論述多高層鋼結(jié)構(gòu)中的組合結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

沈立波

在高層鋼結(jié)構(gòu)中，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)運(yùn)用得越來越廣泛。比如在鋼與混凝土組合樓蓋中，將混凝土樓板和鋼梁通過栓釘?shù)冗B接件組合在一起，就形成了鋼—混凝土組合梁或組合連續(xù)梁;或者在鋼梁外包裹混凝土組成鋼骨混凝土梁共同工作等等。組合結(jié)構(gòu)形式多樣，又各有其不同特點(diǎn)。組合結(jié)構(gòu)主要包括組合柱、組合梁和組合樓板。組合柱包括鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱等;組合梁包括鋼梁—混凝土樓板組合梁、鋼梁—壓型鋼板混凝土樓板組合梁、鋼骨混凝土梁等;組合樓板包括壓型鋼板—混凝土疊合樓板等，由這些組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以構(gòu)成組合結(jié)構(gòu)體系。

1 鋼—混凝土組合梁

1.1 組合梁的特點(diǎn)

承載力高剛度大，抗震性能好。無組合作用下剛度I1=bh3/12+bh3/12=bh3/6。有組合作用，剛度 I2=b(2h)3/12=2bh3/3。剛度比:I2/I1=4.0，剛度提高了3倍。

同混凝土梁相比，減輕自重50%以上，減小地震作用，減小構(gòu)件尺寸，降低基礎(chǔ)造價(jià)，減輕自重帶來的綜合效益相當(dāng)可觀;減小結(jié)構(gòu)高度，施工簡化，周期縮短，工廠化制作，不需支模，不需搭腳手架;減少預(yù)埋件數(shù)量，整體性強(qiáng)，抗剪性能好，抗震性能提高。

同鋼梁相比，承載力提高50%以上，剛度提高100%以上，整體穩(wěn)定性提高，混凝土板作為鋼梁的連續(xù)側(cè)向支承，局部穩(wěn)定性提高;耐久性增強(qiáng)，上翼緣被混凝土覆蓋，防腐面積減小。

1.2 組合梁截面彎曲強(qiáng)度

1)彈性彎曲強(qiáng)度。換算截面法:把混凝土換算成鋼—混凝土截面參數(shù)除以模量比n;把鋼換算成混凝土—鋼梁截面乘以模量比n，n=Es/Ec(鋼與混凝土的彈性模量比)。2)極限抗彎強(qiáng)度。按全截面塑性發(fā)展進(jìn)行組合梁截面承載力計(jì)算時(shí)，鋼梁及連續(xù)組合梁所配負(fù)鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相應(yīng)的規(guī)定取值。混凝土強(qiáng)度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相應(yīng)規(guī)定取值。對(duì)于連續(xù)組合梁采用塑性設(shè)計(jì)方法時(shí)，內(nèi)力調(diào)幅系數(shù)不超過15%。

鋼—混凝土組合梁具有極好的延性，對(duì)于完全剪力連接組合梁，在承載力極限狀態(tài)時(shí)，鋼梁下翼緣甚至部分腹板已進(jìn)入強(qiáng)化階段，并且這部分截面距混凝土壓應(yīng)力合力點(diǎn)的距離最遠(yuǎn)，故強(qiáng)化效應(yīng)有利于增大，因此強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)彎曲極限強(qiáng)度的提高可以彌補(bǔ)滑移效應(yīng)引起彎曲極限強(qiáng)度的降低，這就是大部分實(shí)測(cè)彎曲極限強(qiáng)度與簡化塑性理論計(jì)算值吻合較好的原因。考慮強(qiáng)化效應(yīng)的有利影響，滑移效應(yīng)對(duì)極彎曲強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。

1.3 鋼—混凝土連續(xù)組合梁

歐洲規(guī)范4(EC4)將鋼—混凝土連續(xù)組合梁定義為:“組合梁具有三個(gè)或更多個(gè)支座，其中鋼梁在內(nèi)支座處連續(xù)或用完全剛性節(jié)點(diǎn)連接，而且支座傳遞給梁的彎矩較小，在內(nèi)支座處組合梁可以配有受力鋼筋或僅有構(gòu)造鋼筋。”當(dāng)截面構(gòu)造及荷載條件相同時(shí)，連續(xù)組合梁相對(duì)于簡支組合梁的優(yōu)勢(shì)主要有:在一定的撓度限值下可以采用更大的跨高比;更有效地控制內(nèi)支座附近樓板的裂縫寬度;樓板體系整體性能好，抗震及承受動(dòng)力荷載的能力更強(qiáng)，但連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)會(huì)出現(xiàn)混凝土板受拉、鋼梁受壓的不利情況，需要在設(shè)計(jì)過程中加以重視。總之，其綜合性能相對(duì)于鋼材受拉、混凝土受壓的簡支組合梁仍具有優(yōu)勢(shì)。

