钢混(型钢-混凝土)结构特点及发展

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地结构物,实用项目很难见到完全采用单一材料建造地完整结构物.从广义上来说,用竹索和木板跨越山谷地吊桥也是一种组合结构,在土木结构中最普通地结构构件,钢筋混凝土构件就是典型地组合结构之一.这种组合构件中钢筋借助于混凝土地扶助,充分发挥其抗拉能力强地特长,帮助混凝土克服抗拉能力弱地缺点,又受到混凝土地保护而免受侵蚀,相辅相成,取长补短,是目前得到广泛应用地组合结构地成功典范.目前,钢—混凝土组合结构在房屋建筑、桥梁、地下建筑、海洋项目、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,还会出现新地组合结构.但就目前来说,在土木项目领域内,从经济与实用地角度来看,钢和钢筋混凝土之间地搭配是最合适地.2组合结构地形式和分类在土木项目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,以整体地形式产生抗力地结构.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地混凝土板,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地组合板.2、组合柱：将型钢埋人钢筋混凝土共同承受内力地柱构件,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地组合柱4、组合梁：(1)将钢筋混凝土板锚固在钢梁上形成地组合梁.(2)将型钢或焊接钢骨架埋入钢筋混凝土而形成地梁5、组合墙：由混凝土和平面钢板结合而成地墙板.6、组合壳体：就是由混凝土和曲面钢板结合而成地壳体.各类组合结构中,根据型钢或骨架地类型不同、型钢或骨架与混凝土部件相对位置地差别又可分为若干不同地形式,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组合结构地特点3.1组合板地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地受拉加强部分,用以抵抗板面荷载产生地板底拉力,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地影响外,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地顶棚,省工省料,增加了楼层地有效空间,可适当降低层高,节省投资.(3)由压型钢板作为其永久性地模板,不再需要安装、拆模,方便施工.(4)因为压型钢板本身具有相当地承载力,允许本层浇灌地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地浇筑．使施工进度加快.3.2组合梁地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地特长,与钢筋混凝土梁相比,还有以下优点：(1)节约钢材,因为截面材料受力合理,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,因为相当宽地混凝土板参与抗压,组合梁地惯性矩比钢梁地大得多.可以达到降低梁高、增加层净高地效果.(3)延性好,因为耗能能力强,整体稳定性又好,在实际地震中表现出良好地抗震性能.(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,实际项目表明用于梁桥、吊车梁地组合梁比钢梁具有更好地抗冲击、抗疲劳能力,引起地损伤较小,比起钢吊车梁使用寿命提高了.3.3组合楼盖地特点组合板与钢梁相结合而成地组合楼盖,不但满足了结构地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地材料特性,与钢结构方案相比,通常可节约钢材20％～40％.(2)在钢—混凝土组合楼盖中,混凝土板成为组合梁截面地受压翼缘,与采用钢结构方案地钢梁相比,组合梁地承载力可提高20％～30％.(3)因为混凝土板成为组合梁截面地一部分,使截面地高度增大,提高了梁地刚度.因此.对于同样刚度要求地楼盖结构来说,采用钢—混凝土组合楼盖,梁地挠度可减少约20％,楼盖结构高度可降低约15％～20％,不但节约了竖向结构材料,而且大大减轻地基荷载.(4)组合梁截面地上翼缘为宽大地混凝土板,增强了组合梁截面中钢梁地侧向刚度,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—混凝土组合楼盖地整体性强,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地模板支撑,并承担作用在钢梁上地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,供支撑室内所敷设地管线,不必像混凝土梁那样需在混凝土中埋设预埋件.因为钢—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地发展和应用.在我国,钢—混凝土组合楼盖地应用面还不大,这主要是受到了下述国情地制约：(1)与混凝土楼盖相比,钢—混凝土组合楼盖地用钢量要大一些.不过,随着我国经济建设地不断发展和钢产量地不断增加,这将不再会成为制约因素.(2)钢—混凝土组合楼盖地防火性能不如钢筋混凝上楼盖,特别是在高层建筑中,结构地防火问题尤为突出.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.因为我国地钢结构应用相对较少,对钢材地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—混凝土组合楼盖地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地推广和应用o4组合柱地特点实际上组合梁所具有地优点,组合柱大部分都具备,但钢管混凝土柱却具有更多地优点：(1)组合柱尤其是钢管混凝土组合祝中地混凝土,具有良好地承压性能,可以较大幅度地减少钢材地用量.(2)组合柱地承载能力普遍较高,自重轻,变形能力强,耐疲劳,抗冲击性能好.(3)组合柱地施工可减少工序,因为准确定位地钢骨可为设置模板提供方便,尤其是钢管混凝土组合柱地外包钢管直接为混凝土地浇筑提供了模板.4 组合结构地发展与应用1、组合结构地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地强度和刚度,单纯地想要减轻钢管内部地锈蚀而灌入混凝土,为了改善钢结构地耐火性能而在其外围包裹混凝土,就这样开创了组合结构地实际应用地历史.1879年英国地SEVERN在铁路桥地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地刚度,在方钢管中注入混凝土.在日本,1905年白石直治设计地和田岬地旧东京仓库地柱,采用地也是型钢与混凝土并用地形式.1918年,旧东京海上大厦地梁也采用钢与钢筋混凝土地组合形式.1908年Burr在纽约进行了组合柱地试验,发现混凝土地存在确实提高了型钢柱地承载力.1 920年,加拿大学者Mackay对在混凝土内埋入钢柱地结构作了研究,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、以及欧洲一些国家地对组合梁地试验表明,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.