勁性混凝土性能現(xiàn)狀研究

王震東 葉 斌

（杭州萬國投資管理有限公司，浙江 杭州 320018）

近二十年以來，勁性混凝土結構在中國發(fā)展很快，它被越來越廣泛的應用在建筑和橋梁工程中，取得了顯著的技術經濟效益。因為保證型鋼與混凝土之間有足夠的粘結是勁性混凝土結構設計的基本要求，所以二十年以來國內對勁性混凝土結構的粘結性能進行了大量的研究。本文基于實工經驗和文獻資料對勁性混凝土性能和應用做了研究。

1 勁性混凝土結構的特點

與鋼結構相比，勁性混凝土結構可節(jié)約鋼材達50%以上，降低了造價。同時由于型鋼外包混凝土，可以防止鋼構件的局部屈曲，提高了鋼構件的整體剛度，顯著改善了鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發(fā)揮。另外，外包混凝土也增加了結構的耐久性和耐火性，避免了鋼結構防銹、防腐蝕、防火性能較差，需要經常維護的弱點。

與鋼筋混凝土結構相比，勁性混凝土結構由于在截面中配置了型鋼，使構件的承載能力、剛度大大提高，因而大大減小了構件的截面尺寸。同時采用實腹式型鋼的勁性混凝土構件，其抗剪承載力有很大提高，并大大改善了受剪破壞時的脆性性質，延性獲得了很大的提高，因此勁性混凝土結構的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土結構[l,2]。

2 勁性混凝土結構的發(fā)展

由于勁性混凝土結構的一系列優(yōu)點，日本及西方國家在20世紀初即開始研究應用。20世紀20年代，西方國家的工程設計人員為滿足鋼結構的防火要求，在鋼柱外面包上混凝土，稱為包鋼混凝土(Encased Concrete)結構。起初，包鋼混凝土柱仍按鋼柱設計計算。40年代后開始意識到外包混凝土對提高鋼柱剛度的有利作用，考慮折算剛度后仍繼續(xù)沿用鋼柱設計方法[3,4]。該方法一直沿用，并編入了1985年歐洲統(tǒng)一規(guī)范EC4((組合結構》[5]。

20世紀20年代，日本在一些工程中開始采用勁性混凝土結構。1923年在東京建成的30m高全勁性混凝土結構的興業(yè)銀行，在關東大地震中幾乎沒有受到什么損壞，引起日本工程界的重視。1949年，前蘇聯(lián)建筑科學技術研究所編制了《多層房屋勁性鋼筋混凝土暫行設計技術條件(BTY-03-49)》，50年代又進行了較全面的試驗研究，1978年制定了《蘇聯(lián)勁性鋼筋混凝土結構設計指南》。后來由于省鋼目的，主要采用焊接鋼構架和鋼筋骨架等作為勁性鋼筋(即空腹式鋼骨)。

3 勁性混凝土結構的應用

目前國內外已應用勁性混凝土結構建成了大量的高層、超高層建筑及一些工業(yè)建筑。國外建成的典型的勁性混凝土建筑有美國休斯頓得克斯商業(yè)中心大廈，79層，高305米;日本北海飯店，36層，高121米;新加坡財政部辦公大樓，55層，高242米;悉尼款特斯中心，高198米。20世紀80年代以來，在我國北京、上海等地也相繼建成了一批勁性混凝土結構高層建筑，典型的有北京香格里拉飯店，高24層;上海瑞金大廈，地上27層，地下一層，高107米;廣州、重慶也先后建成了一批勁性混凝土結構的高層建筑。用于工業(yè)建筑的有鄭州鋁廠蒸發(fā)車間等。

此外，勁性混凝土結構也廣泛應用于橋梁工程中，特別是鋼一混凝土疊合板組合梁推廣較快[6]。因為其省掉了高空支模工序和模板，用于橋梁可以不中斷下部交通，具有較好的綜合效益。1993年，北京市市政工程設計研究總院設計的北京國貿橋，在三個主跨采用了鋼一混凝土疊合板連續(xù)組合梁結構，當時疊合板組合梁在國內城市立交橋中的應用尚屬首次。其綜合效益為:(1)比原現(xiàn)澆橋面板方案節(jié)省近400m2的高空支模工序和模板，減小現(xiàn)場濕作業(yè)量，縮短工期近一半，未中斷下部交通；(2)比鋼筋混凝土梁橋自重減輕約50%；(3)比鋼橋節(jié)省鋼材30%左右。鋼一混凝土疊合板組合梁在橋梁結構中的應用成功地實現(xiàn)了"輕型大跨，預制裝配，快速施工"的目的，符合我國城市立交橋建設的國情。建國貿橋以后，僅北京又有6座大跨立交橋的主跨采用了鋼一混凝土疊合板組合梁結構，最大跨度已達到70m。此外，上海南浦大橋和楊浦大橋的橋面結構也采用了鋼一混凝土疊合梁結構。交通部西安公路研究所正在把疊合板組合梁推廣應用于大跨公路橋梁結構。

