鋼與混凝土組合結構的多種結構形式及其性能特點

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摘  要：組合結構的使用已經廣泛，其中鋼與混凝土的組合結構是最為常見的結構形式，而且相當成熟，已經自成獨立的結構體系。在我國，組合結構仍屬新的結構形式，隨著大量建筑物的興建，組合結構作為新興結構得到越來越廣泛的采用，應用前景越來越好。所以，對鋼與混凝土組合結構的結構形式及性能特點有一定的了解是很有必要的。本文就這些方面對不同的組合結構形式展開介紹。
關鍵詞：鋼與混凝土組合結構，結構概念，特點
Abstract: The composite structure has been used widely, then steel and concrete composite structure is the most common type and quite mature, so it has become the independent structure system. In our country, the combination of structure is still a new structure form with the construction of large number of buildings,combination structure, as an emerging structure, will more and more widely used, and the application prospect will be better. Therefore, the combination of steel and concrete struction of different structure form will be introduced.
Keywords: steel and concrete composite structure ，design concept ，characteristics
1 概述
組合結構是指由兩種以上性質不同的材料組合成整體，并能共同工作的構件。組合結構體系也將成為繼傳統(tǒng)的四大結構體系（鋼結構、鋼筋混凝土結構、木結構和砌體結構）以后的第五大結構體系。因此，對組合結構有一個基本的了解是必不可少的。而鋼與混凝土組合結構是目前建筑業(yè)應用最為廣泛的組合結構，在此，我們對鋼與混凝土組合結構做一個簡單的介紹，了解其不同的結構形式以及特點。
鋼與混凝土組合結構的主要類型包括壓型鋼板與混凝土組合板、組合梁、型鋼混凝土結構、鋼管混凝土結構、方鋼管混凝土結構以及鋼與混凝土組合剪力墻結構等等。下面我們對不同的結構類型做具體的介紹，了解它們的種類、特點、應用范圍及基本的計算原理。
2 壓型鋼板與混凝土組合板
2.1 組合板的概念
壓型鋼板是將厚度為0.7~2mm的薄鋼板壓制成帶凹凸肋及各種槽紋的波形板，在壓型鋼板上澆筑混凝土，使其與壓型鋼板組合在一起，整體共同工作，形成組合板。(見圖2.1)
圖2.1 壓型鋼板與混凝土的組合連接
2.2 組合板的特點及應用范圍
組合辦的特點是受壓性能好，剛度大的混凝土主要分布在受壓區(qū)，受拉區(qū)由壓型鋼板承受，使不同性質的材料發(fā)揮出其各自的性能，受力合理。同時，由于壓型鋼板的工廠化，減少了模板鋼筋的制作、安裝工作，使得組合板的施工速度快，加快了施工進度，從而得到建設者的特別青睞。
組合板可以用作樓面板、屋面板與工業(yè)廠房中的操作平臺板等，目前已廣泛應用于高層、超高層建筑當中。
2.3 組合板的計算理論簡介
組合板的計算是按照施工和使用兩個階段來設計計算的。在施工階段，壓型鋼板作為澆筑混凝土的底模，進行承載力計算和撓度計算，采用的是彈性設計方法，不考慮混凝土的抗彎剛度，荷載的取值采用標準值；其中，承載力能力計算只需正截面滿足要求，在變形計算中，對于不滿足變形要求的組合板，應采取加臨時支撐等措施來減小該階段壓型鋼板的變形。
在使用階段，混凝土達到設計強度，應按照組合結構來計算，采用的是塑性設計方法，截面剛度采用換算截面法，荷載取值應改為采用設計值；組合板的承載力計算包括正截面受彎計算、斜截面受剪計算及交界面的縱向水平剪切粘結計算，另外需要注意的是，使用階段的變形計算應考慮兩階段的變形效應之和。
3 組合梁
3.1組合梁的概念及組成
型鋼作為梁的腹板、混凝土作為梁的翼緣組合在一起，共同工作構成T型或倒L型組合梁?；炷僚c型鋼之間用剪切連接件可靠連接。
組合梁主要由鋼梁、混凝土翼緣板和剪切連接件，一般還會設置板托，可以增大量截面。鋼材會采用槽鋼型（見圖3.1）、工字鋼和蜂窩型（見圖3.2）
     
圖3.1 槽鋼組合梁結構               圖3.2 蜂窩型組合梁結構
3.2 組合梁的特點及應用范圍
同組合板，組合梁的受力合理，能充分發(fā)揮其受壓性能的特點，而且下面的鋼梁在混凝土的約束下，避免了鋼梁受壓時發(fā)生整體和局部屈曲的特點；另外，施工時可省去模板，提高了施工速度；由于組合梁相對于鋼筋混凝土重量輕，這對地震區(qū)建筑具有重要意義，也是其突出特點。綜合上述幾點優(yōu)越處，組合梁被廣泛應用于橋梁、工業(yè)房屋與高層、超高層民用建筑中。
3.3 組合梁的計算理論簡介
組合梁截面的承載力計算理論有兩種，一種是彈性理論法，一種是考慮截面塑性發(fā)展的塑性計算理論。這兩種理論的應用范圍也略有差別，且在撓度計算時均應采用彈性理論方法。另外，組合梁的計算也應按二階段受力進行計算。
按彈性理論計算時，首先應確定組合梁截面特征，計算有效寬度、慣性矩和彈性抵抗矩；這部分計算比較復雜，在整個計算過程中具有很重要的作用。接下來的計算就相對簡單，施工階段按照鋼結構理論進行，包括受彎、受剪承載力計算，在使用階段，則按照組合結構計算，也包括受彎、受剪承載力計算，但是要注意有時需要考慮長期荷載作用，故要考慮混凝土徐變的影響。
一般情況下，當鋼梁截面屬于纖細截面，是按彈性理論計算，而當其屬于密實截面時，由于不至于板件局部屈曲而影響承載力，可以按照塑性理論設計。其中組合梁截面特征計算和施工階段計算都同彈性理論設計，在使用階段，進行正截面受彎、斜截面受剪承載力計算時，則不同于彈性理論，相比較而言應該簡單點。
組合梁還包括剪切件、托板等部分，這些計算也有多種設計法。另外，對部分組合梁還需進行穩(wěn)定性計算和變形計算，這些都需要滿足要求，所以對于組合梁的計算內容很多，需要考慮完整。
3 型鋼混凝土結構
3.1 概念
在混凝土中配置型鋼或以配型鋼為主的結構稱為型鋼混凝土結構。這種結構同鋼筋混凝土結構相比，不在配置鋼筋及箍筋，同組合板、組合梁相比，它可以作柱，又可以作梁，也可以作墻與筒體，應用范圍更為廣泛。不同形式配鋼的混凝土柱見圖4.1。