常见钢-混凝土组合结构的对比分析

常见钢-混凝土组合结构的对比分析

[摘要] 钢与混凝土组合结构分为钢与混凝土组合梁（钢板与混凝土组合梁，钢桁架与混凝土组合梁）、压型钢板混凝土组合楼板、钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构和外包钢混凝土结构等形式，本文就其各自的优缺点进行综合的讲述。

[关键词] 钢与混凝土组合梁 压型钢板混凝土组合楼板 型钢混凝土组合结构 钢管混凝土结构

1.钢与混凝土组合梁、压型钢板与混凝土组合楼板

1.1钢与混凝土组合梁

钢与混凝土组合梁由钢梁、钢筋混凝土板以及两者之间的剪力连接件组成。工程中常采用不对称组合梁，主要有以下几种形式：(a)三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成；(b)将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板；(c)将工字钢沿腹板纵向割开然后将不同大小的半工字钢对焊而成；·蜂窝梁。

组合梁首先从截面组成上充分发挥了型钢与混凝土材料各自的特长，与钢筋混凝土梁相比，还有以下优点：

(1) 节约钢材，由于截面材料受力合理，混凝土替代部分钢材工作，使其用钢量大幅度下降。如采用塑性理论进行设计，还可降低造价。

(2) 减小截面高度，由于相当宽的混凝土板参与抗压，组合梁的惯性矩比钢梁的大得多。可以达到降低梁高、增加层净高的效果。

(3) 延性好，由于耗能能力强，整体稳定性又好，在实际地震中表现出良好的抗震性能。

(4) 刚度好，混凝土板与钢梁共同工作，抗弯模量增大，致使挠度减小，刚度增大。

(5) 抗冲击、抗疲劳性能好，实际工程表明用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力，引起的损伤较小，比起钢吊车梁使用寿命提高了。

1.2压型钢板与混凝土组合楼板

压型钢板与混凝土组合楼板兴起于上世纪90年代，是在压成各种形式的凹凸肋与各种形式的槽纹的钢板上浇注混凝土而制成的组合板。钢板除在施工阶段做模板用外，在使用阶段还兼做混凝土楼板的受力钢筋或部分受力钢筋。压型钢板作为永久性模板，免除了木模板的支模与拆模，大大简化了施工工序；提高了楼层的结构刚度，从而可以减小梁的高跨比；有效地利用楼层结构的使用空间。

压型钢板本身可作为屋面板以及墙板，与混凝土组合在一起有很多优点：

(1) 压型钢板可作为混凝土的受拉加强部分，用以抵抗板面荷载产生的板底拉力，与混凝土共同抵抗剪力，除了在适当部位要设置钢筋减轻混凝土收缩以及温度变化的影响外，不必再另设钢筋。

(2) 压型钢板相当平整，可直接作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，增加了楼层的有效空间，可适当降低层高，节省投资。

(3) 由压型钢板作为其永久性的模板，不再需要安装、拆模，方便施工。 (4) 由于压型钢板本身具有相当的承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度值前就可以继续进行上层混凝土的浇筑．使施工进度加快。

2.型钢混凝土组合结构

型钢混凝土（steel reinforced concrete，以下简称src）结构是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构。型钢分为实腹式和空腹式。实腹式src构件具有较好的抗震性能，而空腹式src构件的抗震性能与普通混凝土（reinforced concrete，以下简称rc）构件基本相同。因此，目前在抗震结构中多采用实腹式src构件。实腹式型钢可由钢板焊接拼制而成或直接采用轧制型钢。

src构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。与钢结构相比，src构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件的平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与rc结构相比，由于配置了型钢，大大提高了构件的承载力，尤其是采用实腹型钢的src构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，提高了结构的抗震性能。

轴压比是影响普通型钢混凝土柱延性的重要因素，尽管型钢混凝土柱的轴压比限值在形式上与钢筋混凝土柱相差不多，但由于型钢混凝土柱轴压比考虑了型钢项，其实际承受的轴力明显大于钢筋混凝土柱，因而柱的截面面积可大大减小。在实际工程中，可以采取加厚钢板、配置十字形型钢以及提高配箍率等相关措施，提高型钢混凝土柱的轴压比限值。

