型钢混凝土结构的发展及应用

1 概述

型钢混凝土结构 (Steel Reinforced Concrete Composite Structures)(简称SRC 结构)是指主要配置轧制或焊接型钢，也配有构造钢筋及少量受力钢筋的混凝土结构，常用截面形式如图1所示。型钢混凝土结构在国外也被称为混凝土包钢结构、劲性钢筋混凝土结构或钢骨混凝土结构。根据混凝土中型钢配置形式的不同，型钢混凝土结构可以分为实腹式型钢混凝土和空腹式型钢混凝土两大类。由于型钢混凝土结构具有强度刚性大，延性好，抗震能力强，防火防腐蚀性能好及便于施工等一系列优点，已经广泛应用于框架结构、框架-剪力墙结构、底部剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等结构体系中。本文对型钢混凝土结构的特点进行分析，并详细介绍型钢混凝土结构在我国的发展和应用情况。

图1  常见SRC构件截面形式

2 型钢混凝土结构的特点^[1-3]

（1）结构受力合理，具有较好的抗震性能
型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，混凝土与型钢共同受力。由于在截面中配置了型钢，使构件的承载能力、刚度大大提高，因而大大减小了构件的截面尺寸。由于型钢外包混凝土，可以防止钢构件的局部屈曲，提高了钢构件的整体刚度，显著改善了钢构件平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。而且型钢混凝土组合结构的延性和耗能性能明显优于钢筋混凝土结构，抗震性能强。
（2）结构施工方便
由于型钢骨架自身的结构性能，可以承担一定的施工荷载。型钢混凝土结构施工时，型钢可以作为施工支架，同时可作为下层结构浇筑混凝土的操作平台。而且型钢混凝土结构不受混凝土需达到一定强度的限制，可进行后续施工作业，有效缩短了施工周期。
（3）节约建筑材料，综合效益好
与钢结构相比，型钢混凝土结构可节约钢材达50%以上，降低了造价。另外，外包混凝土也增加了结构的耐久性和耐火性，避免了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差，需要经常维护的弱点。与钢筋混凝土结构相比，构件的截面尺寸小，自重轻，可以增加使用面积，便于建筑灵活布置。

3型钢混凝土结构在我国的应用

50年代初，我国从前苏联引进了SRC结构，主要用于工业厂房。包头电厂的主厂房和鞍山钢铁公司的沉铁炉基础是由前苏联设计，由我国施工的SRC结构，后来由于片面追求节省钢材，其应用只限于少量工业厂房和特殊结构，并于60年代末，这种结构几乎停止使用。随着我国建筑业迅猛发展，在我国北京、上海、大连等地也相继建成了一批型钢混凝土结构高层建筑，典型的有北京香格里拉饭店，24层，柱采用型钢混凝土柱，梁采用组合梁；上海瑞金大厦，地上27层，地下1层，高107米，由型钢混凝土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架组成；上海金贸大厦主体结构采用核心筒加圈复合巨型柱，在主体核心筒外围4个立面处成对规则地布置的8根巨型柱是由宽翼H 型钢、钢筋、高强混凝土复合而成，复合柱内的H型钢相隔一定高度与外伸桁架的钢梁和斜撑相连接，既能承受重力，又能抵抗横向风荷载和地震作用；香港中心大厦是一座现代化智能型超高层建筑，地上建筑高度为292米，采用型钢混凝土组成巨型结构体系。
此外，型钢混凝土结构也广泛应用于桥梁工程中，特别是钢-混凝土叠合板组合梁推广较快。因为其省掉了高空支模工序和模板，用于桥梁可以不中断下部交通，具有较好的综合效益。1993年，北京市市政工程设计研究总院设计的北京国贸桥，在二个主跨采用了钢-混凝土叠合板连续组合梁结构，当时叠合板组合梁在国内城市立交桥中的应用尚属首次。其综合效益为：（1）比原现浇桥面板方案节省近1000m²的高空支模工序和模板，减小现场湿作业量，缩短工期，且不中断下部交通；（2）比钢筋混凝土梁桥自重减轻约50%；（3）比钢桥节省钢材3000吨左右。钢-混凝土叠合板组合梁在桥梁结构中的应用成功地实现了“轻型大跨，预制装配，快速施工”的目的，符合我国城市立交桥建设的国情。建成国贸桥以后，仅北京又有6座大跨立交桥的主跨采用了钢-混凝土叠合板组合梁结构，最大跨度已达到70m。此外，上海南浦大桥和杨浦大桥的桥面结构也采用了钢-混凝土叠合梁结构。国内深圳、长沙、岳阳、海口、鞍山、石家庄、济南、西安等城市也正在建造大跨钢-混凝土叠合板组合梁桥结构，最大跨度已达到95m。

4 型钢混凝土结构在我国的发展

型钢混凝土结构在我国应用和研究的时间还不长，但经过试验研究和工程实际应用， 1998年冶金工业部颁发了我国第一部型钢混凝土结构行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082-97)。2002年，建设部颁布了国内第二部型钢混凝土结构行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）。两部规程的颁布推进了我国工程结构领域的技术进步，推动了型钢混凝土结构在我国的应用。
目前我国对型钢混凝土结构的研究从一般的梁、柱局部构件试验研究和理论分析发展到对各种复杂的节点构造、结构整体模型的试验研究和理论分析，主要成果如下^[4-8]：
（1）型钢与混凝土的共同工作性能。SRC结构中，型钢与外包混凝土能否变形协调，是两者共同工作的基础，因此国内学者对钢-混凝土材料的构成对结构刚度及承载力的影响、SRC的黏性滑移性能、型钢混凝土构件中剪力传递机理、考虑自然粘结的型钢混凝土结构锚固可靠度问题等进行研究。
（2）型钢混凝土构件自身的力学性状研究。主要包括SRC柱的轴压性能、压弯性能、抗剪性能和抗震性能；SRC梁的抗弯性能，抗剪性能、刚度和裂缝宽度计算方法；SRC梁—柱节点的承载力、刚度和构造研究。
（3）型钢混凝土结构在桥梁设计方面的问题研究，主要涉及型钢混凝土桥梁结构的节构造分析与处理；型钢混凝土桥梁结构全过程时效分析等问题。

5 结语

由于型钢混凝土结构承载力高、抗震和抗火性能好、造价适中等特点，使得其在高层与超高层建筑、大跨度公共建筑以及大型重型工业厂房中得到广泛的应用。目前多种新型型钢混凝土结构被研究开发出来，但很多还缺乏深入系统的研究，设计理论和设计方法还需要完善，我们应对其关键技术进行更深入的研究，编制出相关技术规程，推动型钢混凝土结构在我国的发展与应用。
 
参 考 文 献

1. 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构[M]. 北京：科学出版社, 2001.
2. 钟善桐. 高层钢—混凝土组合结构M].  广州：华南理工大学出版社, 2002.
3. 聂建国, 刘明, 叶列平. 钢—混凝组合结构[M].北京：中国建筑工业出版社, 2005.
4. 杨勇. 型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究[D].西安：建筑科技大学, 2003.
5. 李俊华, 赵鸿铁, 薛建阳等. 型钢混凝土粘结损伤本构模型[J]. 工业建筑，2005，35（1），69-81.
6. 杨勇, 郭子雄, 聂建国等. 型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究[J].工程力学，2006，23（4），79-85.

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