淺談建筑中的組合結構

張兵兵

淺談建筑中的組合結構

張兵兵

介紹了鋼—混凝土組合結構的特點,闡述了目前國內工程中應用較多的組合結構的優點,分析探討了組合結構在我國存在的問題,為進一步發展組合結構提供了指導。

組合結構,鋼—混凝土組合樓蓋,型鋼混凝土組合結構

0 引言

組合結構早在 19世紀末就已經存在,盡管當時并沒有意識到要利用兩種材料組合以后新增的強度和剛度,單純的想要減輕鋼管內部的銹蝕而灌入混凝土,為了改善鋼結構的耐火性能而在其外圍包裹混凝土,但就這樣開創了組合結構的實際應用的歷史。

組合結構有時稱作混合結構,兩者又統稱為復合結構。組合結構的定義有不同的描述,在土木工程范圍內組合結構應該指由兩種或兩種以上結構材料組成,并且材料之間能以某種方式有效傳遞內力,以整體的形式產生抗力的結構。這里不包括兩種或兩種以上結構材料組成而是各自單獨發揮作用、簡單疊加、單獨承受荷載的結構。

1 組合結構分類

土木工程采用的組合結構大致可分為以下幾類：

1)組合板。a.以下部壓型鋼板為配筋的混凝土板,其間用連接件使兩者結合成整體。b.在箱形截面鋼板內充填的組合板。2)組合柱。將型鋼埋入鋼筋混凝土共同承受內力的柱構件,又稱SRC柱。3)鋼管混凝土柱。將混凝土充填到鋼管內部而形成的組合柱,又稱CFT柱。4)組合梁。a.將鋼筋混凝土板錨固在鋼梁上形成的組合梁。b.將型鋼或焊接鋼骨架埋入鋼筋混凝土而形成的梁,又稱SRC梁。5)組合墻。由混凝土和平面鋼板結合而成的墻板。6)組合殼體。由混凝土和曲面鋼板結合而成的殼體。

2 組合結構優點

組合結構能充分發揮各自材料的性能,絕不單單是 1+1=2那么簡單,具有如下特點：

1)鋼—混凝土組合樓蓋中,壓型鋼板可作為混凝土的受拉加強部分,用以抵抗板面荷載產生的板底拉力,除了在適當部位要設置鋼筋減輕混凝土收縮以及溫度變化的影響外,不必再另設鋼筋。并且壓型鋼板作為永久性模板,不再需要安裝、拆模,方便施工。

2)鋼—混凝土組合樓蓋中,混凝土板作為組合梁截面的受壓翼緣,從而使組合截面的幾何特性比非組合截面的幾何特性有很大的改善,因而前者的承載力及剛度將遠遠超過后者。并可以增強組合梁截面中鋼梁的側向剛度,可以防止鋼梁在使用荷載下發生扭曲失穩。

3)鋼—混凝土組合樓蓋與鋼結構相比,具有整體性強,抗剪性能好,耐震性能大大提高。1923年日本的關東大地震的震害調查中,由內藤多仲設計的日本興業銀行大樓,總面積達15 000m2,地上 7層、地下 1層,高度約為 30m的鋼骨鋼筋混凝土組合結構,梁、柱都是型鋼埋入的SRC結構,在震后幾乎沒有發現損傷,由此證明了組合結構優良的抗震能力。

4)型鋼混凝土組合結構含鋼率不受限制,承載力高,剛度大。反過來講,可以減小構件截面,增加建筑物使用面積和樓層凈高。型鋼混凝土框架較之鋼框架可節省鋼材達 50%以上,經濟效益可觀。

5)型鋼混凝土組合結構可以二次受力。澆灌混凝土以前,型鋼混凝土中的型鋼有相當的承載力,可以懸掛模板,承受自重、后澆混凝土和施工荷載等第一階段荷載。后澆混凝土養護結硬達到設計強度后,與型鋼、鋼筋形成整體,共同承受使用荷載。利用二次受力原理進行型鋼混凝土梁的合理設計,可以減小梁的變形和裂縫寬度。

