轻钢—混凝土组合结构的发展前景

轻钢-混凝土组合结构的发展前景
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作者：曹宝珠 毛小勇 王秋萍 张耀春


一、引　言

　　随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产，我国已进入了大力发展钢结构建筑的新时期。目前，普通钢结构建筑的受力性能分析和设计方法已比较成熟，轻型钢结构和普通钢-混凝土组合结构也处于进一步开发和完善阶段，而轻钢-混凝土组合结构的研究还比较少。轻钢-混凝土组合结构是一种由冷弯薄壁型钢和薄壁钢管与混凝土组合而成的新型结构体系。轻钢─混凝土组合结构具有轻钢结构的优点，同时由于混凝土的存在而提高了结构的刚度和稳定性，并增强了结构的防火性能。

二、轻钢-混凝土组合结构体系

（一）竖向承重结构

　　结构竖向承重主要以薄壁钢管混凝土柱为主。由于冷成型薄壁钢管的管壁较薄，管内部混凝土可防止钢管发生局部屈曲，还可根据其稳定性要求在管内纵向设肋，从而提高钢管的局部稳定承载力。同时钢管对混凝土有较强的约束作用，提高了混凝土的轴向抗压强度，因此，薄壁钢管混凝土柱的承载力高于钢管和混凝土的承载力之和。由于在钢管内浇筑了热容量较大的混凝土，发生火灾时能够吸收热量，从而延长了钢管的耐火极限。圆钢管轴向受力性能较好，其受弯性能及与其它构件的连接不如方钢管，但方钢管对混凝土的约束能力较差。因此可考虑采用六边形及八边形钢管，以便为梁﹑柱连接提供方便和保证。

（二） 楼面结构

　　轻钢-混凝土组合建筑可选用多种楼面结构形式。它要求楼板必须有足够的刚度﹑强度和整体稳定性，同时应使楼板自重轻﹑厚度小，并提高施工速度。楼面结构可选用如下形式：

　　（1）压型钢板和混凝土组合楼板；

　　（2）密肋轻钢─混凝土组合楼板；

　　（3）现浇预应力钢筋混凝土楼板；

　　（4）混凝土预制叠合楼板。

　　其中优先选用1﹑2类型。其主要优点是：

　　（1）省去楼面模板支撑，节省投资，施工速度快；

　　（2）压型钢板与轻钢密肋中可布置设备管线，减少吊顶高度；

　　（3）平面刚度大，房屋有较强的整体性，抗震性能好。主﹑次梁可采用矩形钢管﹑双槽钢﹑冷弯U型卷边槽钢或H型﹑I字型焊接或热轧型钢。I字型钢可以是实腹的也可是空腹的，也可选用卷边槽钢－混凝土组合梁。梁板组合结构通过栓钉及剪力连接件形成整体，共同来承担楼面荷载。目前压型钢板与混凝土组合楼面结构在国内发展已比较成熟。

（三）支撑结构

　　（1） 对于单层工业厂房轻钢─混凝土组合结构，由于采用薄壁钢管混凝土柱承受竖向荷载及吊车荷载，屋架及支撑均可采用轻型钢构件，因而其支撑布置方式与普通钢结构厂房类似。即采用柱间支撑及屋盖水平﹑垂直支撑来保证厂房及屋盖的整体稳定性。

　　（2）对于多﹑高层轻钢─混凝土组合结构体系，由于其侧向刚度较弱，为抵抗水平地震作用，减小层间侧移，宜在相应位置采用垂直支撑。为满足门窗开洞及其它方面需要，支撑的形式可以灵活多样，如X型﹑M型﹑W型﹑V型﹑单斜杆型﹑人字型支撑等。对位于地震区的通常的钢－混凝土组合梁楼盖宜采用偏心支撑，以便结构在地震作用下具有良好的延性及耗能性能。此外，若采用刚性梁柱节点，对于多层结构可以不设置支撑构件。

（四）维护结构

　　轻钢-混凝土组合结构与其它钢结构一样，应采用轻质维护材料。墙梁宜优先选用冷弯薄壁槽钢﹑卷边槽钢﹑卷边Z型钢。可采用轻型组合墙体，如：压型钢板加轻型保温隔层墙体﹑压型钢板夹芯板﹑玻纤增强水泥外墙板﹑钢网塑料墙板等。至于屋盖结构，一般采用有檁体系，亦可采用拱形波纹屋顶或轻型网架﹑轻型桁架加铺轻质保温层和彩色压型钢板。其特点是生产工厂化，制作机械化，施工方便﹑速度快﹑工期短。

