新型钢-混凝土组合结构的应用与展望 摘要:简要介绍新型组合结构的类型及优越性,并对其在国内外的发展过程及应用现状做出评述,分析新型钢-混凝土组合结构的发展方向和需进一步解决的问题,对推动钢筋混凝土组合结构在结构工程中的应用具有理论意义和实用价值。 关键词:钢-混凝土组合结构 型钢混凝土结构 钢管混凝土结构 THE PRESENT RESEARCH AND PROSPECT OF NEW

STEEL-CONCRETE COMPOSITE STRUCTURE Abstract:The type and superiority of new composite structure were introduced.The process of development at home and abroad and the present status of application were also presented.Particularly,the direction of development and research topics of the new steel-concrete composite structure were pointed out.Which has theoretical and practical importance in promoting the application of steel-concrete composite structure in structural engineering. Keywords:steel-concrete.composite.structure steel.reinforced concrete struct- -ure concrete filled steel tubular Structure 组合结构通过把钢和混凝土巧妙的组合在一起,充分发挥了钢和混凝土的材料特性,加快了施工进度,提高了经济效益,因而在世界各国得到了越来越广泛的应用。 1、组合结构的概念和类型 从材料性能与组合的效果,以及经济性和实际应用上来看,作为与土木工程相关的组合结构,钢与混凝土或钢与钢筋混凝土的组合仍然最具适用性,被大量研究和应用。组合结果即是:至少应使用两种以上的材料,不包括只单独发挥各自作用的、单纯重叠的和单独承受外部作用的形式,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(或两种)材料组成构件或结构的综合性能。 按照目前国内外的一般认识,组合结构是组合异种材料构成结构构件,并作为完整整体而发挥作用的结构。它包括:钢管混凝土结构(Concrete Filled Steel Tubular Structures);型钢钢筋混凝土结构;其他类钢-混凝土组合结构,如外包钢混 凝土结构,压型钢板与混凝土组合楼板结构,钢与混凝土组合梁、混合梁、混合柱,组合节点结构体系等。他们实现组合结构的途径表现在两个方面:构件界面的“组合”及多种单一材料或多种材料的“组合”。发挥组合结构特性的保证条件是:钢与混凝土两者之间必须有牢固的粘结,因为组合结构的力学特性不仅受到连接材料特性的影响,还受到连接面应力传递特性的影响。 根据我国国情,很多设计单位将钢管混凝土、型钢混凝土与钢筋混凝土结构构件组合起来,在高层建筑中,采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁、型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱-钢与混凝土组合梁等组成框架,用钢管混凝土柱-钢筋混凝土无梁楼盖组成板柱结构,从而形成以钢-混凝土组合构件为主要承重构件的新型结构体系,有人称之为“新型钢-混凝土组合结构”[1]。组合结构在目前我国得到越来越广泛的应用,其中以型钢混凝土和钢管混凝土构件最为常见[2]。 2、型钢混凝土及钢管混凝土的概念及优点 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。它是钢-混凝土组合结构的一种形式,同传统的钢结构相比,型钢混凝土结构有更大的刚度和强度,更好的局部和整体稳定性,防腐蚀和防火性能好,节约钢材。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[3]。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[4]。从发展趋势看,钢筋混凝土结构、钢结构、型钢混凝土结构和钢管混凝土结构,即将并列为我国高层建筑和大型土木工程的四大主要结构类型。 3、型钢混凝土结构及钢管混凝土结构的应用现状 3.1、国外研究与应用 从欧美国家多高层建筑应用型钢混凝土的情况来看,主要是采用钢梁和型钢混凝土柱结合使用的结构体系。