現代鋼-混凝土組合結構的研究與應用

李紅現，劉殿忠

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130033）

1 概述

1）跨入新時代，隨著我國經濟、工業實力不斷增長和科學技術不斷取得新發展、新突破、新成就，原有傳統意義上的4大結構：砌體結構、鋼結構、混凝土結構、木結構已不能滿足現代人對美好生活的需求，鋼-混凝土組合結構及現代科技新材料、新設備、新工藝、新技術的出現，使人們對美好生活的理想更近了一步。經過近幾十年的發展與完善及在實際應用中的經驗總結和提升，現在的鋼-混凝土組合結構儼然已經成為當代第5大結構體系。

2）鋼-混凝土組合結構是把鋼結構和混凝土結構2種不同的結構形式組合在一起。它是隨著近年來高層建筑、超高層建筑、大跨度橋梁領域的發展而出現的一種新型組合結構形式，把鋼結構和混凝土結構共同組合在一起，增加了抗側移剛度和抗剪承載力，鋼結構框架還可以承擔建筑物豎向傳來的荷載，最終傳遞給地基基礎，充分利用了2種材料的互補性。我國用數理統計的方法進行的數10次統計分析表明，若在高層建筑設計施工中采用組合結構，其用鋼量僅為純鋼結構建筑的70%左右，大大減少了用鋼量。在建筑高度100m以上的高層和超高層建筑中綜合考慮施工周期、結構的抗側剛度、抗震性能及結構的其他綜合指標，都優于鋼結構和混凝土結構。

2 組合結構特點

1）型鋼與混凝土組合結構 指在混凝土中配置各種規格的型鋼或配置抗彎、抗剪、抗扭及構造鋼筋的結構。型鋼混凝土結構不僅增加了強度、穩定性、剛度，而且塑性變形能力也有了很大提高，與傳統意義上的鋼結構建筑相比節省了大量鋼材，降低了造價，更為重要的是避免了鋼結構易腐蝕、耐火性差及需要經常進行人工防腐、防火保護等缺點。關鍵是要如何保證梁柱節點與混凝土有足夠的黏結力和密實性，從而提高型鋼與混凝土共同工作時的強度和整體性，這就要求在振搗養護混凝土時采取合理措施來提高混凝土的密實度。型鋼混凝土組合結構除具有鋼結構自身重量輕、強度高、材料均質、密封性好等優點外，還具備混凝土結構良好的耐火性、抗銹蝕能力等優點，而且混凝土可還以保護型鋼免受外界介質侵蝕，提高了結構的使用年限。

2）鋼管混凝土組合結構 指在不同直徑的鋼管內填充或澆筑各種強度等級不同的混凝土而形成的組合結構形式。這種組合結構形式既要滿足鋼管的受力性能，還需滿足鋼管與混凝土在一起能夠保持良好的工作狀態，所以對鋼管和混凝土性能指標的要求更高。常用的截面形狀有圓柱形、正方形、矩形及正多邊形鋼管混凝土結構，這種組合結構同時具備了二者的優點，提高了其整體和局部的穩定性，防止失穩，承載能力比普通鋼結構提升明顯，荷載的傳遞路徑簡單，施工靈活方便，生產和建設周期短。

3）壓型鋼板與混凝土組合板 依靠咬合狀凹凸交錯的肋板及不同的槽紋之間產生的黏結力、摩擦力與擠壓力和混凝土組合共同工作。壓型鋼板的凹槽肋部可以放置各種水電管線，減小了所占用的空間，優化了結構與管道的融合，提高了使用效率，使建筑物的層高得以適當加大，建筑物高度得以減小，給建筑的靈活設計創造了條件。在施工階段，由于鋼板可以作為鋼梁自身的連續側向支撐，增加了鋼梁的抗側移剛度、穩定性、承載力，減小了撓度、轉角和柔度，簡化了施工工藝流程并縮短了施工時間，減少了勞動力，降低了造價。這樣就減少了施工中安裝和拆除等施工工序，縮短了建設周期和勞動力，降低了人力、物力、財力等。壓型鋼板安裝好后，可以為下一道施工工序的開展提供有利條件，增加了工人施工作業的作業面，更好地滿足與上、下施工工序的連續和協同性要求。由于無需再進行臨時支撐構件的搭設，不會對下一層施工作業面的施工作業產生影響，使建筑和結構的設計更加靈活，提高了組合結構的整體性。

