組合結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

1、組合結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用摘要：組合結(jié)構(gòu)將不同的材料或構(gòu)件組合在一起共同工作，在設(shè)計時將各組成材料和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能進行整體考慮，以最有效地發(fā)揮各種材料和構(gòu)件的優(yōu)勢。本文對組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和當前的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了綜述。簡單介紹了組合梁、組合柱、組合板以及組合節(jié)點，此外還指出了組合結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu) 建筑工程 應(yīng)用Abstract：In design，the structural property of each material and member should be considered as unity，and the combined structure

2、will generate advantages from each component for strength，stiffness，ductility，durability，corrosionresistance and overall costs. A review and prospect of the development of composite structures are provided in this paperComposite beams, composite column and composite slab are introduced, as well as t

3、he composite nodes, and also points out the application of the combination structure in the engineering structure reinforcement application.Keywords：composite structures；engineering structure；application0 引言根據(jù)使用材料的不同，結(jié)構(gòu)工程師習(xí)慣于把結(jié)構(gòu)體系分為砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由鋼筋和混凝土兩種材料組成，從廣義上講也屬于組合結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)

4、工程的不斷發(fā)展，鋼筋混凝土已經(jīng)成為當今應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，并發(fā)展成為一門獨立的結(jié)構(gòu)學(xué)科。目前僅將含有鋼-混凝土組合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)稱為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。通常將composite structure翻譯為組合結(jié)構(gòu)，而把hybrid structure翻譯為混合結(jié)構(gòu)。前者指兩種或多種材料組合在一起而形成的結(jié)構(gòu)形式，后者則指兩種或多種結(jié)構(gòu)體系組合在一起的結(jié)構(gòu)形式。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。本文提出的組合結(jié)構(gòu)是指將不同材料或構(gòu)件組合在一起的結(jié)構(gòu)形式，同時在設(shè)

5、計時應(yīng)將不同材料和構(gòu)件的性能納入整體進行考慮，以最有效地發(fā)揮各種材料和構(gòu)件的優(yōu)勢，從而獲得更好的結(jié)構(gòu)性能和綜合效益。11 組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀組合結(jié)構(gòu)的雛形最早于1894年出現(xiàn)于美國，當時出于防火的需要在鋼梁外面包混凝土，但并未考慮混凝土與鋼的共同受力2。具有現(xiàn)代意義的鋼一混凝土組合梁出現(xiàn)于20世紀20年代，并在30年代中期出現(xiàn)了鋼梁和混凝土翼板之間的多種抗剪連接構(gòu)造方法。1908年美國首先對外包混凝土的鋼柱進行了試驗，此后的一系列研究證明混凝土的存在可以提高柱的承載力。60年代后當鋼管結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用后不久，又出現(xiàn)了在鋼管內(nèi)填充混凝土的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。由于兩種材料之間的相互約束作用，鋼管

6、混凝土的性能比外包混凝土柱顯著增強。早期的組合結(jié)構(gòu)主要采用鋼材與混凝土兩種材料，將鋼梁、混凝土板、鋼管、鋼骨等不同構(gòu)件單元組合在一起共同工作。隨著壓型鋼板、玻璃、FRP等新型材料以及高強度合金、高性能混凝土的開發(fā)應(yīng)用，近年來組合結(jié)構(gòu)的類型也在不斷擴大。組合結(jié)構(gòu)將多種材料或構(gòu)件通過某種方式組合在一起共同工作，組合后的整體工作性能要明顯優(yōu)于各自性能的簡單疊加。經(jīng)過幾十年的研究及工程實踐，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，又與之密切相關(guān)和交叉的結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域。隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，對各種能夠滿足超高、大跨以及其他特殊

7、要求的結(jié)構(gòu)形式提出了越來越高的要求。同時，新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，也為結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新與發(fā)展創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)代廣義組合結(jié)構(gòu)應(yīng)進一步開發(fā)對高性能材料的有效利用，并使結(jié)構(gòu)形式和體系更加合理化和多樣化。深入理解廣義組合結(jié)構(gòu)的特性和原理，可以開發(fā)出更高性能的組合結(jié)構(gòu)形式并建立新的設(shè)計概念，使組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計趨于更合理、更可靠、更經(jīng)濟、更耐久。2 鋼-混凝土組合構(gòu)件鋼-混凝土組合構(gòu)件是目前應(yīng)用最廣泛、研究最成熟的組合結(jié)構(gòu)形式，包括鋼-混凝土組合柱、鋼-混凝土組合梁、鋼-混凝土組合樓板等。2.1鋼-混凝土組合柱組合柱包括鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱兩類。這兩類組合柱所利用的組合概念有所不同，其主要截面形式如圖1所示