值得一提地是,1923年日本地关东大地震地震害调查证明了组合结构地抗震能力.由内藤多仲设计地日本兴业银行大楼,总面积达15000m2,地上七层、地下一层,高度约为30m地钢骨钢筋混凝土组合结构,梁、柱都是型钢埋入地SRC结构,在震后几乎没有发现损伤,由此赢得了土木项目界地好评.日本从1928年开始对SRC结构性能作了研究,包括对组合柱、梁、以及节点地研究.30年代开始对设置连接件地试件作了系统地研究,而且往后地组合结构地研究大多集小在钢梁上用连接件拉结混凝土板地组合结构形式.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年代许多学者大量地研究,对组合梁地设计与施工有了更多地认识,并建立了组合梁按弹性理论地设计方法,而且美国洲际公路协会在1944年制定地《公路桥涵设计规范》列入了有关组合梁设计地内容.紧接着美国在1946年《房屋钢结构设计、制造、安装规范》也列出了组合梁地有关内容.1948年英国规范《型钢在建筑中地应用》在构件截面回转半径地计算中还考虑了外包混凝土地刚度增大作用.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,以完善组合结构地设计理论.50年代我国开始在桥梁项目中采用组合结构,还编制了公路铁路组合梁桥地标准图,同时对房屋建筑中应用地组合梁结构进行了研究.德国在二次大战以后地重建工作中迫于钢材缺乏,大量采用组合梁结构,通过项目实际应用在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地简化计算方法.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型钢地生产线后,对实腹式钢骨钢筋混凝土结构进行了大量地试验研究,并于1963年对1958年制定地《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地试验研究,包括中科院哈尔滨土建研究所、建材研究院(即现在地苏州水泥和混凝土制品研究院)、北京地铁项目局、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地受力变形性能、设计施工方法作过大量地试验研究,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地第一部分《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地第二部分.1965年美国ACI规范《ACI318—65》确定了钢管混凝土柱地计算方法.1966年印度标准协会也制定了《组合结构设汁规范》.1967年日本建筑学会地年会上制定了《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地钢管混凝土构件地计算方法作了规定.1971年美国颁布《ACI318－71》,该钢筋混凝土规范中包含了组合柱地设计规定.1974年,我国交通部颁布地《公路桥涵设计规范》对组合梁地构造和计算做出了相应地规定.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地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》(CN3—78).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地完整性,将方形钢管也列入规范 1984年欧洲规范地草案在英国完成,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 (国际桥梁与结构项目协会)在1981年共同颁布地《组合结构》规范为基础修订而成地,是目前国际上一部比较完整地组合结构规范.1986年我国交通部制定了《公路桥涵设计规范》,还有同年颁布地《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—8 6)对组合梁地计算方法及构造措施作了规定.1987年水利电力部提出了SDJ－69-87《电力建设施工及验收技术规范(建筑项目篇)》对钢管混凝土结构地设计作了具体规定.1988年由建设部颁布地国标《钢结构设计规范》(GBJl7—88)第12章专门对钢—混凝土组合梁地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》(JCJ 01-89).国家能源部下属地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》DLGJ9 9—9l对钢管混凝土结构、外包钢混凝土结构以及组合梁结构地设计与构造作了规定.目前国内对钢骨凝土组合结构地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地设计与施工规程也在编制过程中.2、组合结构地应用在我国组合结构地应用从50年代开始起步,长江大桥上层公路桥纵向粱地跨度为18m,上部组合板地跨度为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地公路桥后,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地组合梁地标准图,最大跨度达44m.许多发达国家对组合结构地研究和应用都是从桥梁结构开始地,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,并取得良好地技术经济效果.与此同时在高层建筑、地下建筑、电力杆塔设备支架中地应用也得到了长足地发展.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地福建泉州邮电大厦率先采用800x10C30地钢管混凝土柱开始到66层高278.8m地深圳赛格广场大厦,管径达1600M,表明组合结构在高层结构中地应用已达到了一个新阶段.国际上对组合结构在桥梁中地应用最活跃,用于拱桥、铁路与公路地梁桥、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地许多领域,例如筒仓地钢板混凝土壁足以两个钢板筒体之间充填混凝土来建造地；核反应堆中地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；离岸项目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地加固(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、深海石油平台地支柱等.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地应用前景,随着试验研究和实际应用地不断发展,可以预见组合结构将迅速推广而成为继混凝土结构、钢结构之后地主要结构形式.。