组合结构概论

浅析组合结构及发展展望摘要：本文对组合结构发展历史的回顾以及当前研究的现状进行了综述，简单介绍新型组合结构的类型和优越性。展望广义组合结构的形式和发展方向以及面临的一些问题。关键词：钢-混凝土组合结构广义组合结构新材料

ThedevelopmentandanalysisofcompositestructuresAbstract:Areviewandprospectofthedevelopmentofcompositestructuresareprovidedinthispaper,andintroducessomenewtypesandsuperiorityofcompositestructuresbriefly.Italsoputsforwardthedevelopmenttrendofthegeneralizedcompositestructuresandsomeproblemsthatshouldbesolved.Keywords:steel-concretecompositestructures;generalizedcompositestructures;newmaterial0引言随着建筑结构的发展,钢-混凝土组合结构得到越来越广泛的应用,成为与传统混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构相并列的新结构类型.这种组合结构体系，主要有压型钢板组合板、组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土和外包钢混凝土等五种类型。由于组合结构节约材料，充分发挥材料的长处，扬长避短，良好的弹塑性等优点，并且具有优良的抗震效果,得到了迅速推广与应用,许多国家制定了相应的技术标准。但我国对组合结构的研究和应用起步较晚,还没制定一部完整的钢—混凝土组合结构设计规程,限制了其推广与应用，但近年来的应用实践表明,该类结构具有显著的经济效益和社会效益,将成为结构体系的重要发展方向之一。1、组合结构的概念组合结构的雏形最早于1894年出现于北美，当时出于防火的需要，匹兹堡的一栋建筑采用了外包混凝土的钢梁，但并未考虑混凝土与钢的共同受力.具有现代意义的钢-混凝土组合梁出现于20世纪20年代，到了50年代已基本形成独立的学科体系。组合是至少应使用两种或两种以上的材料,不包括单独发挥作用，材料之间必须能以某种形式传递荷载或作用。就材料而言,组合的目的是希望得到单一材料不具有的力学性能和改善单一材料组成构件或结构的综合性能。狭义的组合结构仅包括由钢和混凝土两种材料组成的组合柱、组合梁、组合板等。随着社会的发展,对结构物使用功能的要求越来越高,传统的组合结构已经不能完全满足不断增长的功能要求。清华大学聂建国提出了广义的组合结构的概念。广义的组合结构应用更为广泛，除了传统的钢-混凝土，各种新材料的出现为广义组合结构提供了客观条件。例如FRB（FiberReinforcedPolymer），纤维增强复合塑料，具有高强、低密度和很强的抗腐蚀能力等一系列优点适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求,正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中,受到结构工程界广泛关注。但无论是从材料的组合效果还是经济性、实用性来说，目前钢和混凝土的组合仍然是主流，是国家建设的支柱。2.钢-混凝土组合结构的发展概况钢混凝土组合结构这门学科起源于本世纪初期。于本世纪二十年代进行了一些基础性的研究。到了五十年代已基本形成独立的学科体系。至今组合结构在基础理论，应用技术等方面都有很大的发展。钢混凝土组合结构在高层建筑、桥梁工程等许多土木工程中得到广泛的应用，并取得了较好的经济效益。在国外，钢混凝土组合结构最初大量应用于土木工程旨在二次世界大战结束后，当时的欧洲急需恢复战争破坏的房屋和桥梁，工程师们采用了大量的钢—混凝土组合结构，加快了重建的速度，完成了大量的道路桥梁和房屋的重建工程。1968年日本十胜冲地震以后，发现采用钢-混凝土组合结构修建的房屋，其抗震性能良好，于是钢混凝土组合结构在日本的高层与超高层中得到迅速发展。60年代以后世界上许多国家（包括英、美、日、苏、法、德）根据本国的试验研究成果及施工技术条件制定了相应的设计与施工技术规范。1971年成立了由欧洲国际混凝土委员会（CES）、欧洲钢结构协会（ECCS）、国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁及结构工程协会（IABSE）组成的组合结构委员会，多次组织了国际性的组合结构学术讨论会，并于1981年正式颁布了《组合结构》规范。在国内，1988年我国钢结构设计规范GBJ17-88首次列入了“钢与混凝土组合梁”的内容，标志着组合结构受到了广泛的重视.随着《钢-混凝土组合结构设计规程》、《钢-混凝土组合楼盖结构设计规范》、《钢骨混凝土结构设计规程》和《钢管混凝土结构设计与施工规程》等一系列规程的颁布，标志着钢-混凝土组合结构在基础理论、应用技术等方面都有很大的发展，在高层建筑、桥梁工程等许多土木工程中得到广泛的应用，并取得了较好的经济效益。3.钢-混凝土组合构件类型目前实际工程中应用最为广泛，研究最为成熟的钢-混凝土组合结构形式，包括钢-混凝土组合楼板、钢-混凝土组合柱、钢-混凝土组合梁和钢-混凝土组合剪力墙等。钢-混凝土组合楼盖的标准构造做法是采用高强、轻规格的带有各种形式的凹凸肋与各种形式槽纹的压型钢板楼盖,上面浇筑混凝土面层。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。它利用混凝土抗压强度高、压型钢板受拉性能好的特点,使得材料合理受力,发挥各自的优点。另外,压型钢板在施工时可作为浇筑混凝土的模板及施工平台,加快了施工进度。