8、。鋼骨混凝土柱主要利用混凝土對鋼柱的支持3,4，而鋼管混凝土則同時利用了鋼管對混凝土的橫向約束作用提高了后者的強度和延性5,6。鋼管混凝土由于能夠同時提高鋼材和混凝土的性能并方便施工而成為研究和應(yīng)用的熱點。鋼管混凝土與泵送混凝土、逆作法、頂管法施工技術(shù)相結(jié)合，在我國超高層建筑以及橋梁建設(shè)中已取得了相當多的成果。與鋼管混凝土柱(CFT)的原理不同，國外學(xué)者還提出了僅利用鋼管對混凝土橫向約束作用的套管混凝土柱(tubed column)以提高短柱的延性，這也是對組合概念的靈活運用7。圖1 組合柱的截面形式2.2鋼-混凝土組合梁組合梁是重要的橫向承重構(gòu)件，通過抗剪連接件把樓板或橋面板與鋼梁連成整體共

9、同工作，充分利用了鋼材的抗拉強度和混凝土的抗壓強度，并提高了鋼梁的穩(wěn)定性。采用不同的結(jié)構(gòu)材料并通過不同的組合方式，可以形成多種多樣的組合梁。早期的組合梁將鋼梁包裹在混凝土內(nèi)(鋼骨混凝土梁)，自重較大，施工復(fù)雜，并存在裂縫問題。將鋼梁與混凝土翼板組合在一起的組合梁(圖2a)，減輕了自重，并避免了混凝土開裂等問題。采用預(yù)制鋼筋混凝土板與鋼梁的組合梁(圖2b)，則較現(xiàn)澆翼板的組合梁能加快施工進度，減少混凝土收縮等不利因素的影響，但組合程度有限，且容易縱向開裂。采用疊合板混凝土作為翼板的組合梁(圖2e)，在保留預(yù)制板組合梁優(yōu)點的基礎(chǔ)上，進一步保證了施工質(zhì)量，降低了施工難度，且能充分保證鋼梁與混凝土疊合

10、板之間的組合作用。此外，將木材或FlIP等材料與混凝土組合亦可形成新型組合梁(圖2e、2f)；而將壓型鋼板、波紋鋼板、鋼管混凝土等材料與混凝土組合(圖2d、29、2h、2i)，則可以在提高施工性能、減少預(yù)應(yīng)力損失、減小結(jié)構(gòu)高度等方面獲得優(yōu)勢。在組合梁中，抗剪連接件是保證鋼和混凝土共同工作的關(guān)鍵元件。早期的抗剪連接件形式主要為彎筋及槽鋼，目前則多采用栓釘。(a)鋼一現(xiàn)澆混凝土組合梁(b)鋼一預(yù)制混凝土板組合梁(c)鋼一混凝土疊合板組合梁(d)鋼一壓型鋼板混凝土組合梁(e)木一混凝土組合梁(f) FRP一混凝土組合梁(g)Slim-floor(h)波紋腹板組合梁(i)鋼管一波紋腹板一混凝土組合粱圖

11、2組合梁的結(jié)構(gòu)形式2.3鋼-混凝土組合板壓型鋼板是將厚度為0.72mm的薄鋼板壓制成帶凹凸肋及各種槽紋的波形板，在壓型鋼板上澆筑混凝土，使其與壓型鋼板組合在一起，整體共同工作，形成組合板。組合板的特點是受壓性能好，剛度大的混凝土主要分布在受壓區(qū)，受拉區(qū)由壓型鋼板承受，使不同性質(zhì)的材料發(fā)揮出其各自的性能，受力合理。同時，由于壓型鋼板的工廠化，減少了模板鋼筋的制作、安裝工作，使得組合板的施工速度快，加快了施工進度，從而得到建設(shè)者的特別青睞。組合板可以用作樓面板、屋面板與工業(yè)廠房中的操作平臺板等， 目前已廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑當中。圖3 壓型鋼板與混凝土的組合連接2.4鋼-混凝土組合節(jié)點組合節(jié)點