三、轻钢-混凝土组合结构的发展现状

（一） 国外研究现状

　　国外一些学者已进行了薄壁型钢混凝土组合梁及薄壁钢管混凝土组合柱的试验研究。组合梁中的薄壁型钢主要有冷弯U型型钢﹑百叶薄壁型钢和装配式薄壁型钢等形式。c～h类型均能与混凝土有效地结合，来共同承受外界弯矩和剪力。其中h类型为装配式截面，布置较为灵活，可适用于不同截面尺寸的轻钢组合梁，并可作为标准型材批量生产，但在浇混凝土之前必须用框架固定其形状。a、b类型为箱形薄壁型钢截面，与混凝土的粘结性能较差，一般只起到模板的作用。此外，还可根据实际需要，在薄壁型钢混凝土梁中配置一定数量的纵向钢筋，以进一步提高其抗弯刚度和极限承载力。

　　国外研究表明，薄壁型钢混凝土组合梁的承载力大小，取决于薄壁型钢与混凝土间的粘结力性能。粘结性能好才能使钢和混凝土两种材料共同工作，充分发挥材料的强度。而薄壁型钢的截面形状及表面有无刻痕是影响粘结力的主要因素。c～h类型，在充分咬合情况下，钢板与混凝土处于完全粘结状态，其应变相同，几乎没有滑移发生。对于不同形状的薄壁钢板，可取用不同的粘结系数，具体数值需要由试验确定。目前，轻钢-混凝土组合梁还正处于研究开发阶段。

　　薄壁钢管混凝土柱的研究目前主要集中在短柱上,重点研究圆形和方形截面短柱在轴压荷载作用下的力学性能，包括钢壁板的局部屈曲性能，而对于长柱构件在轴压和压弯荷载作用下的性能研究还未见相关报导

（二） 国内研究现状

　　在国内，清华大学和哈尔滨工业大学正在进行轻钢-混凝土组合构件的研究工作。哈尔滨工业大学近期进行了薄壁型钢混凝土组合梁和短柱的试验研究。共对6根梁和22个短柱构件进行了静载试验观测，取得了较为理想的结果。下面对其组合梁、柱试验情况分别加以介绍。

　　1.薄壁型钢混凝土组合梁试验

　　薄壁型钢组合梁采用了3种截面类型。试验中所采用的6根梁跨度均为3m,截面尺寸为，梯形截面混凝土翼缘宽为550mm,翼缘高为80mm。每一种截面类型做两个试件，一个为素混凝土组合梁，另一个在下部配有 钢筋。在试验中，采用三分点加载，使组合梁中部受纯弯作用。试验结果表明，其中b、c两种类型的粘结性能优于a种，而c种最好。组合梁达到受弯极限承载力时，梁顶部混凝土基本上达到或接近极限压应变，同时梁下部钢板也达到了极限拉应变。这说明该种梁截面类型薄壁型钢与混凝土的粘结性能能够满足受弯承载力要求。构件破坏时，粘结力的丧失与薄壁型钢和混凝土的屈服几乎同时发生。在钢与混凝土界面粘结破坏之前，构件处于弹性阶段。随着粘结的破坏，构件刚度逐步下降，但并不显著；当粘结全部破坏时，外包薄壁型钢与混凝土之间出现了滑移，刚度很快下降。随着滑移的增加，混凝土翼缘板开裂（未配筋试件）或梁腹部的混凝土被剪坏（配筋试件），最后导致构件破坏。由此可见，相对于配筋试件，未配筋试件具有更好的延性，说明薄壁型钢与混凝土间的粘结力对组合梁的承载力起控制作用。

　　2.薄壁钢管混凝土组合柱试验

　　在薄壁钢管混凝土短柱试验中，共选用圆柱、方形柱、和八边形柱三种截面类型，同时改变截面尺寸及钢材和混凝土强度进行构件的正交试验设计。钢管壁厚选用1mm和1.5mm，管径（圆形截面）及边长（方形、八边形截面）分别采用100mm、150mm和200mm,试件高度为400mm～1000m；混凝土标号采用C20～C30。试验结果表明，圆柱的受力性能最好，八边形柱次之，方形柱的受力性能最差。这主要是由于圆形钢管对混凝土的约束能力强于其他两种类型的缘故。圆形薄壁钢管混凝土短柱随着荷载的逐渐增大，柱中部首先突起，钢管达到屈服强度，进而出现褶皱，发生较大塑性变形，此时钢管与混凝土均达到极限强度，最后破坏现象为斜向剪切破坏。由于管壁较薄，方形钢管对混凝土的约束作用较小，强度较低。八边形钢管混凝土柱的承载力介于圆形和方形构件之间。比较之下，薄壁钢管混凝土组合柱宜优先选用圆形及八边形截面。

