組合結(jié)構(gòu)概論

1、淺析組合結(jié)構(gòu)及發(fā)展展望摘要：本文對組合結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史的回顧以及當前研究的現(xiàn)狀進行了綜述，簡單介紹新型組合結(jié)構(gòu)的類型和優(yōu)越性。展望廣義組合結(jié)構(gòu)的形式和發(fā)展方向以及面臨的一些問題。關(guān)鍵詞：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu) 廣義組合結(jié)構(gòu) 新材料 The development and analysis of composite structuresAbstract: A review and prospect of the development of composite structures are provided in this paper, and introduces some new types and

2、 superiority of composite structures briefly. It also puts forward the development trend of the generalized composite structures and some problems that should be solved.Key words: steel-concrete composite structures; generalized composite structures; new material0引言隨著建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的應用,成為與傳

3、統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)相并列的新結(jié)構(gòu)類型. 這種組合結(jié)構(gòu)體系，主要有壓型鋼板組合板、組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土和外包鋼混凝土等五種類型。由于組合結(jié)構(gòu)節(jié)約材料，充分發(fā)揮材料的長處，揚長避短，良好的彈塑性等優(yōu)點，并且具有優(yōu)良的抗震效果,得到了迅速推廣與應用,許多國家制定了相應的技術(shù)標準。但我國對組合結(jié)構(gòu)的研究和應用起步較晚,還沒制定一部完整的鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)程,限制了其推廣與應用，但近年來的應用實踐表明,該類結(jié)構(gòu)具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益,將成為結(jié)構(gòu)體系的重要發(fā)展方向之一。 1、組合結(jié)構(gòu)的概念 組合結(jié)構(gòu)的雛形最早于1894 年出現(xiàn)于北美，當時出于防火的需要，匹茲堡的一棟

4、建筑采用了外包混凝土的鋼梁，但并未考慮混凝土與鋼的共同受力 .具有現(xiàn)代意義的鋼-混凝土組合梁出現(xiàn)于20世紀20年代，到了50年代已基本形成獨立的學科體系。組合是至少應使用兩種或兩種以上的材料,不包括單獨發(fā)揮作用，材料之間必須能以某種形式傳遞荷載或作用。就材料而言,組合的目的是希望得到單一材料不具有的力學性能和改善單一材料組成構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的綜合性能。狹義的組合結(jié)構(gòu)僅包括由鋼和混凝土兩種材料組成的組合柱、組合梁、 組合板等。隨著社會的發(fā)展, 對結(jié)構(gòu)物使用功能的要求越來越高,傳統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足不斷增長的功能要求。清華大學聶建國提出了廣義的組合結(jié)構(gòu)的概念。廣義的組合結(jié)構(gòu)應用更為廣泛，除了傳統(tǒng)

5、的鋼-混凝土，各種新材料的出現(xiàn)為廣義組合結(jié)構(gòu)提供了客觀條件。例如FRB（Fiber Reinforced Polymer），纖維增強復合塑料，具有高強、低密度和很強的抗腐蝕能力等一系列優(yōu)點適應現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求, 正被越來越廣泛地應用于橋梁工程、各類民用建筑、海洋工程、地下工程中, 受到結(jié)構(gòu)工程界廣泛關(guān)注。但無論是從材料的組合效果還是經(jīng)濟性、實用性來說，目前鋼和混凝土的組合仍然是主流，是國家建設的支柱。2.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)這門學科起源于本世紀初期。于本世紀二十年代進行了一些基礎(chǔ)性的研究。到了五十年代已基本形成獨立的學科體系。至今組合結(jié)構(gòu)在

6、基礎(chǔ)理論，應用技術(shù)等方面都有很大的發(fā)展。鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑、橋梁工程等許多土木工程中得到廣泛的應用，并取得了較好的經(jīng)濟效益。在國外，鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)最初大量應用于土木工程旨在二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，當時的歐洲急需恢復戰(zhàn)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(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)修建的房屋，其抗震性能良好，于是鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在日本的高層與超高層中得到迅速發(fā)展。60年代以后世界上許多國家（包括英、美、日、蘇、法、德）根據(jù)本國的試驗研究成果及施工技術(shù)條件制定了相應的設計與施工技術(shù)規(guī)范。

7、1971年成立了由歐洲國際混凝土委員會（CES）、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（ECCS）、國際預應力聯(lián)合會（FIP）和國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）組成的組合結(jié)構(gòu)委員會，多次組織了國際性的組合結(jié)構(gòu)學術(shù)討論會，并于1981年正式頒布了組合結(jié)構(gòu)規(guī)范。在國內(nèi)，1988年我國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 GBJ17-88 首次列入了“鋼與混凝土組合梁”的內(nèi)容，標志著組合結(jié)構(gòu)受到了廣泛的重視.隨著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)程、鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)程和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程等一系列規(guī)程的頒布，標志著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)理論、應用技術(shù)等方面都有很大的發(fā)展，在高層建筑、橋梁工程等許多土木工

8、程中得到廣泛的應用，并取得了較好的經(jīng)濟效益。3.鋼-混凝土組合構(gòu)件類型 目前實際工程中應用最為廣泛，研究最為成熟的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，包括鋼-混凝土組合樓板、鋼-混凝土組合柱、鋼-混凝土組合梁和鋼-混凝土組合剪力墻等。鋼-混凝土組合樓蓋的標準構(gòu)造做法是采用高強、輕規(guī)格的帶有各種形式的凹凸肋與各種形式槽紋的壓型鋼板樓蓋,上面澆筑混凝土面層。壓型鋼板常見的壓型形式可以歸納為三類: 閉口形槽口的壓型鋼板; 開口形槽口壓型鋼板,在其腹板翼緣上軋制凹凸槽紋作為剪力連接件; 開口形槽口壓型鋼板,同時在它的翼緣上另焊附加鋼筋。它利用混凝土抗壓強度高、壓型鋼板受拉性能好的特點,使得材料合理受力,發(fā)揮各 自

