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摘要：根據(jù)國內(nèi)外對薄壁型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用，介紹了組合梁和組合柱這兩種主要組合結(jié)構(gòu)形式的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其已有的研究成果，重點(diǎn)分析了薄壁型鋼一混凝土這一新型組合結(jié)構(gòu)的受力特性。...

薄壁型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

吳傳偉 高軒能 金周

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院362021)

1.引言

    鋼材和混凝土是土木工程領(lǐng)域使用最廣泛的兩種材料。鋼材具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，抗拉性能優(yōu)越，但是受壓時(shí)需要考慮穩(wěn)定問題，而且價(jià)格昂貴；混凝土的抗壓性能好但抗拉力很弱，價(jià)格雖低但體積龐大笨重，會(huì)加大基礎(chǔ)的造價(jià)。為了充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)并克服其缺點(diǎn)，把它們組合起來形成一個(gè)整體，共同工作是一個(gè)可行的辦法。其中組合梁和組合柱是最常用的兩種組合形式。

    冷彎薄壁型鋼是在室溫條件下，將薄鋼帶通過輥軋或沖壓冷彎成各種形狀的截面型鋼，它用相對較少的材料承受較大的外載，不是單純用增大截面面積，而是通過改變截面形狀的方法獲得，稱之為高效截面型鋼。與普通鋼材相比，冷彎薄壁型鋼具有節(jié)材高效、耗鋼少、自重輕、制造運(yùn)輸簡便、安裝工期短、可重復(fù)拆用、容易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)中。本文擬對薄壁型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以推動(dòng)此一新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

2.薄壁型鋼一混凝土組合柱的性能研究

    薄壁型鋼一混凝土組合柱主要是指薄壁鋼管混凝土組合柱，它是在薄壁鋼管中填充混凝土，將鋼管和混凝土的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起的一種新型組合結(jié)構(gòu)形式。具有承載力高、抗震性能好、施工方便快捷、耐火性能和火災(zāi)后性能好、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

