鋼—混凝土組合結構的研究

張 瑾

(中核新能核工業工程有限責任公司，山西 太原 030012)

鋼—混凝土組合結構的研究

張 瑾

(中核新能核工業工程有限責任公司，山西 太原 030012)

針對鋼—混凝土組合結構的受扭承載力、抗火性能、節點抗震性能進行了詳細的實驗研究，對比分析了鋼—混凝土組合結構與普通混凝土結構的性能，指出鋼—混凝土組合結構由于混凝土內部型鋼的存在可使組合試件的性能得到更好的發揮。

鋼—混凝土組合結構，受扭，節點抗震，抗火性能

鋼—混凝土組合結構是混凝土結構和鋼結構組合形成的新型結構，自身具備鋼結構和混凝土結構的優點，相比混凝土結構自重更輕，抗震性能更強，延性也更加優秀，與鋼結構相比耐火及抗壓性能更強。適合我國的中高層建筑領域，適用在工業建筑、民用建筑及大跨度橋梁等結構中，隨著建筑荷載復雜性的提高和建筑安全性能的要求越來越高，鋼—混凝土組合結構能有效的降低造價、縮短工期。

1 鋼—混凝土組合結構受扭分析

試驗持續過程可以分為四個階段：1)線彈性發展階段。在這個階段中可以發現，組合梁平衡扭矩的方式是通過翼緣正截面上存在的剪應力來達到，此時作用在鋼梁自身的扭矩相對很小。2)當鋼梁截面的主拉應力超過混凝土自身的抗拉強度時，混凝土表面開始出現裂紋，組合梁受到的扭矩突然增大，在應力—應變曲線上形成明顯的臺階狀。3)隨著外界作用在組合梁上的荷載不斷增大，混凝土表面的裂縫不斷發展變寬變長，此時組合梁的抗扭強度不斷下降，因扭動產生的變形加快，當荷載達到一定值時組合梁內部箍筋開始屈服。4)在荷載不斷增大的過程中，混凝土翼緣板上開始出現分布均勻的斜裂縫并逐漸貫通截面上下，進入不穩定的發展階段，部分混凝土因受壓扭開始破壞，脫離主體，內部鋼筋也開始屈服，此時組合梁完成受扭破壞。受扭承載力影響因素分析:組合梁承受的彎矩主要由混凝土翼板承擔，綜合考慮分析得極限承載力的主要影響因素是翼板的截面面積，如果提高翼板構件的厚度可以發現組合梁的受扭承載力會顯著提高，相對提高翼板厚度來說增加配箍率對承載力的提升影響很小。實驗中，當各方面作用相同時，組合梁的抗扭承載力是在配箍率為0.5%左右時達到最大，其他配箍率情況對承載力影響也不是很大。

2 鋼—混凝土抗火性能分析

為分析鋼—混凝土的抗火性能，特將荷載分為五個等級，按分級加載至最大荷載。在實驗中發現，點火升溫一段時間后，鋼—混凝土試件背火面有水層冒出。30 min后隨著溫度的持續升高水分開始蒸發，水蒸氣從混凝土表面和鋼板的結合處的縫隙中流出，隨著時間的增加水蒸氣量漸漸增大，出現水霧現象。大約40 min后出現在混凝土表面的水層開始減少并逐漸消失。1 h左右，由于混凝土內部存在的水分在高溫下蒸發，但有部分水蒸氣在混凝土的堵塞下不能從裂隙中冒出，此時在混凝土的封閉空隙中積聚產生了蒸汽高壓，高壓的存在使混凝土開始爆裂，伴隨著的是輕微的混凝土爆裂聲，部分混凝土碎片隨著爆裂離開試件主體。觀察組合試件的頂部并未發現特別明顯的裂縫產生，對比此時試件與常溫下沒有明顯的不同。實驗再持續10 min混凝土頂面開始出現了一條貫穿試件的主裂縫，這條裂縫使試件的承載力顯著下降，繼續觀察其他部位，這些部位只是出現細小裂縫，沒有出現嚴重的破壞。最為明顯的變化是在跨中出現防火保護層脫落的現象。根據此現象推知跨中的變形最大，位移變形達到試件跨度的1/20，對鋼—混凝土抗火性能的影響最為嚴重，因為破壞試件無法繼續承載，此時組合試件的兩端出現鋼板因受熱不斷膨脹而與混凝土脫開發生破壞。

