鋼-混凝土組合結構

金輝 朱志永

1河南建筑職業技術學院（450003）2武漢平煤武鋼聯合焦化公司（430082）

鋼-混凝土組合結構

金輝1朱志永2

1河南建筑職業技術學院（450003）2武漢平煤武鋼聯合焦化公司（430082）

介紹了鋼混凝土組合結構的一般概念和發展概況，總結了壓型鋼板、鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土柱、外包鋼混凝土結構和鋼骨混凝土結構的優缺點，供設計和研究人員參考。

壓型鋼板；鋼-混凝土組合梁；鋼管混凝土柱；外包裝混凝土結構；鋼骨混凝土結構

1 鋼-混凝土組合結構的一般概念

組合結構的種類繁多，從廣義上講，組合結構是指兩種或多種不同材料組成一個結構或構件而共同工作的結構（Composite Structure）。鋼-混凝土組合結構是繼木結構、砌體結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構之后發展起來的第五大類結構。鋼筋混凝土結構就是具有代表性的組合結構的一種。

組合結構通常是指鋼-混凝土組合結構，其中鋼又分為鋼筋和型鋼，混凝土可以是素混凝土也可以是鋼筋混凝土。國內外常用的鋼-混凝土組合結構主要包括以下五大類：

壓型鋼板混凝土組合板、鋼—混凝土組合梁、鋼管混凝土結構、外包鋼混凝土結構、鋼骨混凝土結構（也稱為型鋼混凝土結構或勁性混凝土結構）。

2 鋼-混凝土組合結構的發展概況

鋼-混凝土組合結構起源于本世紀初期。于20世紀20年代進行了一些基礎性的研究。到了20世紀50年代已基本形成獨立的學科體系。至今組合結構在基礎理論、應用技術等方面都有很大的發展。目前，鋼-混凝土組合結構在高層建筑、橋梁工程等許多土木工程中得到了廣泛的應用，并取得了較好的經濟效益。

在國外，鋼-混凝土組合結構最初大量應用于土木工程是在第二次世界大戰結束后。當時的歐洲急需恢復戰爭破壞的房屋和橋梁，工程師們采用了大量的鋼-混凝土組合結構，加快了重建的速度，完成了大量的道路、橋梁和房屋的重建工程。1968年日本十勝沖地震以后，發現采用鋼-混凝土組合結構修建的房屋，其抗震性能良好，于是鋼-混凝土組合結構在日本的高層與超高層中得到迅速發展。20世紀60年代以后，世界上許多國家（包括英、美、日、蘇、法、德）根據本國的試驗研究成果及施工技術條件制定了相應的設計與施工技術規范。1971年成立了由歐洲國際混凝土委員會（CES）、歐洲鋼結構協會（ECCS）、國際預應力聯合會（FIP）和國際橋梁及結構工程協會（IABSE）組成的組合結構委員會，多次組織了國際性的組合結構學術討論會，并于1981年正式頒布了《組合結構》規范。

我國對鋼-混凝土組合結構的研究和應用起步較晚，從20世紀50年代才開始開展組合梁的研究和應用，至今除了鋼與混凝土組合梁已納入《鋼結構設計規范》（GBJ 17-88）外，其余的組合結構和構件還停留在行業標準的基礎上。具有代表性的三個行業標準是：國家經濟貿易委員會頒布的中華人民共和國電力行業標準《鋼-混凝土組合結構設計規程》（DL/T 5085-1999）；國家冶金工業部頒布的行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》（YB 9082-97）；中國工程建設標準化協會標準《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS 28：90）。這三部規程的頒布標志著我國的鋼-混凝土組合結構實際應用已進入一個嶄新的時代。

3 壓型鋼板混凝土組合板的概況及優缺點

壓型鋼板可作為墻板和屋面板之用，也可用作樓板。壓型鋼板在施工階段用作樓面混凝土板的永久性模板，在混凝土未凝固之前的施工階段，它僅承受自重、濕混凝土重及施工活荷載。組合板中的壓型鋼板，在使用階段當作組合板結構中的下部受力鋼筋之用，從而減少混凝土板中的鋼筋（如圖1）。