    2.1國外研究進(jìn)展

    國外對薄壁鋼管混凝土柱的研究主要集中在澳大利亞、美國、日本和新加坡等國家。早在1932年Karman等人…就研究了軸壓下薄板的力學(xué)性能，建立并解釋了“有效寬度”理論。1992年Hanbin Ge等人對薄壁方鋼管混凝土柱的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了研究，研究顯示鋼管的寬厚比和鋼管內(nèi)加勁肋的剛度對柱的力學(xué)性能具有較大的影響，并通過鋼管混凝土柱和空鋼管的實(shí)驗(yàn)對比，證明由于混凝土的存在薄壁鋼管混凝土柱的強(qiáng)度和延性都得到大大的提高。考慮混凝土的尺寸效應(yīng)和薄壁板的局部屈曲，得到了承載力計(jì)算的簡化公式。1993年，H． D．Wright對空方鋼管的局部屈曲性能進(jìn)行了研究，提出了薄壁鋼管混凝土柱在軸壓下，為了防止鋼管局部屈曲，必須限制鋼管寬厚比的最大限值，并建立了理論模型。l995年他又提出了防止薄壁鋼管t昆凝土在受彎、受剪的情況下鋼管屈曲的寬厚比的最大限值。l996年，BUy采用半解析有限條元模型分析了鋼管混凝土構(gòu)件中鋼板的臨界屈曲應(yīng)力。研究得出鋼板在縱邊有約束情況下的屈曲系數(shù)為10．30，比四邊簡支板的屈曲系數(shù)4．0高出很多。1997年O’Shea和Bridge進(jìn)行了圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，采用了圓柱體強(qiáng)度分別為50MPa和80MPa的兩種混凝土，構(gòu)件截面徑厚比(D／t)為58．5—220。其中軸壓試件22個(gè)，偏壓試件l7個(gè)。研究結(jié)果表明，對于軸壓試件，采用50MPa的試件的鋼管對其核心混凝土有約束效果，而采用強(qiáng)度為80MPa的試件只有在D／t小于125時(shí)才產(chǎn)生對其核心混凝土的約束作用。荷載偏心率對鋼管和核心混凝土之間的相互作用也有較大影響，且只有當(dāng)荷載偏心率較小時(shí)鋼管對其核心混凝土有約束作用。1998年 Ref提出了薄壁空鋼管平板的彈性屈曲應(yīng)力公式。同年Brain Uy對方鋼管混凝土軸心受壓時(shí)鋼管的局部屈曲問題進(jìn)行了研究。進(jìn)行了l0個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)8／t在40—100之間變化。研究結(jié)果表明，由于在受力過程中鋼管和核心混凝土之間的相互作用，鋼管混凝土構(gòu)件中鋼管的局部屈曲大大滯后于空鋼管構(gòu)件。Brain Uy還對薄壁方鋼管混凝土中鋼板的局部屈曲和屈曲后性能進(jìn)行了研究，分析了局部屈曲對極限抗壓強(qiáng)度的影響，并在有效寬度法的基礎(chǔ)上提出了極限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式。l999年，J．Brauns對鋼管混凝土柱在軸壓下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得到了與混凝土應(yīng)力水平相對應(yīng)的彈性模量和泊松比，從而確定了各部分材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。2000年8月進(jìn)行了30個(gè)方鋼管混凝土短試件在軸壓、純彎和偏壓荷載作用下力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究。確定了局部屈曲臨界力和板的有效寬度，并在前人研究的基礎(chǔ)上提出了板的極限抗壓強(qiáng)度和壓彎組合強(qiáng)度模型，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對其進(jìn)行了校核。同年Yi Zhen9等人研究發(fā)現(xiàn)薄壁方鋼管柱容易發(fā)生由鋼管的局部屈曲引起的破壞，并且地震荷載是以壓彎形式作用在柱上。研究了翼緣寬厚比、軸壓強(qiáng)度、加勁肋的長細(xì)比、截面形式和鋼管的高寬比對薄壁方鋼管鋼柱的影響。并利用彈塑性大變形FEM理論，在考慮殘余應(yīng)力和初始缺陷下，得出了經(jīng)驗(yàn)屈曲公式。2002年，N．E Shanmugam等人通過研究得出，鋼管的局部屈曲是柱破壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，他們利用有效寬度理論得出了薄壁方鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能和軸壓承載力公式。用該公式計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際值吻合得非常好，而且該簡化公式不受加載條件的限制。同年Hanmugam基于板件局部屈曲的有效寬度理論提出方、矩形鋼管混凝土柱承載力計(jì)算模型，該模型能夠考慮不均勻壓力分布情況。