钢-混凝土组合柱包括型钢混凝土柱和钢管混凝土柱两大类。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)、混凝土三种材料协同工作以抵抗各种外部作用的一种结构。同传统的钢结构相比,型钢混凝土结构有更好的局部和整体稳定性,更大的刚度和强度，节约钢材，防腐蚀和防火性能好。同钢筋混凝土结构相比,这种结构承载力大、刚度大,具有良好的变形能力和延性,抗震性能优越;尤其在大跨度、超高层、重荷载的土木工程结构中,较单独采用钢筋混凝土结构有更好的适用性减小构件截面、增大使用空间、减小构件挠度、节省模板和支撑等型。钢管混凝土是将普通混凝土填入薄壁圆型钢管内而形成的组合结构。钢管混凝土可借助于内填混凝土增强钢管壁的稳定性;借助钢管对核心混凝土的套箍(约束)作用,而使混凝土处于三向受压状态从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力。它与传统的钢筋混凝土柱相比,具有以下几个优点:重量轻、塑性好、强度高、抗震性能好;钢管作为劲性承重骨架,省去了通常的混凝土支模、拆模和支撑工作量,省工、省时;钢管简便,操作性强,宜于保证质量;钢管混凝土在提高结构整体抗震性能的同时,有效地减小了结构尺寸,增加了使用面积。钢管混凝土由于能够同时提高钢材和混凝土两种材料的性能而成为当前研究和应用的热点。

压型钢板混凝土组合楼盖、钢板混凝土组合剪力墙、钢-混凝土组合桁架、离心钢管混凝土等也根据不同的组合概念和组合方式,在刚度、强度、延性和稳定性等方面发挥各自材料的优势,并得到了不断发展。4.新型材料的应用与发展进入21世纪，随着科技的迅速发展，出现了大量力学性能优良的材料。新型组合构件的研发应包括新材料的应用和结构形式的创新。研发工作应侧重于不同材料之间的相互作用机理,并对组合结构在复合受力状态以及高温、疲劳等作用下的性能进行试验研究。组合结构不在限于钢与混凝土。宁波与东北林业大学科研人员一直致力于各种钢-竹组合结构构件的受力性能研究，先后进行了压型钢板-竹胶板组合墙抗震性能试验研究、薄壁型钢-竹胶板组合楼板的力学性能试验研究、冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁的受弯性能试验研究试验来证明了钢-竹结构体系的可行性和独特的优越性。与钢结构、砖混结构相比，钢-竹组合结构体系能节约很多钢材，减少粘土砖的用量，而且造价低廉，施工快捷方便，是中国广大农村居住用房的理想选择。用竹子来代替钢材，绿色环保，符合节约型社会发展的需要。FRP（FiberReinforcedPolymer），纤维增强复合塑料，FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合,经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，机械强度高，FRP的抗拉强度可达钢材的10倍以上，而密度仅为刚才的1/4，并具有很强的耐腐蚀性能。在结构加固和结构新建等领域都具有广阔的应用前景。但复合材料也存在剪切强度、刚度和层间强度低以及易老化等缺点。因此,无论从提高性能上考虑还是从降低造价的目的出发,在设计复合材料结构时应将其与钢材、混凝土等其他材料通过不同方式进行组合,发挥各自的优势,以设计出综合性能更高、价格更低廉的结构。采用FRP材料的组合结构的形式可以包括FRP管混凝土柱、FRP-混凝土组合梁以及FRP-混凝土组合桥面板等。这些组合构件将在抗腐蚀性能、抗震性能和减轻自重等方面具有很大优势。此外,将玻璃、轻质合金、木材等与混凝土和钢材等进行组合,也是值得发展的方向。5.结语本文综述了组合结构的发展以及应用，广义组合结构以及未来新型材料在组合结构中的发展。新型钢-混凝土组合结构在国内已显示出强劲的生命力，尤其是以后未来世界人口密集，超级城市诞生，超高层会成为主流，组合结构会愈加凸显其优越性。但它所涵盖的内容广泛而复杂，相关的设计理论和方法都还不成熟还需要在今后的研究应用中逐步完善。