4 勁性混凝土粘結問題研究現(xiàn)狀

在已經進行的對粘結問題的研究中，人們主要把目光集中在鋼筋混凝土結構上，雖然已取得了一些研究成果，但由于勁性混凝土結構的自身特點，這些成果還不能直接應用到勁性混凝土結構中去。首先，勁性混凝土結構采用的是型鋼。截面幾何形狀與鋼筋有較大差異，受力變形時與混凝土的接觸狀況與鋼筋不同。第二，由于型鋼截面形狀的原因，與鋼筋相比，它與混凝土粘結的環(huán)境較差，混凝土的密實程度往往不太好，氣泡孔隙較多，從而削弱了兩者之間的粘結力。第三，由于型鋼沒有肋紋，所以與變形鋼筋相比，機械咬合作用對粘結力的貢獻較小。第四，型鋼表面在熱軋過程中會產生鱗片，在運輸保管期間也會銹蝕，這使化學膠著力受到較大程度的影響，而對型鋼而言，化學膠著力是型鋼與混凝土粘結力中最重要的一個組成部分。綜上所述，可以看出，勁性混凝土結構的粘結問題有其自身的特殊性。

在已進行的試驗研究中，CharleS.w.Roeder[7]通過型鋼一混凝土的推出試驗得出，按翼緣與混凝土接觸面積平均的局部最大粘結應力與混凝土圓柱體抗壓強度的統(tǒng)計回歸公式為 τbf=0.09′c

考慮試驗數(shù)據(jù)離散后，建議了一個保守的公式：τbf=0.09fc′-0.655，式中 τbf，fc′的單位為N/mm2。

在Jalnes.O.Bryson[8]等人進行的拉出試驗中，重點針對工字鋼表面狀況對粘結性能的影響進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)工字鋼噴砂拋光后的粘結強度低于銹蝕狀況的粘結強度。

在肖季秋等人的試驗研究中，對9個混凝土強度為C20的試件進行了壓出試驗。對試驗分析所得的勁性混凝土結構的:τ-S曲線進行了分析，并擬合出了勁性鋼筋的：τ-S本構關系式：τ=0.75915+1.314965-1.34285 S2+0.4408S2-1.55639 S4

此模型曾用于勁性鋼筋混凝土梁非線性有限元分析，且得到了良好效果。此外，他們還利用試驗結果分析了影響勁性鋼筋粘結的一些因素，如工字鋼表面狀況、混凝土澆注方向、工字鋼埋置長度以及橫向配筋量。

5 結束語

與鋼筋混凝土結構相比，型鋼與混凝土的粘結力遠小于鋼筋與混凝土的粘結力。在采用勁性混凝土結構時，如果不注意采取措施增強粘結，外包混凝土很容易產生較大范圍的剝落，導致承載力產生較大的衰減，鋼骨的塑性變形能力將得不到充分的發(fā)揮。所以在實際工程中，建議采用強度等級較高的混凝土，并配置適量的箍筋，一定要保證混凝土保護層達到一定厚度。此外，對有某種銹蝕的工字鋼無須噴砂拋光，且澆注混凝土時宜采用豎位澆注。最后，還可以在構造上采取一些措施增強型鋼與混凝土的粘結，如在型鋼上加錨筋及加鋼板肋等。

[1]張素芳.SRC框架短柱在低周反復荷載作用下的延性.西南交通大學學報，1990，16(2):43-48

[2]葉列平，方鄂華等.勁性混凝土柱的軸壓力限值.建筑結構學報，1997，18(5):56-63

[3]StevensRF.EneasedStanehions.StrutUlalengineer，1965，43(12):112-123

[4]BasuA.K.eom Putation of Failtireloadsofcom Positeeolumns.Proeeedings of institution of eivilengineers，1967，(3):235-243

[5]ECCS.ComPositestr Ueure.Londonand－NewYork:Theeons加 etionPress，1981

[6]聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用.土木工程學報，1999，34(4):3-7

[7]Roeder C W.Composite and mixed construction.Published by ASCE,1984

[8]Brtson J O,Mathey R G,Surface condition effect on bond strength of steel beams embedded in concrete.ACI,1962,59(3):397-406