钢骨混凝土的特点与应用.doc

深圳世贸中心一、 随着我国经济的发展和建筑技术的进步,高层建筑和大跨度建筑成为建筑结构发展的主要方向之一。由混凝土包裹钢骨做成的钢骨混凝土结构( SRC) , 充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点, 虽然我国钢骨混凝土技术起步比国外晚一些, 但在我国得到了越来越多的应用。钢骨混凝土和钢结构、木结构、砌体结构以及钢筋混凝土结构并列为五大结构之一。其中实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能、节约钢材、提高混凝土利用系数、施工方便等优点,在工程建设中得到广泛应用。SRC结构的特点是在混凝土内配置钢骨, 这些钢骨可以是轧制的, 也可以是焊接的。在大型建筑中经常配置焊接的钢骨, 可以根据构件截面大小、受力特点, 考虑到受力的合理性, 灵活选择焊接钢骨各个板件的宽度和厚度。所配置的钢骨的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双十字钢、双槽钢、十字形钢、箱形方钢管等, 工程中常用H形和十字形1 钢骨混凝土结构特点钢骨混凝土结构的技术含量高, 施工难度大, 它具有以下几个特点:1)承载力高,钢材的强度远高于混凝土的强度, 因此与钢筋混凝土结构相比钢骨混凝土结构的承载力较高, 约为钢筋混凝土结构的1520倍。2) 刚度大, 钢材的弹性模量比混凝土高出一个数量级。3)抗震性能好。4)节省钢材, 与钢结构相比可节省大量钢材。5)耐久性与耐火性好, 混凝土可以作为型钢的保护层,劲性混凝土结构的耐久性与耐火性都比钢结构好得多。2 钢骨混凝土设计要点目前, 我国有两本行业标准可供工程设计人员参考: 其一是建设部颁发的JGJ 138200113v 型钢混凝土组合结构技术规程;其二是原冶金工业部颁发的YA905220061381型钢混凝土结构设计规程。钢骨混凝土结构设计主要考虑的因素: 1) 钢骨的含钢率 3:关于钢骨混凝土构件的最小和最大含钢率, 目前没有统一的认识,但当钢骨含钢率小于2%时, 可以采用钢筋混凝土构件,而没有必要采用钢骨混凝土构件。当钢骨含钢率太大时, 钢骨与混凝土不能有效地共同工作, 混凝土的作用不能完全发挥, 且混凝土浇筑施工有困难。因此, 在冶金部行业标准YB908297钢骨混凝土结构设计规程中将钢骨含钢率定为2% 15%。一般来说,较为合理的含钢率为5% 8%。另在建设部行业标准JGJ1382001型钢混凝土组合结构技术规程中定为4% 10%。在中广大厦钢骨混凝土柱的设计中, 考虑到建设单位尽量节约钢材,节省资金的要求, 经专家委员会认可, 钢骨柱的含钢率确定为3.5%。2) 钢骨的宽厚比:钢板的厚度不宜小于6mm, 一般为翼缘板20mm以上,腹板16mm以上, 但当钢板厚度大于36mm时,钢材的厚度方向的断面收缩率应符合现行国家标准GB5313厚度方向性能钢板中的Z15级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性, 由于在焊缝附近常形成约束, 焊接时容易引起层状撕裂,焊接质量不易保证。钢骨的宽厚比应满足规范的要求。3)钢骨的混凝土保护层厚度: 根据规范规定, 对钢骨柱,混凝土最小保护层厚度不宜小于120mm, 对钢骨梁则不宜小于100mm。4) 要重视钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁在构造连接上的配合协调问题。钢骨混凝土结构与普通钢筋混凝土结构设计中不同且难度最大的是:a. 需确定钢骨柱中每根钢筋的准确位置;b. 