實驗結果分析：對于組合梁來說，混凝土表面一旦出現了貫通上下的主裂縫就標志著梁已經破壞。主裂縫的出現伴隨著表層混凝土的脫落，混凝土內部的型鋼暴露出來，開始接觸外部的高溫作用，型鋼在高溫作用下出現軟化，部分型鋼在高溫作用下出現了較明顯的變形屈服。實驗結果分析顯示，在跨中跨度達到試件跨度的1/20時試件的變形速度加快，作者認為在高溫條件下，跨中撓度變形超過1/20即可認為組合梁已經喪失耐火能力。

3 鋼—混凝土組合結構節點抗震性能分析

為研究組合梁與柱連接處的抗震能力，特進行實驗加載分析。先在柱的兩端施加豎向荷載，模擬地震發生時的豎向荷載，與此同時在組合梁的兩端加入大小不斷變化的荷載。荷載持續加入一段時間，觀察梁和柱的變化發現，在反向荷載加入到20 kN左右的時候，在組合梁與柱連接的表面處開始出現不明顯的細小裂縫，荷載繼續施加，隨著時間的延長裂縫不斷發展，同時裂縫的寬度和長度均有明顯增大，發展良好。繼續增加荷載，因為連接處受力復雜，在外力的不斷作用下，連接處變成了塑性鉸出現變形。在塑性鉸形成的同時，混凝土表面出現了上下貫通的裂縫，內部鋼筋暴露出來，在重復荷載的作用下鋼筋開始屈服，屈服后鋼筋繼續承受荷載作用，因為鋼筋強化作用的存在，組合梁可以繼續工作，一旦鋼筋達到抗拉強度便開始破壞，這也標志著組合梁的徹底破壞。再觀察節點處，節點的核心區域并未出現斜裂縫，作者認為柱的剛度比梁的剛度大得多，鋼梁的腹板在沒有達到屈服時柱的剪切變形也很小。繼續加大荷載，在柱的表面出現了不斷發展的豎向裂縫，柱子也開始發生破壞。當梁與柱的連接處開始出現輕微的裂縫時節點即可認為是破壞。此實驗按照“強柱弱梁節點更強”的原則進行。

實驗結果分析：組合梁與柱的連接處和混凝土梁柱節點略有不同，因為組合梁與柱的連接處存在型鋼，在荷載的作用下承載力和剛度比混凝土都要大，混凝土發生破壞時，型鋼可以替代混凝土繼續承載工作，充分說明了組合梁與柱的節點的延性也更強，可以避免節點在復雜荷載作用下發生脆性破壞。

4 結語

鋼筋混凝土組合梁與普通混凝土對比有很大優勢，實驗過程也表明混凝土組合梁擁有較輕的自重，剛度也更大，承載力提升明顯，在抗震方面的抗性也更強。可以廣泛的應用在工業廠房、高層建筑等大型結構中，隨著我國建筑行業的快速發展，鋼筋混凝土組合梁也得到了設計、施工單位的認可，其廣泛推廣和應用也必將帶來更好的綜合效益。

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Study on steel-concrete composite structure

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The article studies torsion bearing capacity, fire-resistance performance and joint seismic resistance performance of steel-concrete composite structure, compares steel-concrete composite structure performance to common concrete structure performance, and points out that: steel-concrete composite structure plays better performance role owing to internal steel existing in concrete.

steel-concrete composite structure, torsion, joint seismic resistance, fire-resistance performance

2014-11-25

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)04-0043-02

TU398

A