現(xiàn)代鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

新時代下鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，對應(yīng)用比較廣泛的幾類鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行技術(shù)研究、應(yīng)用分析概括與說明，為組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景指出了方向和目標(biāo)。

1 概述

1）跨入新時代，隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)、工業(yè)實力不斷的增長積累和科學(xué)技術(shù)的不斷取得新發(fā)展、新突破、新成就，原有的傳統(tǒng)意義上的四大結(jié)構(gòu):砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人們對美好生活的需求，恰逢其時鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)及現(xiàn)代科技新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)使人們對美好生活的理想更近了一步，經(jīng)過近幾十年不斷的發(fā)展與完善，以及在實際應(yīng)用中的經(jīng)驗總結(jié)和提升，現(xiàn)在的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)儼然已經(jīng)成為了當(dāng)代第五大結(jié)構(gòu)體系。

2）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，簡單來講是把鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式組合在一起。它是伴隨著近年來高層建筑、超高層建筑、大跨度橋梁領(lǐng)域而發(fā)展起來的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式，把鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)共同組合在一起增加了抗側(cè)移剛度和抗剪承載力，鋼結(jié)構(gòu)框架還可以承擔(dān)來自建筑物豎向傳來的荷載，最終傳遞給地基基礎(chǔ)，充分利用了兩種材料的互補(bǔ)性。我國用數(shù)理統(tǒng)計的方法的進(jìn)行數(shù)十次統(tǒng)計分析表明，若在高層建筑設(shè)計施工中采用組合結(jié)構(gòu)，則其用鋼量僅為純鋼結(jié)構(gòu)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的周期、結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、抗震性能及結(jié)構(gòu)的其它綜合指標(biāo)，都好于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。

2 組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1）型鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)，就是在混凝土中配置各種規(guī)格的型鋼、或者配置抗彎、抗剪、抗扭及構(gòu)造鋼筋的結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅增加了強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度，而且塑性變形能力也有了很大的提高，與傳統(tǒng)意義上的鋼結(jié)構(gòu)建筑相比節(jié)省了大量鋼材，降低了造價，更為重要的是避免了鋼結(jié)構(gòu)易腐蝕、耐火性差，需要經(jīng)常性的進(jìn)行人工防腐、防火保護(hù)等缺點(diǎn)。關(guān)鍵是要如何保證的梁柱節(jié)點(diǎn)與混凝土的有足夠的粘結(jié)力和密實性，從而提高型鋼與混凝土共同工作時的強(qiáng)度和整體性，這就要求我們在振搗養(yǎng)護(hù)混凝土的時候要采取合理的措施來提高混凝土的密實度。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)不僅具有鋼結(jié)構(gòu)自身重量輕、強(qiáng)度高，材料均質(zhì)密封性好等優(yōu)點(diǎn)外還具備混凝土結(jié)構(gòu)良好的耐火性，抗銹蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，而且混凝土可還以保護(hù)型鋼免受外界介質(zhì)侵蝕，提高了結(jié)構(gòu)的使用期限。

2）鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)就是在不同直徑的鋼管內(nèi)填充或者澆筑各種強(qiáng)度等級不同的混凝土進(jìn)而形成的組合結(jié)構(gòu)形式。這種組合結(jié)構(gòu)形式，既要滿足鋼管的受力性能還得滿足鋼管與混凝土在一起能夠保持良好的工作狀態(tài)，所以對鋼管和混凝土性能指標(biāo)的要求就會更高一些。常用的截面形狀有圓柱形鋼管混凝土、正方形鋼管混凝土和矩形及正多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)同時具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)既提高了其整體和局部的穩(wěn)定性、防止失穩(wěn)，又與普通鋼結(jié)構(gòu)相比承載能力有了明顯提升，荷載的傳遞路徑簡單、施工靈活方便，生產(chǎn)和建設(shè)周期短。

3）壓型鋼板與混凝土組合板是依靠咬合狀凹凸交錯的肋板及不同的槽紋之間產(chǎn)生的粘結(jié)力、摩擦力與擠壓力和混凝土組合在一起共同工作。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(yōu)化了結(jié)構(gòu)與管道的融合提高了使用的效率，使建筑物的層高得以適當(dāng)加大、建筑物高度得以減小，給建筑的靈活設(shè)計創(chuàng)造了條件。在施工階段，由于鋼板可以作為鋼梁自身的連續(xù)側(cè)向支撐，增加了鋼梁的抗側(cè)移剛度、穩(wěn)定性、承載力并減小了撓度、轉(zhuǎn)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，從而縮短了建設(shè)周期和勞動力，降低了人力、物力、財力等。壓型鋼板安裝好以后可以為下一道施工工序的開展提供有利的條件，增加了工人施工作業(yè)的作業(yè)面，而且更好的滿足與上、下施工工序的連續(xù)和協(xié)同性要求。由于無需再進(jìn)行臨時支撐構(gòu)件的搭設(shè)，不會對下一層施工作業(yè)面的施工作業(yè)產(chǎn)生影響，使建筑和結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加靈活，提高了組合結(jié)構(gòu)的整體性。