6)型鋼混凝土組合結構顯著加快施工速度。不必等待下層結構的混凝土達到預定強度就可繼續上層施工,不需臨時支撐,可實行土建和設備安裝工序的平行流水作業。

7)型鋼混凝土組合結構與鋼結構相比,型鋼混凝土組合結構的耐久性、耐火性能等均勝一籌。型鋼混凝土構件的外包混凝土,可以阻止其中型鋼的局部屈曲,并能顯著改善型鋼的出平面扭轉屈曲性能,使鋼骨的鋼材強度得以充分發揮,節約鋼材 50%以上。

8)經濟效果好,適合我國國情;與鋼結構相比,型鋼混凝土結構用鋼量大幅度減少。資料表明,型鋼混凝土全框架結構較之鋼框架結構可減少鋼材用量 50%或者更多一些。與鋼筋混凝土結構相比,型鋼混凝土結構雖然用鋼量有所增加,但有更好的適用性,即減少構件體積,增大使用空間,節省混凝土用量,減輕地基荷載,節省模板和支撐,可免除構件中的預埋件,有更好的抗震性能等,且建筑結構的綜合效益優于鋼筋混凝土結構。

3 組合結構缺點

由于組合結構具有如上優點,在國際上特別是在西方工業國家得到了迅速的發展和應用。在我國,組合結構的應用面還不大,主要是受到如下缺點的制約：

1)組合結構的防火性能不如混凝土結構,特別是在高層建筑中,結構防火問題尤為突出。2)組合結構需要進行防銹蝕處理。由于我國的鋼結構應用相對較少,對鋼材的防銹蝕問題研究的不多,在防銹蝕處理時多采用防銹蝕油漆,而在西方工業國家一般采用在鋼材中加入抗腐蝕成分。這種鋼材表面銹蝕后可形成保護層,銹蝕不會向內部發展。3)型鋼混凝土構件既要求進行鋼構件的制作和安裝,又要求支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土,施工工序增多。4)在我國,對組合結構的理論研究還不夠深入,理論對實踐的指導也很不夠,因而影響了組合結構在我國的推廣和應用。

4 結語

改革開放以來,全國以經濟建設為中心,國民經濟得到了空前的發展,鋼產量大幅度增加,每年以 10%左右的速度持續增長,1996年我國鋼產量首次突破 1億 t,躍居世界第一位。鋼材的開發、計算的改進、新的結構體系的應用取得了很大的進展,為組合結構的發展奠定了堅實的物質基礎。組合結構的優良性能和技術經濟指標使它在我國有著更廣泛的應用前景,隨著試驗研究和實際應用的不斷發展,可以預見組合結構將迅速推廣而成為繼混凝土結構、鋼結構之后的主要結構形式。

[1]嚴正庭.鋼與混凝土組合結構計算構造手冊[M].北京：中國建工出版社,1996.

[2]蔣家奮,湯關祚.三向應力混凝土[M].北京：中國鐵道出版社,1988.

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社,1994.

[4]張國正.組合結構[M].鄭州：河南科學技術出版社,1989.

[5]朱聘儒.鋼—混凝土組合梁設計原理[M].北京：中國建工出版社,1989.

On com bination structure in building

ZHANG Bing-bing

The paper introduces the characteristics of steel and concrete combination structure,illustrates the advantages of the combination structures which are common ly applied in projects athome,and analyzes the problems of the combination structure in China,so as to provide the direction for the further development of the combination structure.

combination structure,steel-concrete combination top,steel reinforced concrete combination structure

TU398

A

1009-6825(2011)09-0059-02

2010-11-29

張兵兵(1982-),男,助理工程師,山西新唐工程設計有限公司,山西太原 030006