鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

1、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展一、概述隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人們對(duì)于建筑審美要求的不斷提高, 大跨度與超高層建筑越來(lái)越多地涌現(xiàn)在城市建設(shè)中,成為現(xiàn)代化大都市的重要象征。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大, 而鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)較高, 使得鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于各種重大工程中。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)( ,以下簡(jiǎn)稱(chēng))是指在鋼骨周?chē)渲娩摻?，并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點(diǎn)。鋼骨分為實(shí)腹式與空腹式。實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件具有較好的抗震性能、節(jié)約鋼材、提高混凝土利用系數(shù)、施工方便等優(yōu)點(diǎn), 在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在混凝土內(nèi)配置鋼骨, 這些鋼骨可以是軋制的, 也可以

2、是焊接的。在大型建筑中經(jīng)常配置焊接的鋼骨, 可以根據(jù)構(gòu)件截面大小、受力特點(diǎn), 考慮到受力的合理性, 靈活選擇焊接鋼骨各個(gè)板件的寬度與厚度。所配置的鋼骨的形式有角鋼、工字鋼、寬翼緣工字鋼、雙十字鋼、雙槽鋼、十字形鋼、箱形方鋼管等, 工程中常用H形與十字形。二、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)件的內(nèi)部鋼骨與外包混凝土形成整體、共同受力，其受力性能優(yōu)于這兩種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單疊加。與鋼結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部曲面，并能提高鋼構(gòu)件的整體剛度，顯著改善鋼構(gòu)件的平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。采用結(jié)構(gòu)，可比純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50%以上。此外，外包混凝土增加了結(jié)構(gòu)耐久性與耐火性，歐美國(guó)家最初發(fā)展

3、結(jié)構(gòu)就是出于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火與耐久性方面的考慮。與結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，大大提高了構(gòu)件的承載力，尤其是采用實(shí)腹鋼骨的構(gòu)件，其抗剪承載力有很大提高，并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。正是由于這一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在日本得到廣泛的應(yīng)用。三、鋼骨的制作與構(gòu)造措施（1）鋼骨的制作必須采用機(jī)械加工，并宜由鋼結(jié)構(gòu)制作廠家承擔(dān)。型鋼的切割、焊接、運(yùn)輸、吊裝、探傷檢驗(yàn)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 50205鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范、 81建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程、 50221鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定, 鋼材、焊接材料、螺栓等應(yīng)有質(zhì)量證明書(shū), 質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。焊接前應(yīng)將構(gòu)件焊接面除油、除銹

4、，焊工應(yīng)持證上崗。施工中應(yīng)確保施工現(xiàn)場(chǎng)型鋼柱拼接與梁柱節(jié)點(diǎn)連接的焊接質(zhì)量,型鋼鋼板的制孔應(yīng)采用工廠車(chē)床制孔, 嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)用氧氣切割開(kāi)孔, 在鋼骨制作完成后, 建設(shè)單位不可隨意變更, 以免引起孔位改變?cè)斐墒┕だщy。（2）鋼骨混凝土中設(shè)置抗剪栓釘?shù)囊?。鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別之一是型鋼與混凝土的粘結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn), 大約只相當(dāng)于光面鋼筋粘結(jié)力的45%。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中認(rèn)為鋼筋與混凝土是共同工作的, 直至構(gòu)件破壞；而在鋼骨混凝土中，由于粘結(jié)滑移的存在, 將影響到構(gòu)件的破壞形態(tài)、計(jì)算假定、構(gòu)件承載能力及剛度、裂縫。通?？捎脙煞N方法解決: 一種是在構(gòu)件上另

5、設(shè)剪切連接件( 栓釘) , 并按照計(jì)算確定其數(shù)量, 即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔(dān), 稱(chēng)為完全剪力連接。這樣可以認(rèn)為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計(jì)算中考慮粘結(jié)滑移對(duì)承載力的影響, 同時(shí)在型鋼的一定部位（a. 柱腳及柱腳向上一層范圍內(nèi); b. 與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處; c. 結(jié)構(gòu)過(guò)渡層范圍內(nèi)的鋼骨翼緣處）加設(shè)抗剪栓釘作為構(gòu)造要求。構(gòu)件中設(shè)置的栓釘應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 10433 圓柱頭焊釘?shù)囊?guī)定, 栓釘直徑一般為19, 長(zhǎng)度不宜小于4 倍栓釘直徑, 間距不宜小于6 倍栓釘直徑, 且不宜大于200 。并采用特制的設(shè)釘槍進(jìn)行焊接, 焊接質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求。（3）鋼骨的拼接。鋼

