢板焊成，常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成。

由型钢混凝土柱和梁可以组成型钢混凝土框架。框架梁可以采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁。在高层建筑中，型钢混凝土框架中可以设置钢筋混凝土剪力墙，在剪力墙中也可以设置型钢支撑或者型钢桁架，或在剪力墙中设置薄钢板，这样就组成了各种型式的型钢混凝土剪力墙。型钢混凝土剪力墙的抗剪能力和延性比钢筋混凝土剪力墙好，可以在超高层建筑中发挥作用。

型钢混凝土与钢筋混凝土框架相比较具有一系列的优点：

①型钢混凝土的型钢可不受含钢率的限制，其承载能力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件的承载能力一倍以上；可以减小构件的截面，对于高层建筑，可以增加使用面积和楼层静高。②型钢混凝土结构的施工工期比钢筋混凝土结构的工期大为缩短。型钢混凝土中的型钢在混凝土浇灌前已形成钢结构，具有相当大的承载能力，能够承受构件自重和施工时的活荷载，并可将模板悬挂在型钢上，

而不必为模板设置支柱，因而减少了支模板的劳动力和材料。型钢混凝土多层和高层建筑不必等待混凝土达到一定强度就可继续施工上层。施工中不需架立临时支柱，可留出设备安装的工作面，让土建和安装设备的工序实行平行流水作业。

③型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高，尤其是实腹式的构件。因此在大地震中此种结构呈现出优良的抗震性能。日本抗震规范规定高度超过45m 的建筑物不得使用钢筋混凝土结构。而型钢混凝土结构则不受此限制。④型钢混凝土框架较钢框架在耐久性、耐火度等方面均胜一筹。

3.5 外包钢混凝土结构的概况及优缺点

外包钢混凝土结构(以下简称外包钢结构)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型式。

外包钢结构由外包型钢的杆件拼装而成。杆件中受力主筋由角钢代替并设置在杆件四角，角钢的外表面与混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面0.5—1.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋的保护层厚度的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接。

外包钢混凝土结构主要有以下几点优点：

①构造简单：外包钢结构取消了钢筋混凝土结构中的纵向柔性钢筋以及预埋件，构造简单，有利于混凝土的捣实，也有利于采用高标号混凝土，减小杆件截面，便于构件规格化，简化设计和施工。②连接方便：外包钢结构的特点就在于能够利用它的可焊性，杆件的连接可采用钢板焊接的干式接头。管道等的支吊架也可以直接与外包角钢连接。和装配式钢筋混凝土结构相比，可以避免大最钢筋剖口焊和接头的二次浇灌混凝土等工作。③使用灵活：外包角钢和箍筋焊成骨架后，本身就有一定强度和刚度，在施工过程中可用来直接支承模板，承受一定的施工荷载。这样施工方便、速度快，又节约了材料。④抗剪强度提高：双面配置角钢的杆件，极限抗剪强度与钢筋混凝土结构相比提高22%左右。⑤延性提高：剪切破坏的外包钢杆件，具有很好的变形能力，剪切延性系数和条件相同的钢筋混凝上结构相比要提高一倍以上。

4 组合结构的发展趋势

经过几十年的研究和工程实践，钢-混凝土组合结构在大跨结构、高层和超高层建筑以及大型桥梁结构等很多领域内得到了推广应用。组合结构正由构件层次向体系层次发展。组合结构体系是由组合承重构件和组合抗侧力构件所共同组成的结构体系，可以充分发挥不同材料的特性，并克服传统结构体系的固有缺点。

随着各类结构使用功能的提高、设计计算手段的进步以及新材料、施工新技术的应用，组合结构的发展表现出以下几个特征：

①由组合构件向组合结构体系的发展。②新材料的应用。③新型组合构件的研制与创新。④设计方法更加精细化，设计过程更加系统化。⑤组合结构向地下工程、隧道工程、海洋工程和结构加固等领域的发展。

5 结语

综上所述,经过多年的研究和工程实践,钢—混凝土组合结构已经在越来越多的领域内得到推广应用,同时组合结构也在由组合构件向组合结构体系方向发展,随着新材料的大量应用,新

型组合构件也在不断研制和创新。可以预见,随着建筑要求的不断提高和科技的飞速发展,钢—混凝土组合结构必将作为建筑结构中一种新型的结构形式发挥其特有的、不可替代的作用。

参考文献

[1] 聂建国，樊健生．钢与混凝土组合结构设计．北京：中国建筑工业出版社，2008

[2] 刘坚生．钢与混凝土结合结构设计原理．北京：科学出版社，2005

[3] 王越．浅谈钢与混凝土组合结构设计．山西建筑，2008，12：91~92

[4] 王玉银．组合结构．哈尔滨工业大学土木工程学院教师课件，2008

[5]蔡健．钢-混凝土组合结构．华南理工大学土木工程系老师讲义，2004

[6]Johnson R P，Anderson D．Enl994 Euroeodc 4：Design of composite steel and concrete

structures[J]．Proceedings of the Institution of Civil Engineers，2001，144(11)：33～38 [7] Nethercot D A．Composite construction[M]．New York：Taylor & Francis，2003，