【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 但是，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)所用材料單價(jià)較高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工等比較復(fù)雜，而且針對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究工作也有待進(jìn)一步深入和完善。另外，鋼結(jié)構(gòu)也是土木工程的主要結(jié)構(gòu)種類之一，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。和其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）強(qiáng)度高，重量輕鋼結(jié)構(gòu)的容重雖然較大，但與其它建筑材料相比，它的強(qiáng)度卻高很多，因而當(dāng)承受的荷載和條件相同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)要比其它結(jié)構(gòu)輕，便于運(yùn)輸和安裝，并可跨越更大的跨度。2）材性好，可靠性高鋼材由鋼廠生產(chǎn)，質(zhì)量控制嚴(yán)格，材質(zhì)均勻性好，具有良好的塑性和韌性，比較符合理想的各向同性彈塑性材料，因此目前采用的計(jì)算理論能夠較好地反映鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，可靠性高。3）工業(yè)化程度高，工期短鋼結(jié)構(gòu)都為工廠制作，具備成批大件生產(chǎn)和成品精度高等特點(diǎn)。采用工廠制造、工地安裝的施工方法，有效地縮短工期，為降低造價(jià)、發(fā)揮投資的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造了條件。4）密封性好鋼結(jié)構(gòu)采用焊接連接后可以做到安全密封，能夠滿足一些要求氣密性和水密性好的高壓容器、大型油庫(kù)、氣柜油罐和管道等的要求。5）抗震性能良好鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕和結(jié)構(gòu)體系相對(duì)較柔，受到的地震作用較小，鋼材又具有較高的抗拉和抗壓強(qiáng)度以及較好地塑性和韌性，因此在國(guó)內(nèi)外的歷次地震中，鋼結(jié)構(gòu)是損壞最輕的結(jié)構(gòu)，已公認(rèn)是抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)的最合適結(jié)構(gòu)。6）耐熱性較好溫度在250℃以內(nèi)，鋼材性質(zhì)變化很小，鋼結(jié)構(gòu)可用于溫度不高于250℃的場(chǎng)合。當(dāng)溫度達(dá)到300℃以上時(shí)，強(qiáng)度逐漸下降，600℃時(shí)，強(qiáng)度降至不到三分之一，在這種場(chǎng)合，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)必須采取防護(hù)措施。當(dāng)然，鋼結(jié)構(gòu)的下列缺點(diǎn)有時(shí)也會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：1）鋼材價(jià)格相對(duì)較貴采用鋼結(jié)構(gòu)后結(jié)構(gòu)造價(jià)會(huì)略有增加，往往影響業(yè)主的選擇。其實(shí)上部結(jié)構(gòu)造價(jià)占工程總投資的比例很小，采用鋼結(jié)構(gòu)與采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間的結(jié)構(gòu)差價(jià)占工程總投資的比例就更小。以高層建筑為例，前者約為10%，后者則不到2%。顯然，結(jié)構(gòu)造價(jià)單一因素不應(yīng)作為決定采用何種材料的主要依據(jù)。如果綜合考慮各種因素，尤其是工期優(yōu)勢(shì)，則鋼結(jié)構(gòu)將日益受到重視。2）耐銹蝕性差新建造的鋼結(jié)構(gòu)一般隔一定時(shí)間都要重新刷涂料，維護(hù)費(fèi)較高。目前國(guó)內(nèi)外正在發(fā)展各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼，鋼結(jié)構(gòu)耐銹蝕性差的問題有望得到解決。3）耐火性較差鋼結(jié)構(gòu)耐火性較差，在火災(zāi)中，未加防護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)一般只能維持20分鐘左右。因此需要防火時(shí)，應(yīng)采取防火措施，如在鋼結(jié)構(gòu)外面包混凝土或其他防火材料，或在構(gòu)件表面噴涂防火涂料等。目前國(guó)內(nèi)外正在研制耐火性能好的耐火鋼，以降低防火措施的費(fèi)用?，F(xiàn)在鋼材已經(jīng)被認(rèn)為是可以持續(xù)發(fā)展的材料，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的觀點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)將有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。