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度、高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的大量生產(chǎn)，我國已進入了大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的新時期。目前，普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的受力性能分析和設(shè)計方法已比較成熟，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，同時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。同時鋼管對混凝土有較強的約束作用，提高了混凝土的軸向抗壓強度，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﹑強度和整體穩(wěn)定性，同時應(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，對于多層結(jié)構(gòu)可以不設(shè)置支撐構(gòu)件。 
    （四）維護結(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。其特點是生產(chǎn)工廠化，制作機械化，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)值需要由試驗確定。目前，輕鋼-混凝土組合梁還正處于研究開發(fā)階段。