4）鋼混組合梁是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(jié)構(gòu)構(gòu)件相連在一起共同工作的組合梁，一方面充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)塑性和韌性好的特點(diǎn)也充分發(fā)揮了混凝土抗壓的優(yōu)點(diǎn)。組合梁設(shè)計時既要考慮鋼梁與混凝土相互作用時接觸面的抗剪強(qiáng)度要求，又要充分考慮到鋼梁在各種情況下從正常設(shè)計、施工到正常使用及后期維護(hù)階段的各種承載力和變形位移指標(biāo)在正常容許范圍之內(nèi)。組合梁在進(jìn)行現(xiàn)場實際施工時，鋼梁可作為模板的連續(xù)側(cè)向約束支撐構(gòu)件，在施工階段節(jié)省了材料，降低了施工成本。增加了預(yù)制環(huán)節(jié)，有利于施工工序的連續(xù)性進(jìn)行。

5）組合桁架就是在鋼桁架上弦桿部分焊接柔性的鋼筋或栓釘?shù)倪B接件，然后澆筑鋼筋混凝土板而形成的。改革開放以來由于受到西方和日本等國家關(guān)于新型建筑結(jié)構(gòu)形式的影響在屋蓋結(jié)構(gòu)中，把相交的節(jié)點(diǎn)將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件組裝拼接而成形成組合桁架結(jié)構(gòu)，目的是為了在節(jié)點(diǎn)處保持良好的受力與變形性能。通常組合桁架適宜的跨度為≥12m,但最好也不要超過24m，一般工程實際項目具體所需的跨度需要通過具體的計算來綜合確定。

6）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是指在混凝土構(gòu)配件外部放置鋼板或者其它各種形式的鋼構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu)。由于不需要設(shè)置預(yù)埋件簡化了施工工藝和順序，一般應(yīng)用在跨度比較大的工業(yè)廠房內(nèi)以此來固定各類水電管線，也可以用于一般建筑物的維護(hù)加固和后期改造返修工作。

3 工程技術(shù)應(yīng)用概括與實例

1)應(yīng)用概括 總體上來說鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)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。除此之外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(jié)構(gòu)跨度較大而高跨比受到限制的樓蓋結(jié)構(gòu)；鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)因為其抗壓能力比較強(qiáng)的特點(diǎn)，主要適用于高層、超高層建筑的柱或者對承受較大豎向荷載的柱；特殊的，組合桁架、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)還適用于跨度比較大的大中型工業(yè)廠房。

2）工程實例 港珠澳大橋，其中港珠澳大橋基礎(chǔ)工程采用沉管灌注樁基礎(chǔ)就是在一個大鋼管里面澆筑具有高強(qiáng)度、耐海水氯鹽和各種微生物腐蝕性能的超強(qiáng)混凝土，屬于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，大橋主體工程全長約29.6km，其中海底隧道長約6.7km，采用沉管隧道技術(shù)，主體工程部分和海底隧道部分分別用了大量的鋼和混凝土兩種材料，其中人工島，島體承重結(jié)構(gòu)采用直徑比較大的鋼圓筒和毛石斜坡堤組合結(jié)構(gòu)。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，綜合以上介紹可知港珠澳大橋的用鋼量非常大，相當(dāng)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(nèi)外發(fā)展前景

1）在國外，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)最初大量應(yīng)用于是始于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于戰(zhàn)爭造成的各種房屋的大量破壞，為了加快建設(shè)的速度人們發(fā)明了最初的組合結(jié)構(gòu)。從1970年以后世界上許多國家，像歐美、日本等發(fā)達(dá)國家積極的根據(jù)本國的理論試驗與實際應(yīng)用研究成果制定了與本國國情相適應(yīng)的設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范，從此鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在此后的幾十年里在歐美日等國家迅速發(fā)展，特別是在高層、超高層建筑和大跨度跨河或者跨海大橋中，應(yīng)用的非常廣泛。

　　2）由于建國初期我國的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱再加上生產(chǎn)力相對落后，所以我國對鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究和應(yīng)用開始的比較晚，但是在改革開放以后尤其是最近十年以來鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展十分迅速，并以飛快的發(fā)展速度進(jìn)入大跨度橋梁和高層與超高層建筑領(lǐng)域，而且我國對現(xiàn)有的規(guī)范還在不斷進(jìn)行改進(jìn)和趨于完善。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)由于受力合理、材料利用比較充分且建筑垃圾回收率（重復(fù)利用率）比較高、穩(wěn)定性好、抗風(fēng)性、抗震性能好、施工方便且速度快，自重比較輕等特點(diǎn)。將會在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，高層與超高層建筑，以及對抗震有特殊要求的建筑物或者構(gòu)筑物中被廣泛的應(yīng)用，在未來的建筑業(yè)市場擁有巨大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語

進(jìn)入新時代，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，會進(jìn)一步推動對于未來新型組合結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展研究。作為一名研究鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的學(xué)者來說我深深地感受到組合結(jié)構(gòu)將會在未來朝著更加經(jīng)濟(jì)合理化、資源節(jié)約化、人工智能化方向的目標(biāo)發(fā)展，將在服務(wù)于住房與城市及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮巨大的作用。此外，再加上由于組合結(jié)構(gòu)自身可回收再用率比較高的特點(diǎn)，與國家住建部所倡導(dǎo)的促進(jìn)建筑資源全面節(jié)約與提高可重復(fù)利用性相一致，在未來的建筑業(yè)市場發(fā)展中所占的比重會越來越高。

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