    2.2國內(nèi)研究進(jìn)展

    目前我國對薄壁鋼管混凝土柱的研究才剛剛起步。l999年，呂西林[4]等進(jìn)行了6個(gè)方鋼管混凝土軸心受壓短柱力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，方鋼管混凝土軸壓短柱具有較好的延性和較高的承載力，但構(gòu)件的延性隨B／t的增大有降低的趨勢。2002年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王秋萍共對26根圓形、方形和八邊形薄壁鋼管普通混凝土短柱和薄壁鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行了軸壓實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在確定了薄壁鋼管壁冷彎后強(qiáng)度的提高值和屈曲系數(shù)的取值后，以有效寬度理論為基礎(chǔ)，通過對國內(nèi)外及自己實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，回歸了薄壁鋼管混凝土短柱的混凝土提高系數(shù)與套箍系數(shù)，由此推導(dǎo)了薄壁鋼管混凝土短柱的極限抗壓承載力實(shí)用計(jì)算公式。何保康等研究了矩形鋼管混凝土柱中鋼板的局部屈曲問題，假設(shè)核心混凝土為線彈性體，并利用彈性無限半空間理論，證明鋼管中的核心混凝土材料可視為剛性材料，提出了非加載邊固定板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算公式，得到鋼板局部屈曲系數(shù)為l0．67。2003年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曹寶珠首先采用切線模量理論對方形及八邊形薄壁鋼管混凝土長柱進(jìn)行了軸壓和偏壓承載力計(jì)算及全過程分析，同時(shí)考慮了初彎曲、截面初始偏心等因素的影響，還考慮了薄壁鋼管局部屈曲對長柱整體穩(wěn)定承載力的影響，認(rèn)為薄壁鋼管發(fā)生局部屈曲后，長柱的塑性變形主要集中在柱中部，形成一個(gè)塑性區(qū)，從而使計(jì)算模型更為合理、準(zhǔn)確。這一計(jì)算模型與過去通常僅假定其為正弦曲線的荷載一曲率關(guān)系有所不同，更為準(zhǔn)確地考慮了長柱中部混凝上在較大偏心壓力作用下的非線性性能。2004年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的許輝對20根薄壁鋼管混凝土長柱的靜力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，回歸了方形薄壁鋼管混凝土長柱極限承載力公式，并在實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上對薄壁鋼管混凝土長柱的工程應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。2005年，陳勇、張耀春等根據(jù)無

    肋單向及雙向設(shè)置斜肋的9個(gè)方形薄壁鋼管混凝土長柱的軸壓和偏壓試驗(yàn)結(jié)果，用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多元回歸分析評價(jià)了加載初始偏心距、斜肋集合長度對長柱極限承載力的影響。同年陶忠、韓林海等對l5個(gè)薄壁鋼管混凝軸壓短柱和4個(gè)空鋼管軸壓短柱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)研究了方形、矩形鋼管高厚比和加勁肋剛度對帶肋薄壁鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能的影響。對加勁肋的合理剛度，加肋后對構(gòu)件延性的影響，構(gòu)件的荷載一縱向應(yīng)變關(guān)系等進(jìn)行了探討。

    隨著對薄壁型鋼混凝土組合柱研究的深入，這種結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用也越來越廣泛。l999年落成的深圳賽格廣場大廈就全部采用鋼管混凝土組合柱作為其主要承重構(gòu)件。深圳北站大橋是我國首座全組合拱橋結(jié)構(gòu)，主跨150m，拱肋為鋼管一混凝土桁肋，橋墩采用鋼管一混凝土柱結(jié)構(gòu)。

3.薄壁型鋼一混凝土組合梁的性能研究

    薄壁型鋼一混凝土組合梁是由冷彎薄壁型鋼和混凝土組成并聯(lián)合成為整體而共同工作的一種結(jié)構(gòu)形式，可充分發(fā)揮冷彎薄壁型鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)勢，具有抗震性好、承載力高、抗火性能優(yōu)越、節(jié)約鋼材、施工速度快、木材消耗量小、工廠化程度高、形式靈活等特點(diǎn)，因此在工業(yè)廠房、橋梁及民用建筑(特別是輕鋼住宅)中，擁有巨大優(yōu)勢，得到日益廣泛的應(yīng)用。