6、骨柱的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)鋼材的生產(chǎn)與運(yùn)輸長(zhǎng)度限制及建筑物層高綜合考慮, 一般每三層為一根, 其工地拼接接頭宜設(shè)于框架梁頂面以上1-3 m 處。鋼骨柱的工地拼接一般有三種形式: a. 全焊接連接； b. 全螺栓連接； c. 栓、焊混合連接。設(shè)計(jì)施工中多采用第三種形式, 即鋼骨柱翼緣采用全溶透的剖口對(duì)接焊縫連接, 腹板采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接。（4）鋼骨柱的柱腳構(gòu)造。鋼骨柱的柱腳分為埋入式與非埋入式兩種, 在抗震區(qū)宜采用埋入式柱腳, 柱腳鋼骨的混凝土最小保護(hù)層厚度為: 中間柱: 不得小于180 ; 邊柱與角柱: 不得小于250 。鋼骨柱埋入式柱腳的埋入深度不應(yīng)小于3倍型鋼柱截面高度, 在柱腳與柱腳向上一層

7、的范圍內(nèi), 鋼骨柱翼緣外側(cè)設(shè)置栓釘, 栓釘直徑不小于19, 間距不大于200 , 且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50 。（5）鋼骨柱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造框架梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不允許有過(guò)大的變形。在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中，梁、柱節(jié)點(diǎn)包括以下幾種形式: a. 鋼骨混凝土梁-鋼骨混凝土柱的連接; b. 鋼梁-鋼骨混凝土柱的連接; c. 鋼筋混凝土梁-鋼骨混凝土柱的連接。四、鋼骨混凝土的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀鋼骨混凝土由于在截面中配置了型鋼, 可使構(gòu)件承載力、剛度大大提高, 因而大大減小了構(gòu)件的截面尺寸, 可增加房屋的有效使用面積。此外, 型鋼混凝土具有很

8、好的延性與耗能能力, 適于在地震區(qū)應(yīng)用。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用在國(guó)外開(kāi)始較早, 我國(guó)因國(guó)情的限制, 起步較晚, 工程應(yīng)用就更少,從20世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用型鋼混凝土結(jié)構(gòu), 主要用于工業(yè)廠房, 如包頭電廠主廠房與鞍山鋼鐵公司的混鐵爐基礎(chǔ)。直到1997年11月冶金工業(yè)部正式發(fā)布了有關(guān)規(guī)程, 并于1998年5月1日起施行。20世紀(jì)80年代初期，隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展, 結(jié)構(gòu)在我國(guó)迅速興起。近年來(lái), 型鋼混凝土在上海、廣州、武漢、深圳、大連等地的高層建筑中都有所應(yīng)用。型鋼混凝土最初在歐美與日本的研究與應(yīng)用比較多。20世紀(jì)初，西方國(guó)家為提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，應(yīng)用了型鋼外包混凝土的型鋼混凝土柱。隨后

9、不久，人們認(rèn)識(shí)到這種組合柱比純鋼柱的剛度要高。1908年 做了空腹式型鋼混凝土柱的試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)型鋼外包混凝土后強(qiáng)度與剛度都有大大提高。從1920 年開(kāi)始, 美國(guó)、英國(guó)與歐洲一些國(guó)家相繼開(kāi)展了型鋼混凝土的研究。1948 年出版的英國(guó)449 規(guī)范認(rèn)為將鋼柱埋置在混凝土中增加了截面的最小回轉(zhuǎn)半徑, 它是最早認(rèn)為混凝土中的型鋼增加了柱剛性的標(biāo)準(zhǔn)。目前鋼骨混凝土應(yīng)用需要解決的問(wèn)題主要有：（1） 鋼骨與混凝土的共同工作；（2）受力性能與混凝土結(jié)構(gòu)的異同；（3）軸壓承載力的計(jì)算；（4）正截面承載力計(jì)算；（5）斜截面承載力計(jì)算；（6）變形與裂縫計(jì)算；（7）節(jié)點(diǎn)與柱腳的連接形式。五、鋼骨混凝土的發(fā)展趨勢(shì) 目前在工程應(yīng)用中, 混凝土的強(qiáng)度等級(jí)普遍采用高強(qiáng)度等級(jí),因此改善結(jié)構(gòu)的延性就顯得尤為必要。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看, 改善結(jié)構(gòu)延性的方法主要有三種思路:（1）加密箍筋；（2）采用鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)；（3）采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。眾所周知, 加密箍筋雖然對(duì)高強(qiáng)混凝土構(gòu)件延性有所改善, 但達(dá)到一定程度后效果并不顯著, 同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了很大困難。鋼管混凝土是解決上述問(wèn)題的較好方式, 它能充分發(fā)揮混凝土與鋼管這兩種材料的性能, 但同時(shí)也存在節(jié)點(diǎn)處理困難, 用鋼量大與需要特殊防火處理等缺點(diǎn)。鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼管混凝土與普通高強(qiáng)混凝土之間的一種結(jié)構(gòu)方式。在 結(jié)構(gòu)中, 鋼骨與高強(qiáng)