第7期 2005年7月
山西焦煤科技
ShanxiCokingCoalScience&Technology
No.7
Jul.2005
・试验研究・
钢—混凝土组合结构特点分析及研究发展状况
张晓亮①
(中铁第十七集团第四分公司)
摘 要 总结了钢—混凝土组合结构四种不同类型的结构特点,阐述了近年来国内外对钢—混凝土组合结构的研究现状和发展前景,以及目前存在的一些问题,指出编写一部可供设计者、施工人员遵循的完整统一的组合结构设计规范的迫切性和重要性。
关键词 钢—混凝土组合结构;特点分析;现状;发展前景;规范
两种不同性质的材料组合成为一个整体而共同工作的构件称为组合构件。组合结构是由组合构件组成。50多年来,组合结构的研究和应用得到迅速发展,至今已成为一种公认的新的结构体系。其与钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列,已扩展成为五大结构。钢与混凝土组合结构依照钢材形式与配钢方式不同又有多种类型。目前研究较为成熟与应用较多的主要有下列各种钢与混凝土组合结构。
1)组合梁;
2)钢骨混凝土结构;3)钢管混凝土结构;
4)压型钢板和混凝土组合板。1 组合梁
3)延性好,刚度好,抗冲击、抗疲劳性能好、稳
定性好、可以减轻噪声。1.2 问题研究
组合梁桥以往多用于简支梁桥。由于是两种不同材料组成的截面,在温度变化时,混凝土板和钢梁虽然线膨胀系数相同,但它们的导热率不同,要产生温差应力;简支组合梁桥的混凝土板要产生收缩应变,应变过程与徐变过程相似,将受到钢梁的约束,由此,混凝土收缩引起的次应力,将导致截面应力进行重分布。近年来,组合梁形式扩展到多种复杂的体系上,采用的混凝土板不仅处于受压区,还要处于受拉区,往往为了克服混凝土的开裂要布置预应力筋。混凝土板在持续的预压应力的作用下,将产生收缩、徐变应力,也就会降低预加力效果,截面应力将重新分布,这也同样产生次应力。为了结构安全,找出温度、收缩徐变次应力影响程度和收缩徐变对负弯矩区段预应力效果降低程度,均是桥梁工作者十分关心的问题。重庆交通学院对次应力进行了剖析,得出以下结论:
1)混凝土板收缩引起钢梁应力的增加,其结果
组合梁桥是由混凝土板经剪力传递器与钢梁连成一体的结合截面桥梁。近年来随着公路交通的发展,组合梁形式已经扩展到连续梁、拱桥、斜拉桥、悬索桥等多种复杂的体系上,具有很好的发展前景。1.1 组合梁结构特点
组合梁首先从截面组成上充分发挥了型钢与混凝土材料各自的特长,它与普通钢筋混凝土梁相比,还有以下优点:
1)节约钢材,降低造价;2)减小截面高度;
与温度应力接近,两项影响接近恒载应力10%左右,为了结构安全,对于简支组合梁桥设计不应忽略其影响。
2)连续组合梁中混凝土板收缩、徐变影响使得
①作者简介:张晓亮 男 1978年出生 2001年毕业于石家庄铁道学院 助理工程师 晋中 030600
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
・2・山西焦煤科技2005年第7期
支点负弯矩增大,约为预应力弯矩的68.5%,余留的预应力弯矩仅为31.5%,也就是只有预应力效果的13,这是值得我们今后处理负弯矩区段时,应特别注意的问题,否则影响结构的安全。2 钢骨混凝土结构
在钢骨上布置剪切连接件如钢骨表面焊接剪力钉,防止钢骨与混凝土间的剪切破坏。2.3 钢骨混凝土结构发展状况
钢骨混凝土的应用较早,从20世纪初期开始,在建筑结构领域,尤其一些多地震国家,此结构被广泛采用。各国根据试验及工程应用的成果,制定了相应的钢骨混凝土设计条款或规范。但是许多条款或标准重点针对建筑结构,而且缺乏整体结构及节点构造的详细解释,尤其没有涉及钢骨混凝土组合材料的力学性能及钢—混凝土时效性能的特点。
我国20世纪80年代开始进行钢骨混凝土结构的一些系统的实验和理论研究。1998年颁发了《钢骨混凝土结构设计规程》其设计方法沿用了日本的标准。但在交通运输领域,目前缺乏钢骨混凝土组合桥梁结构的技术规程,主要原因是缺乏基于桥梁工程的设计荷载和标准的试验、理论分析,尤其各种钢骨混凝土桥梁结构体系的力学性能及关键技术的系统研究。
随着钢骨混凝土组合结构在桥梁工程上的优越性得到了工程界的认可,一系列重要而有影响的桥梁已建和在建中,如四川万江公路大桥,浙江温州三跨连续钢骨混凝土梁拱组合桥、将建的浙江杭州钱江四桥。加强对钢骨混凝土组合材料结构在桥梁工程应用上的认识,研究其构造特点及强度分析计算方法,对于提高钢骨混凝土组合结构桥梁的设计质量、桥梁的安全运营具有重要的实际意义。3 钢管混凝土结构3.1 结构特点
钢骨混凝土结构作为钢—混凝土组合结构的一个分支,在高层建筑结构及一些特殊结构物应用较多,在桥梁工程上的应用也已从局部构件发展到桥梁整体结构,而且正在向大跨度、多种桥梁结构形式的方向发展,取得了较好的经济和社会效益。2.1 SCR结构与RC结构比较
钢骨混凝土结构特点是在钢筋混凝土中主要配置实腹钢梁或空腹式型钢骨架组合成为一个整体共同作用。SRC结构具有与纯钢筋混凝土结构不同的特性。
相对于RC结构的优点:
1)韧性大,吸收能量大,抗震性能好;2)在同一大小的断面内,所需钢材量少;3)能采用较小的断面得到与RC结构同等的
强度,重量较轻。
相对于RC结构的缺点:1)浇灌混凝土困难;2)结构本身的造价贵。2.2 钢骨混凝土结构的构造
1)混凝土的保护层厚度要求。钢骨混凝土结构
由于钢骨的刚度较大,在温度、混凝土的收缩等因素影响下,过小的混凝土保护层易导致混凝土的开裂。考虑到构造钢筋的影响及保证结构的耐久性要求,钢骨的混凝土保护层厚度不宜小于8cm～10cm。