9、的優(yōu)點。另外 ,壓型鋼板在施工時可作為澆筑混凝土的模板及施工平臺,加快了施工進度。 鋼-混凝土組合柱包括型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱兩大類。型鋼混凝土( SRC) 結(jié)構(gòu)是把型鋼( S) 置入鋼筋混凝土( RC)中,使型鋼、鋼筋(縱筋和箍筋)、混凝土三種材料協(xié)同工作以抵抗各種外部作用的一種結(jié)構(gòu)。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比, 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有更好的局部和整體穩(wěn)定性, 更大的剛度和強度，節(jié)約鋼材，防腐蝕和防火性能好。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,這種結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大,具有良好的變形能力和延性, 抗震性能優(yōu)越;尤其在大跨度、超高層、重荷載的土木工程結(jié)構(gòu)中,較單獨采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有更好的適用性減小構(gòu)件截面、增大使用

10、空間、減小構(gòu)件撓度、節(jié)省模板和支撐等型。鋼管混凝土是將普通混凝土填入薄壁圓型鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土可借助于內(nèi)填混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性;借助鋼管對核心混凝土的套箍(約束)作用,而使混凝土處于三向受壓狀態(tài)從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和抗變形能力。它與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱相比,具有以下幾個優(yōu)點: 重量輕、塑性好、強度高、抗震性能好;鋼管作為勁性承重骨架,省去了通常的混凝土支模、 拆模和支撐工作量,省工、省時; 鋼管簡便,操作性強,宜于保證質(zhì)量; 鋼管混凝土在提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能的同時,有效地減小了結(jié)構(gòu)尺寸,增加了使用面積。鋼管混凝土由于能夠同時提高鋼材和混凝土兩種材料的性能而成為當

11、前研究和應用的熱點。壓型鋼板混凝土組合樓蓋、鋼板混凝土組合剪力墻、鋼-混凝土組合桁架、離心鋼管混凝土等也根據(jù)不同的組合概念和組合方式,在剛度、強度、延性和穩(wěn)定性等方面發(fā)揮各自材料的優(yōu)勢, 并得到了不斷發(fā)展。4.新型材料的應用與發(fā)展進入21世紀，隨著科技的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量力學性能優(yōu)良的材料。新型組合構(gòu)件的研發(fā)應包括新材料的應用和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新。研發(fā)工作應側(cè)重于不同材料之間的相互作用機理,并對組合結(jié)構(gòu)在復合受力狀態(tài)以及高溫、疲勞等作用下的性能進行試驗研究。組合結(jié)構(gòu)不在限于鋼與混凝土。寧波與東北林業(yè)大學科研人員一直致力于各種鋼-竹組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能研究，先后進行了壓型鋼板-竹膠板組合墻抗震性

12、能試驗研究、薄壁型鋼-竹膠板組合樓板的力學性能試驗研究、冷彎薄壁型鋼-竹膠板組合梁的受彎性能試驗研究試驗來證明了鋼-竹結(jié)構(gòu)體系的可行性和獨特的優(yōu)越性。與鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)相比，鋼-竹組合結(jié)構(gòu)體系能節(jié)約很多鋼材，減少粘土磚的用量，而且造價低廉，施工快捷方便，是中國廣大農(nóng)村居住用房的理想選擇。用竹子來代替鋼材，綠色環(huán)保，符合節(jié)約型社會發(fā)展的需要。FRP（Fiber Reinforced Polymer），纖維增強復合塑料，F(xiàn)RP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合, 經(jīng)過特別的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型材料。由于所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱。質(zhì)輕而

13、硬，不導電，機械強度高，F(xiàn)RP的抗拉強度可達鋼材的10倍以上，而密度僅為剛才的1/4，并具有很強的耐腐蝕性能。在結(jié)構(gòu)加固和結(jié)構(gòu)新建等領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景。但復合材料也存在剪切強度、 剛度和層間強度低以及易老化等缺點。因此, 無論從提高性能上考慮還是從降低造價的目的出發(fā),在設計復合材料結(jié)構(gòu)時應將其與鋼材、混凝土等其他材料通過不同方式進行組合, 發(fā)揮各自的優(yōu)勢,以設計出綜合性能更高、 價格更低廉的結(jié)構(gòu)。采用FRP 材料的組合結(jié)構(gòu)的形式可以包括FRP管混凝土柱、FRP-混凝土組合梁以及FRP-混凝土組合橋面板等。這些組合構(gòu)件將在抗腐蝕性能、抗震性能和減輕自重等方面具有很大優(yōu)勢。此外,將玻璃、輕質(zhì)合金、木材等與混凝土和鋼材等進行組合,也是值得發(fā)展的方向。5.結(jié)語 本文綜述了組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及應用，廣義組合結(jié)構(gòu)以及未來新型材料在組合結(jié)構(gòu)中的發(fā)展。新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)已顯示出強勁的生命力，尤其是以后未來世界人口密集，超級城市誕生，超高層會成為主流，組合結(jié)構(gòu)會愈加凸顯其優(yōu)越性。但它所涵蓋的內(nèi)容廣泛而復雜，相關(guān)的設計理論和方法