新型组合结构概述1.doc

新型组合结构概述摘要：随着社会的发展，传统的组合结构已不能满足建筑不断增长的功能要求，为使更多人了解新型组合结构，作者从组合结构构件方面对其进行介绍。根据结构的基本组成，分别从组合柱、组合梁以及组合板三个方面对当前新型组合结构，比如薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、FRP-混凝土、外包钢混凝土、组合空腹板做简单概述。关键词：新型组合结构 组合柱 组合梁 组合板 Introduction on New Types of Composite ConstructionAbstract: with the developing of society, traditional composite constructions havent accommodated the demand of architectural functions. For introduce new types of composite constructions to more people, author gives the explanation form the aspect of composite component. According to the element of construction, author introduces composite column, composite beam and deck, for examples, concrete-filled thin-walled steel tubes, concrete- filled double-skin steel tubes, FRP-concrete, steel encased concrete and composite void-web deck. Keywords: new types of composite construction composite column composite beam composite deck1 引言 组合结构指两种或两种以上材料组合在一起形成的结构形式。狭义的组合结构仅包括由钢和混凝土两种材料组成的组合柱、组合梁、组合板等。随着社会的发展,对结构物使用功能的要求越来越高,传统的组合结构已经不能完全满足不断增长的功能要求。广义组合结构是指将不同材料或构件组合在一起的结构形式,同时在设计时应将不同材料和构件的性能纳入整体进行考虑,以最有效地发挥各种材料和构件的优势,从而获得更好的结构性能和综合效益。广义组合结构在材料使用上具有更广的范围。除了传统的钢材与混凝土, 各种新型材料的发展为组合结构的发展提供了更多的选择。FRP、玻璃、轻合金材料、工程塑料等与钢材、混凝土和木材等传统材料组合, 可进一步发挥出各自的材料优势, 形成不同类型的组合构件。广义组合结构具有多种多样的组合方式和途径, 如材料间的粘结力、机械连接件的抗剪抗拔力、构件或材料间的相互约束与支持等。合理运用各种组合方式，可以使各种材料扬长避短，获得一系列性能优越的组合构件或体系。组合结构将多种材料或构件通过某种方式组合在一起共同工作，组合后的整体工作性能要明显优于各自性能的简单叠加。现代广义组合结构应进一步开发对高性能材料的有效利用，并使结构形式和体系更加合理化和多样化。深入理解广义组合结构的特性和原理，可以开发出更高性能的组合结构形式并建立新的设计概念 ,使组合结构的设计趋于更合理、更可靠、更经济、 更耐久。本文针对现代组合结构构件的研究和应用现状，分别从组合结构柱、梁以及组合结构楼板等几个方面介绍现代组合结构发展状况并对组合结构的发展前景进行展望。2 组合结构柱 组合柱是指由两种或两种以上不同性质的结构材料组合成整体而共同工作的柱构件。