根据钢骨这种型钢翼缘的宽度确定框架梁的宽度;c. 确定框架梁中每根钢筋的位置;d.根据柱梁钢筋的位置确定钢骨穿孔的位置;e.钢骨中穿钢筋的孔径由钢筋直径确定, 一般比钢筋直径大4mm 6mm; f.钢骨中纵横两方向穿钢筋孔的位置至少应错开一个孔径。4 钢骨混凝土的应用钢骨混凝土由于在截面中配置了型钢,可使构件承载力、刚度大大提高, 因而大大减小了构件的截面尺寸,可增加房屋的有效使用面积。此外, 型钢混凝土具有很好的延性和耗能能力, 适于在地震区应用。钢骨混凝土结构的研究和应用在国外开始较早, 我国因国情的限制, 起步较晚,工程应用就更少,我国从20世纪50年代开始应用型钢混凝土结构, 主要用于工业厂房, 如包头电厂主厂房和鞍山钢铁公司的混铁炉基础。直到1997年11月冶金工业部正式发布了有关规程, 并于1998年5月1日起施行。20世纪80年代初期, 随着我国建筑业的迅猛发展,SRC结构在我国迅速兴起。近年来,型钢混凝土在上海、广州、武汉、深圳、大连等地的高层建筑中都有所应用。型钢混凝土最初在欧美和日本的研究和应用比较多。20世纪初,西方国家为提高钢结构的防火性能, 应用了型钢外包混凝土的型钢混凝土柱。随后不久, 人们认识到这种组合柱比纯钢柱的刚度要高。1908年Burr 做了空腹式型钢混凝土柱的试验,发现型钢外包混凝土后强度和刚度都有大大提高。从1920年开始,美国、英国和欧洲一些国家相继开展了型钢混凝土的研究。1948年出版的英国BS449规范认为将钢柱埋置在混凝土中增加了截面的最小回转半径, 它是最早认为混凝土中的型钢增加了柱刚性的标准 1。目前钢骨混凝土应用需要解决的问题主要有:1) 钢骨与混凝土的共同工作; 2) 受力性能与混凝土结构的异同;3) 轴压承载力的计算; 4) 正截面承载力计算;5) 斜截面承载力计算;6) 变形和裂缝计算; 7) 节点和柱脚的链接形式。 2 钢骨混凝土结构的特点在型钢混凝土组合结构中,型钢部分与外包钢筋混凝土部分能够形成一个统一的整体, 共同承担外部荷载的作用, 可以充分发挥两种材料的性能。与其他结构形式相比, 有其巨大的优越性,简述如下。2. 1 承载力大为提高配置了型钢的构件, 尤其是配置实腹式型钢的梁、柱的抗剪承载力有很大提高, 这是因为, 一方面型钢本身就可以承担相当大的剪力,再受到混凝土的约束, 型钢腹板不易发生局部屈曲, 其强度更能得到充分发挥,另一方面混凝土自身的力学性能也得到改善。由于承载力的提高, 可使构件截面尺寸减小, 利于减轻结构的自重, 增加使用空间, 且由于自重的减轻, 也可减少基础负担,降低基础造价, 间接带来经济利益。2. 2 变形能力好混凝土与型钢相互制约,使其在使用阶段的变形能力大为改善。外包混凝土提高了结构的耐久性, 具有更大的刚度和阻尼,有利于控制结构的变形; 外包混凝土还可以防止钢骨的局部屈曲,增强了型钢的稳定性, 也利于提高构件的整体刚度。型钢具有较大的延性, 能吸收更大的能量, 因而抗震性能也好于混凝土构件。2. 3 防火能力好钢骨混凝土结构的防火性能比钢结构和混凝土结构均要优越,这主要是由于外包混凝土减慢了型钢的升温速度, 延缓了结构倒塌,提高了结构的耐火性。2. 4 施工便利钢骨本身是劲性承重骨架, 在施工阶段可以起钢骨架的作用,焊接工作量远小于一般钢结构; 可以利用钢骨承受施工阶段的荷载,并可将模板悬挂在钢骨架上, 省去支撑,加快施工速度。2. 5 经济效果显著与钢结构相比, 钢骨混凝土组合结构在保持自身承载力相同的情况下可节约钢材, 并可节省大量的焊接工作; 与普通钢筋混凝土结构相比, 钢骨混凝土结构构件的横截面积大大减小, 从而加大了建筑空间面积, 而且温度变形和噪音都较小, 施工中人工成本降低。3 结语正是基于上述钢骨混凝土结构的