然而，從以上概述可以看到，無(wú)論是單一的混凝土結(jié)構(gòu)，還是單一的鋼結(jié)構(gòu)，都各有優(yōu)缺，在不同時(shí)候不同地方有著不可替代的作用，也有著各自的局限性。那么何嘗不考慮將二者結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短？于是，混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。常見的混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式包括混凝土柱上鋼屋蓋房屋結(jié)構(gòu)、混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架中采用鋼結(jié)構(gòu)連廊等。由于柱主要承受壓力，采用混凝土柱可以充分發(fā)揮混凝土的材料特性，且可以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和免去防火、防腐蝕的處理，同時(shí)具有良好的可模性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于截面復(fù)雜的異形柱。而采用鋼梁等構(gòu)件，可以使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大的跨度，尤其是輕鋼屋蓋被廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、超市等房屋。在混凝土結(jié)構(gòu)中局部采用鋼構(gòu)件，不僅可以使房屋在功能上靈活多變，在視覺上輕巧舒適，還可以采用工廠制造、工地安裝的施工方法，有效地縮短工期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)于混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既需要參考混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，又需要考慮二者的共同受力機(jī)制，尤其是混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的連接處需重點(diǎn)考慮。（1）建模計(jì)算對(duì)于混凝土柱上鋼屋蓋房屋結(jié)構(gòu)、混凝土框架中鋼結(jié)構(gòu)連廊等，為便于建模分析，常分開建模，最后將屋面荷載及屋蓋自重（或連廊荷載及自重）以集中力的形式施加到混凝土框架上。這種建模分析方法可以快速建模，將混凝土結(jié)構(gòu)部分與鋼結(jié)構(gòu)部分單獨(dú)計(jì)算分析，有效提高工作效率。然而，這樣的計(jì)算模型是不準(zhǔn)確的，甚至有時(shí)是不合理的。因?yàn)檫@種建模分析方法忽略了混凝土結(jié)構(gòu)部分與鋼結(jié)構(gòu)部分的共同作用，將連接節(jié)點(diǎn)視為鉸接，而實(shí)際中不存在絕對(duì)的鉸接，甚至有時(shí)是剛接，因此在風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載作用下誤差較大，值得設(shè)計(jì)人員警惕。另外，鋼屋蓋屬于彈性樓蓋，抗震計(jì)算時(shí)不能采用剛性樓板假定，這一條經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員錯(cuò)用。對(duì)于混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)，常按照普通混凝土框架結(jié)構(gòu)建模，只是將局部構(gòu)件定義為鋼截面。這種建模分析方法方便快捷，但也存在不合理之處。首先混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)是兩種完全不同的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算方法也截然不同，現(xiàn)在將二者建立在同一個(gè)模型中，必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力、構(gòu)件驗(yàn)算等出現(xiàn)錯(cuò)誤。其次，計(jì)算參數(shù)及設(shè)計(jì)指標(biāo)的混亂。比如混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為1/550和1/250，那么混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角取值就難以確定。在滿足結(jié)構(gòu)整體控制指標(biāo)的情況下，混凝土構(gòu)件主要的指標(biāo)要求是配筋率，而鋼構(gòu)件主要的指標(biāo)要求是應(yīng)力比，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)分開考慮。另外，由于鋼梁與混凝土柱常采用剛接，則節(jié)點(diǎn)區(qū)域剛度會(huì)明顯增大，在風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載作用下節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪力增大，建模分析時(shí)可考慮適當(dāng)減小節(jié)點(diǎn)剛度，以減小構(gòu)件截面尺寸，在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)則需加強(qiáng)構(gòu)造措施。