　 　3. 节点构造

　　在轻钢-混凝土组合结构体系中，最关键的部位就是节点。只有节点的构造措施和受力性能得到了解决，才有可能进行结构体系的研究。原哈尔滨建筑工程学院做过大量厚壁钢管混凝土柱节点的试验研究，并在实践中得到了应用，且编入了规范，取得了很好的成果。但是由于薄壁钢管的管壁较薄，易于变形，因此节点构造较难处理。暂时可以将薄壁钢管混凝土梁、柱节点分为刚接和铰接两种形式，对其进行尝试性的理论分析及试验研究，以确定节点的合理形式和局部构造。对薄壁钢管混凝土柱与钢梁相连接的情况，可在节点处的柱子部分局部采用厚壁钢管，上、下分别与薄壁钢管相焊接，这样钢梁与厚壁钢管的连接便可以采用规范中的传统形式进行设计。薄壁型钢混凝土组合梁与其他构件的连接则比较难以处理，可以考虑在混凝土中采用预埋型钢或钢筋来实现连接，但是该种连接形式的抗弯、抗剪等力学性能还有待于研究。根据以上设想，组合梁和八边形柱节点的刚接形式，其它截面柱可采取类似构造。其中，组合梁外的薄壁钢板与柱上外套厚壁钢管焊接，内穿双角钢，并且上部纵向钢筋穿过柱子，梁外钢板与厚壁钢管焊接，薄壁钢管混凝土柱内不配钢筋或少量配筋。组合梁截面可以采用各种截面类型。铰接节点为柱子中只有角钢穿过，组合梁支承于角钢之上，梁柱间既不焊接，也没有钢筋通过，但需设置柱间支撑以承受水平荷载。除轻钢混凝土组合梁、柱体系外，还可以采用薄壁钢管混凝土柱与I字形钢梁体系及钢筋混凝土柱与薄壁型钢组合梁体系，后两者节点连接则更为容易。

四、轻钢-混凝土组合结构发展的几个问题

　　（一） 轻钢-混凝土组合构件的研究。

　　除压型钢板与混凝土组合板技术比较成熟外，其他轻钢─混凝土组合构件的研究目前仍较少。需对薄壁钢管混凝土柱的极限承载力及薄壁钢管的局部屈曲和不同类型冷弯薄壁型钢混凝土组合梁的受弯﹑受剪状况及整体﹑局部稳定性能进行理论分析和试验研究。

　　（二） 轻钢-混凝土组合结构体系及构造措施的研究。

　　普通的钢─混凝土组合结构及轻钢结构都已进行了大量的科学研究，取得了丰硕的成果及丰富的实践经验，并制订了相应的规范和规程，我们可以借鉴以上两者的成果及经验进一步进行研究。其中梁柱节点的研究是关键。可进行薄壁钢管混凝土柱与冷弯薄壁型钢混凝土组合梁节点及薄壁钢管混凝土柱与热轧型钢﹑冷弯型钢梁节点的理论分析及试验研究。由于轻钢壁厚较小，一般只有几毫米，可考虑部分构件工厂焊接，部分构件采用现场螺栓连接。

　　（三） 轻钢-混凝土住宅建筑的开发。

　　在大多数多﹑高层钢结构建筑中，均采用压型钢板─混凝土组合楼盖。如果同时采用薄壁钢管混凝土柱及轻钢混凝土组合梁作为主框架，则必将使结构的受力性能及防火性能得到改善，因此可考虑在钢结构及轻钢结构建筑中尽量多采用组合构件。可重点研究给排水管线及供电﹑供热管线与结构相协调问题，同时研究防火﹑保温﹑隔声及室内外装修等问题。

　　（四） 轻钢-混凝土组合结构计算理论的研究。

　　在轻钢混凝土组合构件试验研究的基础上，可考虑进行轻钢─混凝土组合结构体系的受力性能与稳定性分析并同时对结构的抗震﹑防火性能进行研究。计算方法上，可由试验及理论分析所得各构件的力学指标及截面模量﹑参数，运用现有的通用计算软件对结构进行计算分析及设计。

　　（五） 施工荷载及围护结构蒙皮效应的研究。

　　混凝土浇注前，施工荷载对薄壁钢构件变形的影响较大。可考虑在尽可能少设或不设脚手架，使薄壁钢构件的刚度足以承受施工荷载。此外，围护结构的蒙皮效应能够提高结构的承载力，其提高程度有待研究。

五、结 论

　　轻钢-混凝土组合结构结合了轻钢结构和混凝土结构的优点，用于多、低层建筑具有施工方便、工期短的特点，同时使结构具有良好的抗震性能和耐火性能。若有新型墙板相配合，该结构形式将在多层建筑中取代砖砌体，从而实现真正意义上的绿色建筑，是未来民用建筑的发展方向。

　　目前，轻钢混凝土组合板已被广泛采用，预计不久的将来，轻钢混凝土组合梁﹑柱也一定会在建筑工程中得到大量的推广和应用。