圖1 混凝土組合板示意圖

20世紀60年代前后，在美、日等國大量興建高層建筑的情況下,由于壓型鋼板自重輕、施工快等一系列的優點，獲得了廣泛的應用，并促進了壓型鋼板的生產。

國內使用壓型鋼板起步較晚，但發展較快。冶金工業部頒布了《壓型金屬板設計施工規程》(YBJ 216-88)、《鋼與混凝土組合樓層設計施工規程》(YB 9238-92)，為國家采用壓型金屬板與組合板奠定了基礎。20世紀80年代以來，我國興建了大量高層建筑，如北京香格里拉飯店、長富宮中心、京城大廈、上海靜安飯店、上海錦江飯店、深圳發展中心大廈等都已經采用壓型鋼板作樓層永久性模板或作組合板。

組合板具有下列的優點：

不需要模板不需模板的拆卸安裝，可避免由易燃的模板而引起的建筑失火的危險。

壓型鋼板的作用相當于抗拉主鋼筋，用以抵抗板底面的正彎距，只在認為需要之處才加設抵抗混凝上收縮及溫度影響的鋼筋。

壓型鋼板本身為混凝土樓層提供了平整的頂棚表面。

壓型鋼板可疊在一起，并可置于集裝箱內，易于運輸、存儲、堆放與裝卸。

壓型鋼板的波紋間有預加工的槽，供電力、通信等工程之用。

在安裝后，壓型鋼板可用作工具、材料、設備的安全工作臺。

使用組合板，施工時間人為減少，可以繼續進行另一樓層混凝上的澆灌，而不需要等待前一層澆灌的樓板達到要求的混凝上強度等級。

整個結構的恒荷載減少，節約了下部基礎的費用。

4 鋼-混凝土組合梁的概況及優缺點

組合梁由于能充分發揮鋼與混凝土兩種材料的力學性能，在國內外獲得廣泛的發展與應用。20世紀20年代初，在加拿大和英國進行了最早的研究，至20世紀30年代組合梁結構體系試驗成功,并建立了組合梁按彈性理論的設計方法，20世紀60年代后出現了按塑性理論的設計方法。我國從20世紀50年代初開始研究組合梁結構，之后在公路、鐵路橋梁方面得到應用。在房屋建筑方面，早在20世紀50年代,北京鋼鐵設計研究總院對組合梁結構進行了探討和研究。組合梁結構除了具有鋼材和混凝土兩種材料受力特點外，與非組合梁結構比較，具有下列一系列的優點：

節約鋼材。以某工程冶煉車間為例，該車間標高16.9 m的平臺，原設計是鋼梁上澆灌混凝土板，鋼筋混凝土板不參與鋼梁共同工作，后在施工現場將其修改成鋼筋混凝土板與鋼梁共同工作的組合梁，節約鋼材17%～25%。

降低梁高。組合梁較非組合梁不僅節約鋼材，降低造價，降低了梁的高度。這在建筑或工藝限制梁高的情況下，采用組合梁結構特別有利。

增加梁的剛度。在一般的民用建筑中，鋼梁截面往往由剛度控制，而組合梁由于鋼梁與混凝土板共同工作，大大地增強了梁的剛度。

增加梁的承載力。

降低沖擊系數。

抗震性能好，抗疲勞強度高。

局部受壓穩定性能良好。

使用壽命長。

5 鋼管混凝土柱的概況及優缺點

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構件。鋼管混凝土研究最多的是圓鋼管，在特殊情況下也采用方鋼管或異型鋼管。除了在一些特殊結構當中采用鋼筋混凝土，混凝土一般為素混凝土。早在19世紀80年代就出現了鋼管混凝土結構，最初用作橋墩，然后漸漸地用作建筑物中的柱子。