12、是指連接兩種類型構(gòu)件的節(jié)點，其內(nèi)力傳遞路徑及可能產(chǎn)生的破壞模式比純鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土節(jié)點更復(fù)雜。組合節(jié)點可以連接不同形式的混凝土梁柱、鋼結(jié)構(gòu)梁柱或組合結(jié)構(gòu)梁柱，框架結(jié)構(gòu)中常見的組合節(jié)點形式如圖3所示。目前在框架設(shè)計時通常將節(jié)點理想化為剛度無窮大的剛性節(jié)點或剛度為零的鉸接節(jié)點。但工程中實際使用的組合節(jié)點多屬于典型的非線性半剛性連接。這種節(jié)點降低了梁單元對柱單元的約束剛度，節(jié)點耗能性能較強，是一種理想的抗震節(jié)點形式。Northridge地震和阪神地震后，國外的研究多集中于節(jié)點在強震作用下的性能和設(shè)計方法，在非地震作用下的研究則主要集中于各種形式的半剛性節(jié)點。國內(nèi)根據(jù)工程建設(shè)的需要，組合節(jié)點設(shè)計和研

13、究的難點及重點則主要集中在鋼管混凝土柱與鋼梁或鋼筋混凝土梁相連的節(jié)點。(a)鋼骨混凝土柱與混凝土梁節(jié)點(b)鋼骨混凝土柱與鋼架節(jié)點(c)鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點(d)混凝土柱與鋼梁節(jié)點圖4 組合節(jié)點的形式3 組合加固技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固，是提高現(xiàn)有建筑物和橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和剛度及耐久性、延長使用壽命的需要。目前常用的加固方法有加大截面加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法、FRP材料粘貼加固法、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法以及外包鋼加固法等。受結(jié)構(gòu)形式或材料特性的影響，這些傳統(tǒng)加固方法均有一定的局限性。例如，粘鋼加固法雖然施工工藝較簡單，可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的承載力，但對梁體表面平整度、清潔度要求較高

14、，而且加固的有效性主要取決于粘結(jié)材料的強度及耐久性，抗疲勞性能也不夠穩(wěn)定；FRP加固對結(jié)構(gòu)剛度的提高 圖7 鋼筋混凝土組合加固梁不明顯，抗剪及連接問題均比較突出，且FRP材料與混凝土之間粘結(jié)面的耐久性和防火性能較差。利用組合結(jié)構(gòu)的原理和方法對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)進行加固是對結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的一種創(chuàng)新與發(fā)展，為結(jié)構(gòu)加固提供了一種新的思路。例如，鋼混凝土組合加固技術(shù)可以通過在原有的混凝土結(jié)構(gòu)表面采取鑿毛、植筋等措施，利用后澆混凝土與抗剪連接件將原混凝土結(jié)構(gòu)與新增加的鋼結(jié)構(gòu)組合在一起共同工作8,9(圖7)。組合加固方法充分利用了新、舊材料的性能，具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性能好、自重增加小、施工快速

15、方便等優(yōu)點，在很多方面能夠克服傳統(tǒng)加固方法的固有缺點10。4結(jié)語隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，對各種能夠滿足超高、大跨及其他特殊要求的結(jié)構(gòu)形式提出了越來越高的要求。同時，新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，也為結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新與發(fā)展創(chuàng)造了條件。經(jīng)過幾十年的研究及工程實踐，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，又與之密切相關(guān)和交叉的一類結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的多個領(lǐng)域，并已成功應(yīng)用于許多超高層建筑及大跨橋梁。本文提出廣義組合結(jié)構(gòu)概念不僅將不同材料或構(gòu)件組合在一起，更重要的是將不同材料和構(gòu)件的性能納入整體進行全面考慮，以最有效地發(fā)揮各種材料和

16、構(gòu)件的優(yōu)勢。開展廣義組合結(jié)構(gòu)的研究，應(yīng)從構(gòu)件層次轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)體系，從對傳統(tǒng)組合構(gòu)件的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到新型組合構(gòu)件(包括鋼和混凝土以外的新材料)的研發(fā)，從建筑、橋梁領(lǐng)域向大跨空間結(jié)構(gòu)、塔桅、隧道、深井、海洋平臺等特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域拓展?？梢韵嘈?，廣義組合結(jié)構(gòu)必將在我國邁向土木工程強國的進程中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻1 聶建國, 樊健生. 廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望J. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2006, 27(6): 1-8.2 Nethercot D AComposite constructionMNew York·Taylor&Francis，2003，3 趙鴻鐵鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)M北京：科學(xué)出版社，20014 葉列平，方鄂華鋼骨混凝土構(gòu)件的受力性能研究綜述J土木工程學(xué)報，2000，33(5)：1125 紹懷我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進展J土木工程學(xué)報，1999，32(4)：16266 善桐高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)M哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，19997 肖巖套管鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展和展望J土木工程學(xué)報，2004，37(4)：8138