组合柱的优势在于可利用不同性质的材料,以充分发挥各自的特点，达到扬长避短的目的。传统组合柱多采用钢和混凝土两种材料进行组合,如钢管混凝土柱、型钢混凝土柱和外包钢混凝土柱等，它们均已有较长的研究和应用历史。随着建筑业的不断发展,在传统组合柱研究的基础上，近年来不断有新型的组合柱被提出，以满足特定条件下工作的需要。这些新型组合柱可分为两类：一类是对传统组合柱的发展，如薄壁钢管混凝土和中空夹层钢管混凝土等。另一类是结合新材料(如纤维增强复合材料FRP)的出现并适合土木工程结构发展的需要而提出的，如 FRP约束钢管混凝土和 FRP约束混凝土等。2.1 薄壁钢管混凝土薄壁钢管混凝土是指在薄壁钢管中填充混凝土而形成的构件。本文论述的薄壁钢管是指截面直径与厚度的比值(圆钢管)以及宽度或高度与厚度的比值(方、矩形钢管)超过钢结构对其局部屈曲控制的限值或者钢管壁厚小于3mm的钢管。 已有的工程实践表明,在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管，可以减少钢材用量,减轻焊接工作量，达到降低工程造价的目的。日本和澳大利亚已有采用薄壁钢管和高强度钢材的钢管混凝土建筑的报道。但薄壁钢管混凝土在荷载作用下其管壁较易产生局部屈曲，尤其是当构件截面形状为方形或矩形时。针对薄壁钢管混凝土力学性能的研究并不多见，仅近年来才由英国、澳大利亚和我国的一些学者先后开展了一些相关研究工作。 采用薄壁钢管混凝土虽然可以达到降低工程造价的目的,但由于存在局部屈曲影响也使得钢材的材料强度未能充分发挥,延性下降。针对这种情况,近年来研究者先后提出了一些抵消这种影响的构造措施,主要方法包括采用约束拉杆、角部隅撑和设置纵向加劲肋三种方法，如下图所示： 图1 限制钢壁局部屈曲的构造措施当采用小尺寸的冷弯薄壁管时，也可以采用在钢管外部设置加劲肋的构造措施。该类构件可以用于无美观要求的厂房，也可用于隐蔽构件，如用防火板包裹的钢管混凝土柱。 与普通钢管混凝土相比，在进行薄壁钢管混凝土结构的设计时,根据其自身工作机理,应合理确定薄壁钢管D( B) / t限值以及考虑钢管局部屈曲对钢管与核心混凝土组合作用的影响。研究表明，对于加劲的钢管混凝土,其局部屈曲的发生一般要晚于非加劲的钢管混凝土，且加劲肋的刚度越小，其局部屈曲发展越迅速。此外还发现对于加劲充分的构件，其钢管表面的局部屈曲明显小于非加劲构件，且分布较为均匀，体现了增大加劲肋刚度的有效性。外部加劲的钢管混凝土比内部加劲的钢管混凝土更易产生局部屈曲。发现对于充分加劲的薄壁方、矩形钢管混凝土，无需考虑钢管的局部屈曲，在计算钢管混凝土轴压承载力公式中直接叠加加劲肋的承载力项，即可利用现有有关钢管混凝土的设计规范来计算其整体构件的轴压承载力。2.2 中空夹层钢管混凝土 中空夹层钢管混凝土是在两个同心放置的钢管之间浇筑混凝土而形成的构件。它是在实心钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型的钢管混凝土构件形式。如变换内外钢管的截面形式组合,可形成多种中空夹层钢管混凝土的截面形式，如下图所示： 图2 常见中空夹层钢管混凝土 中空夹层钢管混凝土柱除了具备实心钢管混凝土柱的基本优点外，尚有自重轻和刚度大的特点，且由于其内钢管受到混凝土的保护，使得该类柱可具有更好的耐火性能。由于中空夹层钢管混凝土具有上述特点，在某些工程领域有其潜在的应用优势，如用作桥墩、海洋平台结构的支架柱，建筑物中的大直径柱以及其它有关高耸构筑物或其柱构件。此外，中空夹层钢管混凝土还可用做大尺寸的灌注桩。 中空夹层钢管混凝土试件由于混凝土延缓了钢管的局部屈曲,因而总体力学性能均明显优于相应空钢管对比试件。在内管径厚比(或高厚比)较小的情况下，此时内管可对混凝土提供足够的支撑作用，使得构件的整体工作行为和实心钢管混凝土类似；否则构件的延性就会低于相应实心钢管混凝土的延性。