我國20世紀60年代開始了這種結構的研究，并首先用于首都地鐵工程中。北京站至蘋果園的地鐵線路上，在北京站和前門站的站臺工程中首次試用，經濟效果很好。和傳統采用的鋼筋混凝土柱相比，不但施工簡捷得多，而且體積小，增加了地下有效使用空間。因此，在隨后建造的地鐵環線工程中，所有的站臺柱，全部采用了鋼管混凝土柱。從20世紀70年代開始，在工業廠房、高爐和鍋爐構架、變電和輸電塔架等工程中，鋼管混凝土得到了推廣應用。工業廠房中采用鋼管混凝土柱的有鞍鋼、首鋼及寶鋼工程中的大量重工業廠房，還有各地的造船廠和火力發電廠等。廠房跨度最大的L=54 m，柱高60～70 m,橋式吊車最大的為Q=l00 t重級工作制吊車。鋼管混凝土在我國的應用范圍很廣，發展很快。自20世紀80年代后期開始，鋼管混凝土由于本身具有的優點，開拓了兩個新的應用領域：一個是公路和城市橋梁，另一個是高層和超高層建筑。

鋼管混凝土具有下列基本特點：

承載力大大提高。試驗和理論分析證明，鋼管混凝土受壓構件的強度承載力可以達到鋼管和混凝土單獨承載力之和的1.7～2.0倍。

具有良好的塑性和抗震性能。在鋼管混凝土構件軸壓試驗中，試件壓縮到原長的2/3，構件表面已褶曲，但仍有一定的承載力，可見塑性非常好。鋼管混凝土構件在壓彎剪循環荷載作用下，水平力P與位移之間的滯回曲線十分飽滿，表明有很好的吸能能力，基本無剛度退化，它的抗震性能大大優于鋼筋混凝土。

經濟效果顯著。和鋼柱相比，可節約鋼材50%，降低造價45%；和鋼筋混凝土柱相比，可節約混凝土約70%，減少自重約70%，節省模板100%，而用鋼量約略相等或略多。

施工簡單，可大大縮短工期。和鋼柱相比，零件少，焊縫短，且柱腳構造簡單，可直接插入混凝土基礎預留的杯口中，免去了復雜的柱腳構造；和鋼筋混凝土柱相比，免除了之模、綁扎鋼筋和拆模等工作；由于自重的減輕，還簡化了運輸和吊裝等工作。

6 外包鋼混凝土結構的概況及優缺點

外包鋼混凝土結構(以下簡稱外包鋼結構)是外部配型鋼的混凝土結構，是在克服裝配式鋼筋混凝土結構某些缺點的基礎上發展起來的，仿效鋼結構的構造方式，是鋼與混凝土組合結構的一種新型式。外包鋼結構由外包型鋼的桿件拼裝而成。桿件中受力主筋由角鋼代替并設置在桿件四角，角鋼的外表面與混凝土表面趨平，或稍突出混凝土表面0.5～1.5 mm。橫向箍筋與角鋼焊接成骨架，為了滿足箍筋的保護層厚度的要求，可將箍筋兩端墩成球狀再與角鋼內側焊接。

外包鋼混凝土結構主要有以下幾點優點：

構造簡單。外包鋼結構取消了鋼筋混凝土結構中的縱向柔性鋼筋以及預埋件，構造簡單，有利于混凝土的搗實,也有利于采用高標號混凝土，減小桿件截面，便于構件規格化、簡化設計和施工。

連接方便。外包鋼結構的特點在于能夠利用它的可焊性，桿件的連接可采用鋼板焊接的干式接頭，管道等的支吊架也可以直接與外包角鋼連接。和裝配式鋼筋混凝土結構相比，可以避免大最鋼筋剖口焊和接頭的二次澆灌混凝土等工作。

使用靈活。外包角鋼和箍筋焊成骨架后，本身就有一定強度和剛度，在施工過程中可用來直接支承模板，承受一定的施工荷載。這樣施工方便，速度快，又節約了材料。

抗剪強度提高。雙面配置角鋼的桿件，極限抗剪強度與鋼筋混凝土結構相比提高22%左右。

延性提高。剪切破壞的外包鋼桿件，具有很好的變形能力，剪切延性系數和條件相同的鋼筋混凝上結構相比要提高一倍以上。

7 鋼骨混凝土結構的概況及優缺點

鋼骨混凝土構件是指鋼骨與外包鋼筋混凝土共同承受荷載的梁、柱、墻構件。實腹式鋼骨混凝土構件具有較好的抗震性能，空腹式鋼骨混凝土構件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構件基本相同。