2)构造钢筋的布置要求。钢材与混凝土的粘结
钢管混凝土结构由于其受力性能及结构特点使其具有以下的优点:
1)受力合理,能充分发挥混凝土和钢材的特
力不足钢筋与混凝土粘结力的一半,因此在桥梁工程实践中,钢骨混凝土桥梁结构通常在外包混凝土保护层内配置普通构造钢筋、箍筋,但钢筋的直径不宜过大,而且钢筋与钢骨间的净距不宜小于3cm,以利于保护层混凝土的浇注与减少混凝土表面的开裂。
3)钢骨与混凝土间粘结滑移的要求。钢骨与混
长,使构件的承载能力大大提高。
2)具有良好的塑性性能,抗疲劳,耐冲击。3)施工简单,缩短工期,有很好的经济效果。4)具有良好的抗震性能和美好的造型。3.2 钢管混凝土的研究和发展
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。最早采用钢管混凝土的工程之一是1879年英国的Severn铁路桥桥墩,在钢管内填充混凝土以防止锈蚀并承受压力。日
凝土间的粘结力较小,尤其对于实腹式钢骨混凝土结构来说,保证钢骨与混凝土间有足够的剪切粘结力是重要的。因此,在剪切粘结力较大的区域,需要
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2005年第7期张晓亮:钢—混凝土组合结构特点分析及研究发展状况
・3・
本主要研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构,核心混凝土为素混凝土或配筋混凝土,目前的设计规程主要有AIJ(1980,1997)。我国主要集中研究在钢管中浇注素混凝土的内填型钢管混凝土结构。目前已先后由国家建材总局、建设部、国家经贸委和中国人民总后勤部颁布了有关钢管混凝土结构的设计规程,主要有JCJ01-:(19)、CECS28:90(1992)、DLT5085-(1999)和GJB(1999)。
1999
形全过程关系曲线,并和已有的国内外实验结果进行了对照,结果令人满意。但是从实际应用的角度考虑,这种理论方法显得还是比较复杂,不便于应用。4 结束语
钢—混凝土组合结构的应用日趋广泛,研究工作也逐步完善、配套,但是我国至今尚无一部完整的关于组合结构设计的国家规范。现行国家标准《钢结(GBJ17-88)中已将组合梁列为一章,构设计规范》
但是比较简单。这充分说明了目前工程界急切需要有一部完整统一的组合结构设计规范,可供设计者遵循。这部规范应当是主要建立在我国研究成果的基础上,比较成熟、完善,又适合与我国国情的规范,这应该是工程界的研究、设计、施工人员及有关学者共同完成的一项有意义的任务。
对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的方法,其区别在于如何估算钢管和核心混凝土之间相互约束而产生的“效应”。这种效应的存在构成了钢管混凝土构件的固有特性,从而导致其力学性能的复杂性。韩林海教授在这方面做了大量实验分析得出了组成钢管混凝土的钢材和混凝土的应力—应变关系模型,在此基础上,采用纤维模型法,分析了钢管混凝土构件在静力、动力和火灾作用下荷载-变
收稿日期 2005-04-19
参 考 文 献
1 孙建渊.钢骨混凝土桥梁结构的构造及强度分析研究[A].中国公路学会桥梁和结构工程学会2003年全国桥梁学术会议论文集[C].北
京:人民交通出版社,2003.9:785～791.
2 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2001:56～57.3 韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2000:90～92.
4 BingnianGong.Concrete-Steelcompositecouplingbeams[J].StructuralEngineering,2001(6):23～29.
TheSpecificCharacter,ResearchAchievementandDeveloped
ForegroundofCompositeSteel-concreteStructure
ZhangXiaoliang
Abstract Thisthesisgeneralizesthestructurecharactersoffourdifferenttypescompositesteel-concretestructure.
Thecompositesteel-concretestructure′sresearchachievementanddeveloped
foreground,alsosomeproblemsatpresenthavebeenexplained.Itisimportantandnecessarytocomposeaintegrityanduniformitycompositestructuredesignspecificationwhichcanbeprovidedtodesignersand.constructionengineers
Keywords Compositesteel-concretestructure;Analysisspecificcharacter;Presentsatuations;Developedforeground;Designspecification
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