4）鋼混組合梁 指在鋼梁上部澆筑混凝土，將鋼梁與混凝土翼緣板通過抗剪結構構件相連在一起共同工作的組合梁。一方面充分發揮鋼結構塑性和韌性好的特點，另一方面也充分發揮了混凝土抗壓的優點。組合梁設計時既要考慮鋼梁與混凝土相互作用時接觸面的抗剪強度要求，又要充分考慮鋼梁在各種情況下從正常設計、施工到正常使用及后期維護階段的各種承載力和變形位移指標在正常范圍之內。組合梁在進行現場實際施工時，鋼梁可作為模板的連續側向約束支撐構件，在施工階段節省了材料，降低了施工成本并增加了預制環節，有利于施工工序的連續性進行。

5）組合桁架 指在鋼桁架上弦桿部分焊接柔性的鋼筋或栓釘的連接件，然后澆筑鋼筋混凝土板而形成。改革開放以來，受西方和日本等國家關于新型建筑結構形式的影響，在屋蓋結構中相交節點將鋼結構構件和鋼筋混凝土構件組裝拼接而形成組合桁架結構，目的是為了在節點處保持良好的受力與變形性能。通常組合桁架跨度宜≥12m，但最好≤24m，一般工程實際項目具體所需跨度需要通過計算來綜合確定。

6）外包鋼混凝土結構 指在混凝土構配件外部放置鋼板或者其他各種形式的鋼構件所形成的結構。由于不需要設置預埋件簡化了施工工藝和順序，一般應用在跨度較大的工業廠房內，以此來固定各類水電管線，也可用于一般建筑物的維護加固和后期改造返修工作。

3 工程技術應用概括與實例

1）應用概括 鋼-混凝土組合結構適用于建筑物高度大于100m的高層建筑與超高層建筑、橫向跨越超過30m的大跨度橋梁。型鋼混凝土還適合于尺寸特別大的梁、柱等；鋼混組合梁適用于結構跨度較大而高跨比受到限制的樓蓋結構；鋼管混凝土組合結構因其抗壓能力較強的特點，主要適用于高層、超高層建筑的柱或承受較大豎向荷載的柱；特殊的組合桁架、外包鋼混凝土結構還適用于跨度較大的大、中型工業廠房。

2）工程實例 港珠澳大橋基礎工程采用沉管灌注樁基礎，是在一個大鋼管里澆筑具有高強度、耐海水氯鹽和各種微生物腐蝕性能的超強混凝土，屬于鋼-混凝土組合結構，大橋主體工程全長約29.6km；海底隧道長約6.7km，采用沉管隧道技術，主體工程和海底隧道部分分別采用大量的鋼和混凝土2種材料；人工島的島體承重結構采用直徑較大的鋼圓筒和毛石斜坡堤組合結構。就其土建部分的路基路面而言，就是把鋼板與混凝土板組合形成一個整體，從而共同承受荷載。港珠澳大橋的用鋼量非常大，相當于幾十個埃菲爾鐵塔的用鋼量，所以港珠澳大橋又稱為鋼橋。

4 國內外發展前景

1）在國外，鋼-混凝土組合結構大量應用始于第二次世界大戰結束后。由于戰爭造成各種房屋大量破壞，為加快建設速度，人們發明了最初的組合結構。1970年以后，歐美、日本等世界發達國家根據本國理論試驗與實際應用研究成果，制定了與本國國情相適應的設計與施工技術規范。在此后的幾十年里，鋼-混凝土組合結構在歐美日等國家迅速發展，特別是在高層、超高層建筑和大跨度跨河或跨海大橋中的應用非常廣泛。

2）我國建國初期的工業基礎薄弱，生產力相對落后，對鋼-混凝土組合結構的技術研究和應用較晚，改革開放后尤其是近10年來，鋼-混凝土組合結構在我國發展迅速，快速進入大跨度橋梁和高層與超高層建筑領域，我國對現有的規范還在不斷改進和趨于完善。鋼-混凝土組合結構由于受力合理、材料利用較充分、建筑垃圾回收率（重復利用率）較高、穩定性好、抗風性、抗震性好、施工方便且速度快、自重較輕等特點，將在大跨度橋梁結構、高層與超高層建筑及對抗震有特殊要求的建筑物或構筑物中被廣泛應用，在未來的建筑市場擁有巨大的發展空間。

5 結語

進入新時代，現代科學技術的不斷發展與進步將進一步推動對未來新型組合結構形式的發展研究。作為一名研究鋼-混凝土組合結構的學者，筆者深深地感受到組合結構將會在未來朝著更加經濟合理化、資源節約化、人工智能化方向發展，將在服務于住房與城市及基礎設施建設方面發揮巨大作用。此外，由于組合結構自身可回收再用率較高的特點，與住建部所倡導的促進建筑資源全面節約與提高可重復利用性相一致，在未來的建筑業市場發展中所占的比重會越來越高。