目前，在抗震結構中多采用實腹式鋼骨混凝土構件。實腹式鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制成或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。結構可自下向上采用不同的結構材料，如混凝土→鋼骨混凝土→鋼，或鋼骨混凝土→混凝土等。即可在不同的抗側力單元中分別采用鋼骨混凝土、鋼或鋼筋混凝土結構，也可在同一抗側力結構中梁、柱(或墻)分別采用不同材料。

由鋼骨混凝土柱和梁可以組成型鋼混凝土框架。框架梁可以采用鋼梁、組合梁或鋼筋混凝土梁。在高層建筑中，型鋼混凝土框架中可以設置鋼筋混凝土剪力墻，在剪力墻中也可以設置型鋼支撐或者型鋼桁架，或在剪力墻中設置薄鋼板，這樣就組成了各種形式的型鋼混凝土剪力墻。型鋼混凝土剪力墻的抗剪能力和延性比鋼筋混凝土剪力墻好，可以在超高層建筑中發揮作用。

在鋼骨混凝土構件中，鋼骨與混凝土能否共同工作是構件設計理論的基礎。試驗表明，當鋼骨翼緣位于截面受壓區，且配置一定數量鋼筋和鋼箍，鋼骨與外包混凝土能較好地共同工作，截面應變分布基本上符合平戴面假定。但試驗也表明，除了要設置足夠箍筋，以約束混凝土，增強其黏結力外，在某些內力傳遞較大的部位如柱腳、構件類型轉換部位等，還要設置栓釘，防止鋼骨與混凝土之間相對滑移。

鋼骨混凝土與鋼筋混凝土框架相比較具有一系列的優點：

鋼骨混凝土的型鋼可不受含鋼率的限制，其承載能力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構件的承載能力一倍以上；可以減小構件的截面，對于高層建筑可以增加使用面積和樓層凈高。如某焦化公司干熄焦的熄焦車軌道基礎梁，見圖2、圖3。

圖2 車軌道基礎梁平面圖

圖3 車軌道基礎梁剖面圖

鋼骨混凝土結構的施工工期比鋼筋混凝土結構的工期大為縮短。鋼骨混凝土中的鋼骨在混凝土澆灌前已形成鋼結構，具有相當大的承載能力，能夠承受構件自重和施工時的活荷載，并可將模板懸掛在鋼骨上，而不必為模板設置支柱，因而減少了支模板的勞動力和材料。鋼骨混凝土多層和高層建筑不必等待混凝土達到一定強度就可繼續施工上層。施工中不需架立臨時支柱，可留出設備安裝的工作面，讓土建和安裝設備的工序實行平行流水作業。

鋼骨混凝土結構的延性比鋼筋混凝土結構明顯提高，尤其是實腹式的構件。因此在大地震中此種結構呈現出優良的抗震性能。日本抗震規范規定，高度超過45 m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結構，而鋼骨混凝土結構則不受此限制。

鋼骨混凝土框架較鋼框架在耐久性、耐火性等方面均勝一籌。

鋼骨混凝土結構的缺點是既要求鋼構件制造及安裝，又要求支模、綁鋼筋、澆筑混凝土，施工工序增加。

我國在20世紀50年代就從前蘇聯引進了勁性鋼筋混凝土結構；20世紀60年代以后，由于片面強調節約鋼材,鋼骨混凝土結構就難于推廣應用；20世紀80年代以后，鋼骨混凝土又一次在我國興起。日本為我國設計的北京國貿中心、香格里拉飯店和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是鋼骨混凝土結構。我國在80年代中期開始興起對鋼骨混凝土結構研究的熱潮。在上海、重慶等城市也建成了這種類型的建筑物，但鋼骨混凝土結構在我國的應用還剛剛開始，其建筑面積還不到建筑總面積的千分之一。