由于混凝土開裂等因素的影響，很難精確計(jì)算連續(xù)組合梁的內(nèi)力和變形。采用彈性分析時(shí)，考慮剛度分布和截面強(qiáng)度特征，當(dāng)任何截面的內(nèi)力達(dá)到其彈性強(qiáng)度時(shí)，組合梁達(dá)到彈性承載力。正彎矩區(qū)的剛度與簡支梁相同，負(fù)彎矩區(qū)的剛度僅考慮鋼梁和鋼筋形成的組合截面。彈性分析的困難在于正、負(fù)彎矩區(qū)的長度難以確定。

塑性分析可采用極限平衡法:將結(jié)構(gòu)簡化為一系列由塑性鉸連接的剛性桿組成的破壞機(jī)構(gòu)，直到某一跨形成足夠的塑性鉸并產(chǎn)生了最弱的破壞機(jī)構(gòu)時(shí)連續(xù)組合梁達(dá)到其承載力。內(nèi)力分析決定于構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，與截面剛度無關(guān)。根據(jù)破壞機(jī)構(gòu)和各個(gè)塑性鉸的抗彎強(qiáng)度，利用極限平衡法可以計(jì)算連續(xù)組合梁的極限承載力。

2 鋼管混凝土

鋼管混凝土是由圓形或矩形截面鋼管及內(nèi)填混凝土所構(gòu)成的。在受力過程中，鋼管對(duì)混凝土的套箍作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而提高了混凝土的極限強(qiáng)度，并且大大改善了其塑性和韌性;同時(shí)由于混凝土的支撐作用可以避免延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，保證了鋼材的性能得以充分發(fā)揮。鋼管與混凝土相互約束，共同工作，提高了構(gòu)件的整體性能，具有承載力高，延性及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。鋼管兼有縱向鋼筋和箍筋的作用，現(xiàn)場安裝方便快捷，同時(shí)也可作模板使用，便于澆筑混凝土，因此鋼管混凝土具有良好的施工性能，且具有較好的防火性能。鋼管混凝土與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在保持用鋼量和承載能力相近的條件下，構(gòu)件截面面積可減小約50%，從而增大了建筑的有效使用面積，且極大地減小了構(gòu)件自重，鋼管混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)省鋼材約50%。因此鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。

3 鋼—壓型鋼板混凝土

3.1 鋼—壓型鋼板混凝土組合板

壓型鋼板混凝土組合樓板是通過剪力連接件與鋼梁連接起來，形成整體共同受力和協(xié)調(diào)變形的一種新型組合樓板體系。它能充分利用鋼材優(yōu)越的抗拉性能和抗壓性能，具有自重輕、塑性和抗震性能好、施工簡便和經(jīng)濟(jì)效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)。大部分將壓型鋼板作為永久性模板使用，方便施工，同時(shí)作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，而沒有利用壓型鋼板代替板中的受力鋼筋。

3.2 鋼—壓型鋼板混凝土組合梁

壓型鋼板混凝土組合梁截面形式按壓型鋼板和鋼梁之間的組合方式可以分為壓型鋼板肋垂直于鋼梁;壓型鋼板肋平行于鋼梁;壓型鋼板倒置;壓型鋼板順置。按壓型鋼板類型可以分為開口型，閉口型，縮口型等。

壓型鋼板組合梁的優(yōu)點(diǎn)是:壓型鋼板作為永久性模板，節(jié)省支模、拆模工序和模板，加快施工速度，節(jié)省施工費(fèi)用;在施工階段，壓型鋼板作為鋼梁的連續(xù)側(cè)向支承，增大了鋼梁的整體穩(wěn)定性;壓型鋼板可以作為施工工作平臺(tái)，增加施工作業(yè)面;壓型鋼板形成的凹槽可以安放電線、電訊電纜及通風(fēng)管道等。閉口型壓型鋼板組合板可以不在板底做吊頂，做吊頂也可以不焊接吊鉤。

4 鋼骨混凝土

4.1 鋼骨混凝土概念

鋼骨混凝土(Steel Reinforced Concrete，以下簡稱SRC)結(jié)構(gòu)是指在鋼骨周圍配置鋼筋，并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。鋼骨分為實(shí)腹式和空腹式。實(shí)腹式SRC構(gòu)件具有較好的抗震性能，而空腹式SRC構(gòu)件的抗震性能與普通鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)構(gòu)件基本相同。

4.2 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與鋼結(jié)構(gòu)相比，SRC構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，并能提高鋼構(gòu)件的整體剛度，顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。采用SRC結(jié)構(gòu)，一般可比純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50%以上。此外，外包混凝土增加了結(jié)構(gòu)耐久性和耐火性，歐美國家最初發(fā)展SRC結(jié)構(gòu)就是出于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火和耐久性方面的考慮。

與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，大大提高了構(gòu)件的承載力，尤其是采用實(shí)腹鋼骨的SRC構(gòu)件，其抗剪承載力有很大提高，并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5 結(jié)語

一般在建筑工程中所用的組合結(jié)構(gòu)是把結(jié)構(gòu)鋼和混凝土巧妙地結(jié)合在一起，充分利用鋼材和混凝土各自的材料特性，揚(yáng)長避短。混凝土抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低，脆性大，延性差;鋼材抗拉強(qiáng)度高，延性好，受壓易失穩(wěn)。廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固與改造等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，綜合效益好。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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