研究还发现空心率不同的中空夹层钢管混凝土试件，与具有相同轴压比的实心钢管混凝土试件相比，其 P - 滞回曲线的形状和变化规律基本一致。在荷载- 变形关系分析的基础上，根据参数分析，对于中空夹层钢管混凝土轴压、纯弯和压弯构件，其承载力简化计算公式可基于对实心钢管混凝土承载力计算公式的修正。2.3 FRP约束钢管混凝土 FRP约束钢管混凝土柱是在钢管混凝土柱外包 FRP材料，从而使钢管内的核心混凝土处于 FRP 和钢管的双重约束之下。利用 FRP 约束钢管混凝土，不仅可提高钢管混凝土的承载力，还可利用钢管混凝土具有延性较好的特点，弥补 FRP 约束混凝土这方面的不足。 研究FRP约束钢管混凝土的轴压性能发现，和 FRP 约束混凝土类似，截面形状对 FRP约束效果的发挥影响较大，FRP 对圆形钢管混凝土的约束效果要明显优于对矩形钢管混凝土的约束效果。随着包裹层数的增加，构件达到峰值荷载所对应的峰值应变有所提高。以下为轴压承载力计算公式：Nu = (1 + 1. 02s) fcA sc + 1. 15ffc Ac式中s 和f 分别用于反映钢管和 FRP 对混凝土的约束作用,s = As f y/ Ac fc ,f = Af f f / Ac fc ,其中 As、 Af 和 Ac 分别为钢管、 FRP和混凝土的横截面面积; f y、f f 和 fc分别为钢材屈服强度、FRP 抗拉强度和混凝土的圆柱体抗压强度; Asc为钢管混凝土的截面积。图3 常见FRP约束钢管混凝土2.4 FRP约束混凝土 FRP具有耐腐蚀、抗疲劳、强度高和施工方便等诸多优点。通过 FRP 的约束作用使混凝土处于三向应力状态，从而提高其强度,并改善其塑性和韧性性能。相对于钢筋混凝土柱，FRP 约束钢筋混凝土柱的荷载 - 位移滞回曲线均更为饱满，有较高的承载力、良好的延性和耗能能力。总体而言,采用 FRP约束后，可提高构件的延性和抗剪能力。在长细比较小时，FRP约束后构件的破坏形式通常由脆性剪切破坏转变为具有延性的弯曲破坏。此外，采用FRP约束后，在钢筋混凝土柱中还可大大减少箍筋的用量。充分利用FRP材料纵向受力的特点，对于偏心受力的长柱应该采用双向包裹FRP材料，承载力可以得到很大提高，笔者认为采用斜向布置也可以有效提高承载力，而且便于施工。试验结果表明，FRP 约束混凝土试件的 P - 滞回曲线图形大都具有较好的饱满性，没有明显的捏缩现象，试件具有良好的延性和耗能能力。3 组合结构梁 组合梁是指由两种或两种以上不同性质的结构材料组合成整体而共同工作的梁构件。合理利用不同材料的特点，扬长避短，充分发挥材料性能。钢-混凝土组合梁是传统的组合梁构件，根据截面形式不同, 目前钢- 混凝土组合梁主要分为两种类型：一种是由钢筋混凝土翼缘板和钢梁以及两者之间的剪力连接件组成的普通组合梁，另一种是钢梁外包混凝土的组合梁,，也称钢骨混凝土组合梁或型钢混凝土组合梁。 近几年来，许多新型的钢-混凝土组合梁得到广泛的研究与应用，其中外包钢- 混凝土组合梁吸收了普通钢- 混凝土组合梁和钢骨混凝土组合梁的优点而又克服了两者的缺点，成为一种更有应用前景的组合构件。FRP混凝土组合梁由于其有耐腐蚀、比强度高、比模量大、抗疲劳等优点也在一些领域得到了很大发展。3.1 外包钢-混凝土组合梁 外包钢- 混凝土组合梁就是在钢筋混凝土或素混凝土构件外侧包有角钢或钢板的横向承重组合构件。新型外包钢-混凝土组合梁主要特点是采用U形截面的钢梁作模板，内部填充混凝土与楼板混凝土同时浇筑，与钢梁共同形成组合截面。 与钢筋混凝土结构相比，其承载高、 刚度大，可以减轻结构自重, 减小地震作用, 减小构件截面尺寸, 增加有效使用空间, 降低基础造价, 节省支模工序和模板, 缩短施工周期, 增加构件和结构延性。与钢结构相比，可减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性, 增强结构抗火性和耐久性。