輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

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一、引　言 
    隨著我國鋼材產(chǎn)量的逐年增加和高強(qiáng)度、高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的大量生產(chǎn)，我國已進(jìn)入了大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的新時(shí)期。目前，普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的受力性能分析和設(shè)計(jì)方法已比較成熟，輕型鋼結(jié)構(gòu)和普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)也處于進(jìn)一步開發(fā)和完善階段，而輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究還比較少。輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種由冷彎薄壁型鋼和薄壁鋼管與混凝土組合而成的新型結(jié)構(gòu)體系。輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)具有輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于混凝土的存在而提高了結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，并增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防火性能。 
    二、輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系 
    （一）豎向承重結(jié)構(gòu) 
    結(jié)構(gòu)豎向承重主要以薄壁鋼管混凝土柱為主。由于冷成型薄壁鋼管的管壁較薄，管內(nèi)部混凝土可防止鋼管發(fā)生局部屈曲，還可根據(jù)其穩(wěn)定性要求在管內(nèi)縱向設(shè)肋，從而提高鋼管的局部穩(wěn)定承載力。同時(shí)鋼管對(duì)混凝土有較強(qiáng)的約束作用，提高了混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度，因此，薄壁鋼管混凝土柱的承載力高于鋼管和混凝土的承載力之和。由于在鋼管內(nèi)澆筑了熱容量較大的混凝土，發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠吸收熱量，從而延長了鋼管的耐火極限。圓鋼管軸向受力性能較好，其受彎性能及與其它構(gòu)件的連接不如方鋼管，但方鋼管對(duì)混凝土的約束能力較差。因此可考慮采用六邊形及八邊形鋼管，以便為梁﹑柱連接提供方便和保證。 
    （二） 樓面結(jié)構(gòu) 
    輕鋼-混凝土組合建筑可選用多種樓面結(jié)構(gòu)形式。它要求樓板必須有足夠的剛度﹑強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)使樓板自重輕﹑厚度小，并提高施工速度。樓面結(jié)構(gòu)可選用如下形式： 
    （1）壓型鋼板和混凝土組合樓板； 
    （2）密肋輕鋼─混凝土組合樓板； 
    （3）現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓板； 
    （4）混凝土預(yù)制疊合樓板。 
    其中優(yōu)先選用1﹑2類型。其主要優(yōu)點(diǎn)是： 
    （1）省去樓面模板支撐，節(jié)省投資，施工速度快； 
    （2）壓型鋼板與輕鋼密肋中可布置設(shè)備管線，減少吊頂高度； 
    （3）平面剛度大，房屋有較強(qiáng)的整體性，抗震性能好。主﹑次梁可采用矩形鋼管﹑雙槽鋼﹑冷彎U型卷邊槽鋼或H型﹑I字型焊接或熱軋型鋼。I字型鋼可以是實(shí)腹的也可是空腹的，也可選用卷邊槽鋼－混凝土組合梁。梁板組合結(jié)構(gòu)通過栓釘及剪力連接件形成整體，共同來承擔(dān)樓面荷載。目前壓型鋼板與混凝土組合樓面結(jié)構(gòu)在國內(nèi)發(fā)展已比較成熟。 
    （三）支撐結(jié)構(gòu) 
    （1） 對(duì)于單層工業(yè)廠房輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)，由于采用薄壁鋼管混凝土柱承受豎向荷載及吊車荷載，屋架及支撐均可采用輕型鋼構(gòu)件，因而其支撐布置方式與普通鋼結(jié)構(gòu)廠房類似。即采用柱間支撐及屋蓋水平﹑垂直支撐來保證廠房及屋蓋的整體穩(wěn)定性。 
    （2）對(duì)于多﹑高層輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，由于其側(cè)向剛度較弱，為抵抗水平地震作用，減小層間側(cè)移，宜在相應(yīng)位置采用垂直支撐。為滿足門窗開洞及其它方面需要，支撐的形式可以靈活多樣，如X型﹑M型﹑W型﹑V型﹑單斜桿型﹑人字型支撐等。對(duì)位于地震區(qū)的通常的鋼－混凝土組合梁樓蓋宜采用偏心支撐，以便結(jié)構(gòu)在地震作用下具有良好的延性及耗能性能。此外，若采用剛性梁柱節(jié)點(diǎn)，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)可以不設(shè)置支撐構(gòu)件。 
    （四）維護(hù)結(jié)構(gòu) 
    輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)與其它鋼結(jié)構(gòu)一樣，應(yīng)采用輕質(zhì)維護(hù)材料。墻梁宜優(yōu)先選用冷彎薄壁槽鋼﹑卷邊槽鋼﹑卷邊Z型鋼。可采用輕型組合墻體，如：壓型鋼板加輕型保溫隔層墻體﹑壓型鋼板夾芯板﹑玻纖增強(qiáng)水泥外墻板﹑鋼網(wǎng)塑料墻板等。至于屋蓋結(jié)構(gòu)，一般采用有檁體系，亦可采用拱形波紋屋頂或輕型網(wǎng)架﹑輕型桁架加鋪輕質(zhì)保溫層和彩色壓型鋼板。其特點(diǎn)是生產(chǎn)工廠化，制作機(jī)械化，施工方便﹑速度快﹑工期短。 
    三、輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 
    （一） 國外研究現(xiàn)狀 
    國外一些學(xué)者已進(jìn)行了薄壁型鋼混凝土組合梁及薄壁鋼管混凝土組合柱的試驗(yàn)研究。組合梁中的薄壁型鋼主要有冷彎U型型鋼﹑百葉薄壁型鋼和裝配式薄壁型鋼等形式。c～h類型均能與混凝土有效地結(jié)合，來共同承受外界彎矩和剪力。其中h類型為裝配式截面，布置較為靈活，可適用于不同截面尺寸的輕鋼組合梁，并可作為標(biāo)準(zhǔn)型材批量生產(chǎn)，但在澆混凝土之前必須用框架固定其形狀。a、b類型為箱形薄壁型鋼截面，與混凝土的粘結(jié)性能較差，一般只起到模板的作用。此外，還可根據(jù)實(shí)際需要，在薄壁型鋼混凝土梁中配置一定數(shù)量的縱向鋼筋，以進(jìn)一步提高其抗彎剛度和極限承載力。 
    國外研究表明，薄壁型鋼混凝土組合梁的承載力大小，取決于薄壁型鋼與混凝土間的粘結(jié)力性能。粘結(jié)性能好才能使鋼和混凝土兩種材料共同工作，充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。而薄壁型鋼的截面形狀及表面有無刻痕是影響粘結(jié)力的主要因素。c～h類型，在充分咬合情況下，鋼板與混凝土處于完全粘結(jié)狀態(tài)，其應(yīng)變相同，幾乎沒有滑移發(fā)生。對(duì)于不同形狀的薄壁鋼板，可取用不同的粘結(jié)系數(shù)，具體數(shù)值需要由試驗(yàn)確定。目前，輕鋼-混凝土組合梁還正處于研究開發(fā)階段。