从更广泛的意义上讲,欧美国家对于型钢混凝土结构在桥梁、公路设施、海洋工程、地下工程等中的应用甚于在建筑结构中的应用[5]。前苏联在第二次世界大战后的恢复建设中,曾较多地将型钢混凝土结构用于工业厂房中,虽然起步较早,但在20世纪70年代后发展较慢,而用于工业厂房的外包钢混凝土结构相应有了较快的发展[6]。日本是一个多地震国家,地理条件促使它必须找到一种抗震性能和实用性都比较好的结构形式。目前日本已成为世界上型钢混凝土结构研究和工程应用最多的国家。在日本,型钢混凝土结构、钢结构、木结构钢筋混凝土结构并列为四大结构。日本大约50%的高层建筑采用型钢混凝土结构,且有相当数量是由型钢混凝土结构和其他结构复合而成的混合结构,足见其应用之广泛[7-9]。 从1897年美国人John Lally因钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(成为Lally柱)并获得专利算起,钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有一百多年的历史[10]。钢管混凝土优越的力学性能,一开始就受到欧美各国土木界的重视,竞相开发和利用。苏联、西欧、北美和日本等工业发达国家开展了大量的试验研究工作,曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用[11]。20实际80年代后期,由于先进的泵送混凝土工艺的发展,解决了现场钢管内混凝土的浇注工艺问题,加以现代混凝土学要用钢管套箍克服其脆性,因此在美国和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中,钢管混凝土结构技术又悄然兴起,传统的钢柱被钢管混凝土替代,并被认为是高层建筑营造技术的一次重大突破[12]。 3.2、国内研究与应用 在我国,20世纪50年代开始就有型钢混凝土结构的应用,但其设计方法是直接引用前苏联的有关规范。这一时期,型钢混凝土结构的应用大多是空腹式的,而且不配纵筋和箍筋,其范围也限于少数工业厂房和特殊结构,没有推广到民用和公共建筑中去。20世纪60年代后,由于片面强调节约钢材,型钢混凝土结构就很难推广应用。我国从20世纪70年代末开始发展高层建筑,最初在我国合资建造的一批高层建筑混合结构体系中,都采用了型钢混凝土结构[13]。其中,钢-混凝土组 合梁在我国的应用是从建国初期就开始了,广泛应用于工业、民用建筑及多种桥梁中,并开始采用预应力组合梁[14]。从20世纪80年代中期开始,我国科技工作者对型钢混凝土结构展开了全面的研究,并进行了静力、拟动力试验及少量混合结构的试验研究。经过20世纪80年代以来,许多高校和研究院持续深入的试验研究和工作积累,我国分别于1997、2001年和2002年相继颁发了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》(YB 9082-97)、《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001)和国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2002),使得型钢混凝土结构的应用有章可循,促进了发展。近几年来,我国已建和在建的组合结构高层建筑中,多数采用了型钢混凝土结构和钢结构、钢筋混凝土结构的“组合”。 从20世纪五六十年代开始,钢管混凝土柱逐步开始在桥梁工程、重型工业厂房、桩和一些构筑物中得到应用。20世纪八九十年代,钢管混凝土在高层建筑中主要用于大跨度、大荷重的柱。此外,由于泵送顶升管内混凝土和自上而下灌注混凝土施工工艺的发展和应用,更使钢管混凝土柱受到工程界的青睐[15]。20世纪80年代,根据建设部科技发展计划,在我国开展了较系统的科学试验,使钢管混凝土结构的计算理论和设计方法取得了长足的进展,已形成一套能满足设计需要的计算理论和设计方法。在总结我国钢管混凝土科研、设计和施工所取得的成就基础上,编制了《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28∶90)。 4、目前存在的问题及发展展望 相对于其他类型的结构,型钢混凝土结构在我国的研究与应用历史不长。特别是对土木领域的一些重大工程,其理论研究和设计分析方法滞后于工程实践。在研究层次上,对单个构件性能研究相对较多,而对整体结构和与型钢混凝土结构复合而成的混合结构研究较少。在研究深度上,对一般受力性能和工作机理研究较多,而对于诸如收缩和徐变、粘结、裂缝、刚度、疲劳等问题研究较少;在应用范围上,建筑结构中使用型钢混凝土较多,而在桥梁、海洋与港口、地下工程等领域应用较少;对预应力型钢混凝土结构、轻型钢混凝土结构及特殊形式型钢混凝土结构,目前国内刚刚开展研究;对于型钢混凝土结构在施工荷载和施工期间的工作机理和受力性能研究少有涉及。因此,全面地对相关课题进行深入的研究、并建立计算理论和设计方法是非常必要的。