2.1型钢混凝土结构的特点

(1) 自重轻,构件截面小

型钢混凝土构件中的型钢可不受钢率的限制,它的承载力可以达到同样外形钢筋混凝土构件承载力的一倍以上,因而可以减小构件截面,尤其是对高层和大跨度建筑物,可以减轻自重,增大建筑物层高和使用面积,提高经济效益。

(2) 节约钢材,经济效益好

型钢混凝土结构与全钢结构相比,可节约1p3 左右的钢材,同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。型钢混凝土结构中的型钢在混凝土未浇灌前自身已形成钢结构,具有相当大的承载能力。施工中可以将混凝土的模板悬挂在型钢上,而不必为模板另设支柱,因而减少了支模板的劳动力和材料,也不必等待混凝土达到一定强度就可以继续施工上层,使工期大为缩短。

(3) 受力合理,强度高,延性好

型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能,钢筋混凝土与型钢形成整体,共同受力。型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高,这种结构在地震作用下具有很强的抗震性能,这在日本多次大地震中已得到了充分的验证。另外,它的耐久性、耐火等级等方面亦较钢结构和钢筋混凝土结构优越。 2.2型钢混凝土结构在我国的应用

20世纪50年代初,我国开始从前苏联引进了型钢混凝土结构,主要用于工业厂房,如包头电厂主厂房、鞍山钢铁公司的沉铁炉基础等。20世纪80年代后,型钢混凝土结构开始应用于高层、超高层建筑中。如北京长富宫饭店,地上25层,地下3层,高88m,地下部分至2层范围为型钢混凝土结构,上部为钢框架结构;上海瑞金大厦27层,由型钢混凝土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架组成,其中1～9层为型钢混凝土结构;北京香格里拉饭店,地上26层,地下2层,总高82.75m,结构形式为框架—剪力墙体系,其框架柱均采用了型钢混凝土结构柱;还有上海金贸大厦,地上88层,地下3层,总高度420.5m,国内第一,世界第三,其主体结构采用了核心筒加圈复合巨型柱的方案,其巨型柱是由h型钢、钢筋和高强混凝土复而成。正是由于具有良好的力学性能,型钢混凝土组合结构在高层建筑中的应用日益广泛。

型钢混凝土结构除应用于高层建筑及一些特殊结构外,在桥梁工程上的应用也已从局部构件发展到桥梁整体结构。预应力型钢混凝土结构由于自身所特有的低容重p强度比、刚度大、截面利用率高、施工方便等优点,成为最具竞争力的一种结构形式。因此,尽管型钢混凝土结构在桥梁工程中的应用时间不是很长,但已经得到了迅速发展,比如万县长江大桥、杭州市钱江四桥等。

3.钢管混凝土组合结构

钢管混凝土组合结构即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构，它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。

3.1钢管混凝土结构具有以下优点：

(1) 承载力高

构件受压时，钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力，钢管和混凝土都处在三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。

(2) 延性好

据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的2／3，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善。 (3) 抗震性能优越

抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。

(4) 施工方便

钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响。该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。

(5) 防火耐火性能好

钢管混凝土的耐火性比钢结构好，由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1／3～2／3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。

(6) 耐腐蚀性强

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用比钢结构节省。

3.2钢管混凝土结构具有以下缺点：

(1) 使用范围有限

从现已建成的众多建筑来看，钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。

(2) 钢管混凝土构件连接构造有局限性。

4.结束语

随着高强混凝土的发展，c60在国内城市中以被较普遍使用，有些甚至已采用c70或c80，从而提高了钢管混凝土柱的承载力，节约混凝土。但是高强混凝土的强度虽得到提高，却增加了脆性，降低了结构的安全可靠性。钢管混凝土中的核心混凝土处于三向压应力状态下，极大地改善了性能，防止发生脆性破坏，即高强混凝土只有用于钢管混凝土柱，才能发挥高强混凝土的强度。钢管混凝土结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。特别是钢管高强和超高强混凝土结构：同等承载力条件下，钢管混凝土柱比普通混凝土柱节约混凝土在50％以上；几乎省去全部的模板，耗钢量略多或约略相等。与普通钢柱相比可节约钢材约在50％以上，造价也可降低。

近10年，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动了建造技术的发展。在我国，钢管混凝土结构主要应用于以下的领域中：大跨度桥梁工程、地铁车站工程、高层建筑工程、单层和多层工业厂房柱。

参考文献：

[1] 能源部华北电力设计院.火力发电厂主厂房钢—混凝土组合结构设计暂行规定.dlg99-9l1991.