钢混凝土组合结构的特点和应用

【摘要】随着人们对土木施工质量有了越来越高的要求，钢-混凝土的应用也越来越广泛。新型钢-混凝土组合结构也是目前重要的研究方向，为了扩大钢-混凝土组合结构的应用前景，必须对其特点足够了解。本文介绍了钢-混凝土组合结构的主要特点，并讨论其具体应用和前景。

【关键词】钢-混凝土；组合结构；特点；应用

1 引言

钢-混凝土是近年来运用十分广泛的新型结构，它是由钢材和混凝土按照一定方式结合而成的，这种组合结构能够有效地发挥两种不同材料各自的优势，并规避了各自的不足，在建筑、桥梁等施工领域中取得了良好的应用效果，并逐渐成为公认的第五大结构。钢-混凝土在取得了巨大成功的当今，仍旧有十分广阔的发展空间和应用前景，可以实现更加优秀的经济效益。

2 钢-混凝土组合结构的特点及应用

在分析钢-混凝土组合结构是结合刚和混凝土两类截然不同材料的力学特点而形成的一种新型结构，结构性能更加完善。钢-混凝土不仅拥有更小的自重，而且稳定性和耐久性也得到了保证。这样就使得钢-混凝土组合结构可以抵抗地震的影响，空间利用效率更高，造价得以控制，施工周期更短。钢-混凝土在我国最初运用于桥梁建设，由于经济性极高，组合结构迅速得到了推广，并诞生了许多新型的组合结构，直到目前组合结构的创新仍未停止。总而言之，钢-混凝土组合结构经历了4个重要阶段：创始阶段、发展阶段、70年代和80年代后期。其中70年代组合结构的应用已经得到广泛的认可，并且欧洲钢结构协会制定了相应规范，明确了未来发展方向。80年代后期则对疲劳性能、非线性性能等具体的参数进行分析。钢-混凝土组合结构主要有以下几种类型。

2.1 压型刚板

压型刚被是施工中常用的施工平台，对于提高施工效率有重要意义。压型钢板能够突出混凝土较高的抗压能力和抗拉能力，材料受力均匀合理。

2.2 组合梁

组合梁是在钢梁上方放置钢筋混凝土板，并将二者用剪切连接件固定为一体，混凝土板和钢梁一同作用而组成组合梁。钢-混凝土组合梁的特点是混凝土布置与主要受压区，钢梁则布置在主要受拉区，这样以来很好地发挥了混凝土的抗压能力和钢材的抗拉性能，使组合梁表现出优秀的强度特点。除此之外，混凝土是梁翼缘的重要组成，所以钢梁结构在混凝土的保护下失稳现象明显减少，稳定性大幅提升。钢-混凝土组合梁相比非组合梁性能得到很大的提升，相同情况下截面大小和高度也更加适用于工程，有利于节省开支，经济性更强。

2.3 钢骨混凝土构件（SRC）

钢骨混凝土构件是首先将混凝土和型钢按照一定比例配置在一起，然后加入钢筋和骨筋制成的组合结构。按上述方法得到的型钢又通常分成实腹式和格构式两种基本形式。实腹式的特点是刚度、强度和延性都有较高的水平，明显好于格构式，而且梁节点之间连接简单明了，便于施工，但是格构式对钢材的需求小，在某些较小的结构中表现出更强的适应性。钢骨混凝土构件有良好的抗震性能，能够有效吸收地震作用传递的能量。日本某地曾对一次大型地震对建筑物的破坏情况进行了统计，当地灾后受损建筑物达1215幢，而利用钢骨混凝土构件组合结构的建筑物仅有27幢有受损情况，而且其中实腹式SRC无一例倒塌。这一数据足以表明钢骨混凝土构件组合结构是重要的抗震结构。

2.4 钢管混凝土结构

钢管混凝土是把混凝土装入壁厚较小的圆形钢管内形成的组合结构。钢管混凝土的特点是内部混凝土大大增加外壁钢管的稳定性，相反，在钢管的约束作用下，混凝土始终处于受压状态，因此表现出很高的抗压、抗变形水平。钢管混凝土也经常用于抗震设计，能够有效控制结构尺寸，使用面积能够充分利用。钢管混凝土相比以往钢筋柱能够降低50%自重，抗震延性十分优异。钢管还具备很好的抗火能力和耐久性。

2.5 组合蜂窝梁

组合蜂窝梁由于结构镂空，自重很小，而且各部件之间受力均匀，力学性能良好。相比原型钢梁截面高度更高，可以承受更大的抗弯刚度，从而节省原材料。在组合蜂窝梁腹板处可以添加劲肋，使稳定性大大提升。组合蜂窝梁的生产过程自动化程度高，可以实现高效的拼装，而且施工方便，对于缩短施工周期有重要作用。除此之外，组合蜂窝梁结构十分美观，镂空的结构使布线更加方便，在城市立交桥等施工环境下表现出良好的施工特性和使用特性。随着有限元技术的发展，宽高比、径高比等系数可以通过精确的计算进行控制，组合蜂窝梁开孔腹板将表现出更优秀的抗剪能力。

3 钢-混凝土组合结构的不足与展望

钢-混凝土组合结构早在上世纪60年代就在西方发达国家得到了广泛的应用，许多大型桥梁都离不开钢-混凝土组合结构，我国钢-混凝土组合结构的应用也不算太晚，1957年武汉长江大桥的修建就已经使用了钢-混凝土组合结构，随着国家经济的发展，新的组合结构得到越来越多工程建设的青睐。由于日本地理条件的特殊性，钢-混凝土组合结构很早就运用于建筑建设，基本上低于45米的建筑90%均采用了型钢混凝土结构。由于我国钢材产量的限制，只有在超高层建筑中使用实腹钢型钢混凝土。

钢-混凝土组合结构的运用和目前国家可持续发展战略思想是一致的，不仅可以实现更高的经济效益，更可以实现很高的社会效益。中空钢管等新型结构也逐渐投入使用，钢-混凝土组合结构很好地满足了工程结构向轻量、大跨度方向转变的要求。但是在多年的工程实践中，也暴露出这种新型结构的不足。例如压型钢板组合板如果不能确保焊接质量，将会影响连接的稳定性，对施工造成隐患；组合梁耐火性能很差；钢管混凝土节点连接方式的设计很难实现等。但是随着相关研究人员工作的推进，上述问题正逐渐得到解决。

3.1 型钢混凝土的展望

优化型钢混凝土的性能就必须提高其纵向抗剪能力，并解决连接问题。目前研究有了新的进展，钢箱-混凝土组合梁等新的组合结构在未来可能替代型钢混凝土的地位。加强型钢混凝土的应用效果，需要结合相关理论，采用力学分析方法进行深入探讨。其中疲劳破坏机理是一项重要的研究方向。

3.2 组合结构计算理论的发展

为了优化组合结构，传统的叠加法、基于钢结构或者混凝土结构的计算法逐渐得到改进，更多研究人员把钢骨和混凝土看作一个整体，忽略之间的滑动现象。随着计算机科学技术的进步，数值迭代法等基于计算机的算法逐渐凸显出优势。

4 小结

各种钢-混凝土组合结构在国内实际工程运用过程中都已展现出明显的优越性，加大此结构的研究是和我国发展情况相适应的，也是建筑结构发展的迫切需求，国内外学者对于新型组合结构的研究与开发都有充足的热情。随着钢-混凝土组合结构得到进一步的发展，相应施工技术会越来越成熟，设计理论和设计规范也将更加完善，相信在不久的将来，许多更加优越的新型组合结构会投入工程运用。

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