钢与混凝土组合结构的多种结构形式及其性能特点

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摘  要：组合结构的使用已经广泛，其中钢与混凝土的组合结构是最为常见的结构形式，而且相当成熟，已经自成独立的结构体系。在我国，组合结构仍属新的结构形式，随着大量建筑物的兴建，组合结构作为新兴结构得到越来越广泛的采用，应用前景越来越好。所以，对钢与混凝土组合结构的结构形式及性能特点有一定的了解是很有必要的。本文就这些方面对不同的组合结构形式展开介绍。
关键词：钢与混凝土组合结构，结构概念，特点
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
组合结构是指由两种以上性质不同的材料组合成整体，并能共同工作的构件。组合结构体系也将成为继传统的四大结构体系（钢结构、钢筋混凝土结构、木结构和砌体结构）以后的第五大结构体系。因此，对组合结构有一个基本的了解是必不可少的。而钢与混凝土组合结构是目前建筑业应用最为广泛的组合结构，在此，我们对钢与混凝土组合结构做一个简单的介绍，了解其不同的结构形式以及特点。
钢与混凝土组合结构的主要类型包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、方钢管混凝土结构以及钢与混凝土组合剪力墙结构等等。下面我们对不同的结构类型做具体的介绍，了解它们的种类、特点、应用范围及基本的计算原理。
2 压型钢板与混凝土组合板
2.1 组合板的概念
压型钢板是将厚度为0.7~2mm的薄钢板压制成带凹凸肋及各种槽纹的波形板，在压型钢板上浇筑混凝土，使其与压型钢板组合在一起，整体共同工作，形成组合板。(见图2.1)
图2.1 压型钢板与混凝土的组合连接
2.2 组合板的特点及应用范围
组合办的特点是受压性能好，刚度大的混凝土主要分布在受压区，受拉区由压型钢板承受，使不同性质的材料发挥出其各自的性能，受力合理。同时，由于压型钢板的工厂化，减少了模板钢筋的制作、安装工作，使得组合板的施工速度快，加快了施工进度，从而得到建设者的特别青睐。
组合板可以用作楼面板、屋面板与工业厂房中的操作平台板等，目前已广泛应用于高层、超高层建筑当中。
2.3 组合板的计算理论简介
组合板的计算是按照施工和使用两个阶段来设计计算的。在施工阶段，压型钢板作为浇筑混凝土的底模，进行承载力计算和挠度计算，采用的是弹性设计方法，不考虑混凝土的抗弯刚度，荷载的取值采用标准值；其中，承载力能力计算只需正截面满足要求，在变形计算中，对于不满足变形要求的组合板，应采取加临时支撑等措施来减小该阶段压型钢板的变形。
在使用阶段，混凝土达到设计强度，应按照组合结构来计算，采用的是塑性设计方法，截面刚度采用换算截面法，荷载取值应改为采用设计值；组合板的承载力计算包括正截面受弯计算、斜截面受剪计算及交界面的纵向水平剪切粘结计算，另外需要注意的是，使用阶段的变形计算应考虑两阶段的变形效应之和。
3 组合梁
3.1组合梁的概念及组成
型钢作为梁的腹板、混凝土作为梁的翼缘组合在一起，共同工作构成T型或倒L型组合梁。混凝土与型钢之间用剪切连接件可靠连接。
组合梁主要由钢梁、混凝土翼缘板和剪切连接件，一般还会设置板托，可以增大量截面。钢材会采用槽钢型（见图3.1）、工字钢和蜂窝型（见图3.2）
     
图3.1 槽钢组合梁结构               图3.2 蜂窝型组合梁结构
3.2 组合梁的特点及应用范围
同组合板，组合梁的受力合理，能充分发挥其受压性能的特点，而且下面的钢梁在混凝土的约束下，避免了钢梁受压时发生整体和局部屈曲的特点；另外，施工时可省去模板，提高了施工速度；由于组合梁相对于钢筋混凝土重量轻，这对地震区建筑具有重要意义，也是其突出特点。综合上述几点优越处，组合梁被广泛应用于桥梁、工业房屋与高层、超高层民用建筑中。
3.3 组合梁的计算理论简介
组合梁截面的承载力计算理论有两种，一种是弹性理论法，一种是考虑截面塑性发展的塑性计算理论。这两种理论的应用范围也略有差别，且在挠度计算时均应采用弹性理论方法。另外，组合梁的计算也应按二阶段受力进行计算。
按弹性理论计算时，首先应确定组合梁截面特征，计算有效宽度、惯性矩和弹性抵抗矩；这部分计算比较复杂，在整个计算过程中具有很重要的作用。接下来的计算就相对简单，施工阶段按照钢结构理论进行，包括受弯、受剪承载力计算，在使用阶段，则按照组合结构计算，也包括受弯、受剪承载力计算，但是要注意有时需要考虑长期荷载作用，故要考虑混凝土徐变的影响。
一般情况下，当钢梁截面属于纤细截面，是按弹性理论计算，而当其属于密实截面时，由于不至于板件局部屈曲而影响承载力，可以按照塑性理论设计。其中组合梁截面特征计算和施工阶段计算都同弹性理论设计，在使用阶段，进行正截面受弯、斜截面受剪承载力计算时，则不同于弹性理论，相比较而言应该简单点。
组合梁还包括剪切件、托板等部分，这些计算也有多种设计法。另外，对部分组合梁还需进行稳定性计算和变形计算，这些都需要满足要求，所以对于组合梁的计算内容很多，需要考虑完整。
3 型钢混凝土结构
3.1 概念
在混凝土中配置型钢或以配型钢为主的结构称为型钢混凝土结构。这种结构同钢筋混凝土结构相比，不在配置钢筋及箍筋，同组合板、组合梁相比，它可以作柱，又可以作梁，也可以作墙与筒体，应用范围更为广泛。不同形式配钢的混凝土柱见图4.1。