另外, 这种新型外包钢- 混凝土组合梁与普通钢-混凝土组合梁和钢骨混凝土组合梁相比，具有承载力、刚度和延性更高，抗剪连接件数量可大大减少，负弯矩作用下稳定性高，抗火性能好，比型钢混凝土组合梁施工简单，另外, 外包U型钢- 混凝土组合梁还有降低构件跨高比，实现产业化生产等优点。外包型钢混凝土组合梁可以分为以下种类：轻钢- 混凝土组合梁、帽形冷弯薄壁型钢- 混凝土组合梁、新型外包钢- 混凝土组合梁。如下图所示： 图4 轻钢- 混凝土组合梁截面 图5 帽形冷弯薄壁型钢- 混凝土组合梁截面 （a）采用栓钉抗剪连接件 （b）采用角钢抗剪连接件 图6 新型外包钢- 混凝土组合梁截面3.2 FRP-混凝土组合梁 FRP材料轻质高强、又具有良好的耐腐蚀性，将它与钢材、或与混凝土、 或与两者共同形成组合构件，合理加以使用更具有可行性。FRP材料在结构加固中已得到广泛的应用，在结构建造方面尚处于探索阶段，尚未得到大范围应用。对于FRP材料与混凝土形成的组合结构，目前有以下几个方面，FRP管材与填充混凝土的组合梁，FRP管材或板材与混凝土顶底板组合箱梁。 FRP-混凝土组合梁应用于实际工程中可以带来大的经济效益和社会效益，目前国内外将FRP-混凝土组合梁工程中的项目主要有：1982 年在北京密云建成了一座跨径2017 m、宽912 m的全 GFRP蜂窝箱梁公路桥，此后我国又建了一批此类桥梁，例如1988年重庆陈家湾桥、重庆观音桥等。3.3 预应力型钢混凝土梁 预应力型钢混凝土是将预应力技术应用于型钢混凝土结构而产生的一种新型组合结构，它综合了型钢混凝土和预应力混凝土两者优点，从而发挥更好的结构综合效能。预应力型钢混凝土结构的最早应用主要是高层建筑的转换层结构。在底部转换梁中施加预应力可以有效改善转换结构的刚度和抗裂性能。研究表明：与型钢混凝土梁相比，预应力型钢混凝土梁具有良好的抗裂性能，裂缝向上延伸的高度和受拉钢筋的应力大大减小从而使裂缝的宽度变小，裂缝闭合性能良好，正常使用性能得到显著改善。预应力型钢混凝土梁在工程中主要应用于转换结构、连廊结构、大跨框架结构可以减轻结构自重，并且具有良好的抗震性能。4 组合结构板传统的组合结构板主要是压型钢板和混凝土的组合，虽然较好的利用了钢和混凝土两种材料的受力特性，但相比于新型组合结构板也结构自重大，剪力连接件多的缺点。组合式空腹板除具有组合结构一般特点外，尚具有如下特点：截面高度小、整体性好、刚度大；实现平面灵活分隔布置、增加建筑有效使用空间， 同时其空腹部分可作水平管道支架，节省二次装修费用。组合式空腹板可广泛应用于多高层民用和工业建筑的楼屋盖结构、大跨度单层民用和工业建筑的屋盖结构。4.1 组合式空腹板钢-混凝土组合式空腹板是由上、下表层及连接上下层的剪切元组成。下层采用型钢，形成格构式两向交叉肋。上表层有两种形式，其一是混凝土双向肋板；其二是钢肋混凝土薄板。组合式空腹板的腹部在上、下肋的交叉点处用钢管混凝土剪切元连接上下表层，形成共同工作的整体。从建筑方面，组合式空腹板有如下特点：（1） 大开间、大柱网对建筑空间的灵活布置和使用极为有利。 （2）降低楼层层高，由于组合空腹板的截面高度较常规的梁板式楼盖小，加之一般不需要吊顶，因此可大幅度节约层高。（3）组合空腹板的空腹部分，可作管线的设备层，无需另设管线支架及吊顶，节约建筑的总造价。从结构方面看，（1）组合式空腹板属三维空间结构体系，其整体性和刚度均优于一般的梁板式楼盖结构，由于自身刚度提高，从而可提高整个建筑结构的刚度。（2）组合空腹板的自重轻，与常规的混凝土楼盖相比，其自重可大幅度下降（3）缩短施工周期、节约模板费用，组合空腹板许多构件的制作，既可在现场又可在工厂完成，不受天气、季节等自然因素影响。5 总结 组合结构在我国发展和应用的历史虽然不及欧美等发达国家的长，但它在我国的发展势头已显示出强劲的生命力和广阔的应用前景。组合结构由于其优秀的力学性能