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(jì)時(shí)將各組成材料和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)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(shì)。本文對(duì)組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和當(dāng)前的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。簡(jiǎn)單介紹了組合梁、組合柱、組合板以及組合節(jié)點(diǎn)，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(dāng)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(dú)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(huì)的發(fā)展，對(duì)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(zhǎng)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(shí)在設(shè)

5、計(jì)時(shí)應(yīng)將不同材料和構(gòu)件的性能納入整體進(jìn)行考慮，以最有效地發(fā)揮各種材料和構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，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(guó)，當(dāng)時(shí)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(jì)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(guó)首先對(duì)外包混凝土的鋼柱進(jìn)行了試驗(yàn)，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(dāng)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(qiáng)。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(qiáng)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(kuò)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(jiǎn)單疊加。經(jīng)過幾十年的研究及工程實(shí)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)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(shí)，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(jìn)一步開發(fā)對(duì)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(jì)概念，使組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)趨于更合理、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、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(duì)鋼柱的支持3,4，而鋼管混凝土則同時(shí)利用了鋼管對(duì)混凝土的橫向約束作用提高了后者的強(qiáng)度和延性5,6。鋼管混凝土由于能夠同時(shí)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(diǎn)。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(guó)超高層建筑以及橋梁建設(shè)中已取得了相當(dāng)多的成果。與鋼管混凝土柱(CFT)的原理不同，國(guó)外學(xué)者還提出了僅利用鋼管對(duì)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(duì)組合概念的靈活運(yùn)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(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(shì)。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(diǎn)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(shí)，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(jìn)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(tái)板等， 目前已廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑當(dāng)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(diǎn)組合節(jié)點(diǎn)

12、是指連接兩種類型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)更復(fù)雜。組合節(jié)點(diǎn)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(diǎn)形式如圖3所示。目前在框架設(shè)計(jì)時(shí)通常將節(jié)點(diǎn)理想化為剛度無窮大的剛性節(jié)點(diǎn)或剛度為零的鉸接節(jié)點(diǎn)。但工程中實(shí)際使用的組合節(jié)點(diǎn)多屬于典型的非線性半剛性連接。這種節(jié)點(diǎn)降低了梁?jiǎn)卧獙?duì)柱單元的約束剛度，節(jié)點(diǎn)耗能性能較強(qiáng)，是一種理想的抗震節(jié)點(diǎn)形式。Northridge地震和阪神地震后，國(guó)外的研究多集中于節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震作用下的性能和設(shè)計(jì)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)根據(jù)工程建設(shè)的需要，組合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和研

13、究的難點(diǎn)及重點(diǎn)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(diǎn)。(a)鋼骨混凝土柱與混凝土梁節(jié)點(diǎn)(b)鋼骨混凝土柱與鋼架節(jié)點(diǎn)(c)鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)(d)混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)圖4 組合節(jié)點(diǎn)的形式3 組合加固技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǎng)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(jiǎn)單，可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的承載力，但對(duì)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(qiáng)度及耐久性，抗疲勞性能也不夠穩(wěn)定；FRP加固對(duì)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(duì)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是對(duì)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(dòng)力性能好、自重增加小、施工快速

15、方便等優(yōu)點(diǎn)，在很多方面能夠克服傳統(tǒng)加固方法的固有缺點(diǎn)10。4結(jié)語(yǔ)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)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(shí)，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(shí)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(gè)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(jìn)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(shì)。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(duì)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(tái)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(guó)邁向土木工程強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻(xiàn)1 聶建國(guó), 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(bào), 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(bào)，2000，33(5)：1125 紹懷我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展J土木工程學(xué)報(bào)，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(bào)，2004，37(4)：8138