    3.1國外研究進(jìn)展

    國外對組合梁的研究較早，l912年Amkren ES提出了“換算截面理論”，該理論以初等彎曲理論為基礎(chǔ)，根據(jù)總力不變及應(yīng)變相同的原則，把混凝土板換算成鋼截面，并不考慮鋼梁和混凝土之間的滑移，認(rèn)為截面的應(yīng)力呈線性分布，它適用于彈性階段分析。l951年Newmark NM提出了“不完全交互理論”，該理論假設(shè)抗剪連接是連續(xù)的，滑移與荷載成正比，且鋼梁和混凝土板具有同樣的豎向位移。在60年代Thurli— mann提出了“極限強(qiáng)度理論”，該理論假定鋼梁達(dá)到全截面屈服來確定極限彎矩和中和軸位置，故又稱為“簡化塑性理論”。該理論在世界各國都得到了較大的應(yīng)用。我國的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017--2003)及高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ99—98)的有關(guān)章節(jié)就主要是以該理論為基礎(chǔ)建立起來的。l993年，D．J OehlersE6]對薄壁型鋼一混凝土組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了抗剪和抗彎破壞兩種情況。結(jié)果表明：荷載達(dá)99％的極限荷載時(shí)滑移才出現(xiàn)，側(cè)壁鋼板可提高抗剪強(qiáng)度50％，但并不減小組合梁的延性，這一點(diǎn)和普通的鋼筋混凝土梁有所不同。1994年，D-J．OehlersL73等分析了裝配式輕鋼混凝土組合梁的抗彎性能，采用能量法推導(dǎo)了組合梁中薄壁型鋼的彈性屈曲系數(shù)，并給出了屈曲后的有效寬度計(jì)算的方法，在此基礎(chǔ)上建立了薄壁型鋼一混凝土組合梁的簡化計(jì)算方法。l995年，8．Uy和M．A．Bradford試驗(yàn)研究了薄壁型鋼一混凝土組合梁的屈曲性能、彎曲性能以及鋼和混凝土之間的滑移，結(jié)果表明：由于混凝土的存在，減小了薄壁鋼板屈曲的半渡長，有效地提高了鋼材的屈曲承載力。1998年，K.M.M Hossain，I．Mol，H．D．White對內(nèi)填普通混凝土(NC)及火山灰骨料(VPC)的薄壁型鋼組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：由于內(nèi)填混凝土提供的約束作用，鋼板屈曲的形式不同。屈曲承載力有所提高；組合梁的強(qiáng)度取決于箱型截面上部受壓區(qū)鋼板的屈曲承載力，梁的性能及強(qiáng)度提高可通過加強(qiáng)開口處的鋼板的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)。

    3.2國內(nèi)研究進(jìn)展

    比較而言，國內(nèi)研究的時(shí)間較晚，1998年，清華大學(xué)聶建國教授對冷彎薄壁型鋼～混凝土組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：鋼與混凝土交界面的自然粘結(jié)破壞后，滑移效應(yīng)對冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在使用荷載下變形的影響不能忽略不計(jì)，他將成果應(yīng)用到2棟高層建筑的樓層設(shè)計(jì)中，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2002年，福州大學(xué)林于東、宗周紅[8]等人對l2根模型梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。2003年，郭紅梅，徐利明研究了交接面相對滑移對帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁變形的影響，建立了交接面滑移微分方程，并得到了帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在跨中集中荷載、兩點(diǎn)對稱荷載及均布荷載作用下的撓度計(jì)算公式。但公式比較繁瑣，不適合工程實(shí)際應(yīng)用，有待于進(jìn)一步的簡化。

    薄壁型鋼一混凝土組合梁在我國正處于快速發(fā)展時(shí)期，并被逐步應(yīng)用到工程實(shí)際中。承德鋼鐵廠18m長的吊車梁，湖北荊門熱電廠加熱器平臺梁都是采用組合梁結(jié)構(gòu)。薄壁型鋼一混凝土組合梁還被廣泛應(yīng)用到民用建筑中。比如，世界第三高建筑——高420m的上海金茂大廈，所用的就是組合梁樓蓋結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)語

    薄壁型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮了鋼材和}昆凝土兩種材料優(yōu)點(diǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，

    是結(jié)構(gòu)工程科學(xué)一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著理論研究的深入和完善，試驗(yàn)研究的進(jìn)步和發(fā)展以及施工工藝的提高，薄壁型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)中，具有廣闊的發(fā)展前景，將在21世紀(jì)的土木工程中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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[8]林于東，宗周紅．帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合粱受彎強(qiáng)度．工業(yè)建筑，2002，32(9)

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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