（2）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)按照能否傳遞彎矩，節(jié)點(diǎn)的連接方式分為鉸接連接和剛接連接。剛接節(jié)點(diǎn)主要使用在主梁或受力較大的梁上，鉸接節(jié)點(diǎn)主要使用在次梁或受力較小的梁上。典型鉸接節(jié)點(diǎn)鉸接節(jié)點(diǎn)在鋼梁和混凝土柱連接中應(yīng)用較多。當(dāng)鋼梁跨度和受力較小，且對(duì)梁的高度沒有要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)首選鉸接節(jié)點(diǎn)。鉸接節(jié)點(diǎn)具有施工簡(jiǎn)單、傳力明確等優(yōu)點(diǎn)，而且混凝土柱只受到剪力作用，沒有彎矩產(chǎn)生，可以減小預(yù)埋鋼筋對(duì)混凝土柱的作用。此節(jié)點(diǎn)鋼梁端板靠預(yù)埋鋼筋固定在混凝土柱上，端板上伸出的連接板和鋼梁腹板采用高強(qiáng)螺栓連接。鉸接節(jié)點(diǎn)形式如圖21所示。圖21 鉸接節(jié)點(diǎn)示意圖混凝土柱外包形式為防止預(yù)埋鋼筋對(duì)混凝土柱造成破壞，可采取用鋼板將混凝土柱外包的方法。這種節(jié)點(diǎn)形式屬典型的剛接節(jié)點(diǎn)，由于其傳力可靠、抗震性能良好等特點(diǎn)已被廣泛采用，其中美國(guó)（圖22）、日本（圖23和圖24）等國(guó)的研究最為成熟（他們稱之為RCS組合節(jié)點(diǎn)）。圖22 典型的美國(guó)RCS組合節(jié)點(diǎn)示意圖圖23 日本RCS組合節(jié)點(diǎn)柱面鋼板型示意圖圖24 日本RCS組合節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)類型混凝土柱頂加鋼梁如果現(xiàn)場(chǎng)情況要求將鋼梁加到混凝土柱頂上，則需要在柱頂植化學(xué)錨栓，再固定一塊過渡板，將鋼梁放到過渡板上，化學(xué)錨栓穿過打孔的過渡板和鋼梁，用螺栓在鋼梁下翼緣上表面將其固定，柱頂梁上要加支承加勁肋（圖25）。這種節(jié)點(diǎn)在一定程度上限制了鋼梁的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是鋼梁在節(jié)點(diǎn)處易發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)保守地按鉸接節(jié)點(diǎn)計(jì)算。此做法構(gòu)造簡(jiǎn)單，但混凝土柱頂一般存在大量的柱縱筋的水平彎折段，所以對(duì)化學(xué)錨栓的打孔操作較難，不建議采用。圖25 混凝土柱頂加鋼梁節(jié)點(diǎn)示意圖混凝土柱加牛腿柱上做混凝土牛腿，或預(yù)埋鋼牛腿，鋼梁直接擱置上去，與預(yù)埋件固定避免滑動(dòng)即可（圖26）。此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工都簡(jiǎn)單，傳力明確，但無(wú)法形成框架。圖26 混凝土柱加牛腿節(jié)點(diǎn)示意圖 混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 概念 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般崛起，建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜。無(wú)論是傳統(tǒng)單一的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，還是混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件混合的混合結(jié)構(gòu)均難以滿足要求。而研究和實(shí)踐表明，鋼—混凝土組合構(gòu)件及以其為基礎(chǔ)的混合結(jié)構(gòu)恰好能滿足高層和超高建筑設(shè)計(jì)上的需要。近年來，鋼與混凝土組合構(gòu)件作為一種合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以其承載高、剛度大、截面尺寸小和良好的抗震性能等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸推廣應(yīng)用到建筑工程、公路與城市道路工程、橋梁工程、地下工程和海洋工程等土木工程領(lǐng)域中，特別是許多大城市興建的高層建筑、超高層建筑及大型橋梁等建筑物越來越多地采用組合構(gòu)件。而在組合構(gòu)件中，鋼—混凝土組合樓蓋、型鋼混凝土組合構(gòu)件和鋼管混凝土組合構(gòu)件是最為常用、技術(shù)最為成熟的三種組合形式。鋼—混凝土組合樓蓋一般指鋼梁與混凝土板（或壓型鋼板—混凝土組合板）通過抗剪連接件連接，使板作為梁的翼緣與鋼梁組合在一起的混合結(jié)構(gòu)形式（圖27）。圖27 鋼—混凝土組合樓蓋由于混凝土板與壓型鋼板—混凝土組合板對(duì)于梁、柱的受力及整體結(jié)構(gòu)性能并無(wú)太大影響，計(jì)算時(shí)只是樓面自重不同而已，所以二者歸為一類。但對(duì)于板的設(shè)計(jì)，顯然二者完全不同，且各有優(yōu)缺，詳見表21。表21 混凝土板與壓型鋼板—混凝土組合板比較混凝土板壓型鋼板—混凝土組合板1板底需配置受拉鋼筋。混凝土硬化后，壓型鋼板可作為混凝土的受拉部分，除了在適當(dāng)部位要設(shè)置鋼筋減輕混凝土收縮以及溫度變化的影響外，不必再另設(shè)鋼筋。2需裝修頂棚。壓型鋼板相當(dāng)平整，可直接作為混凝土樓層的頂棚表面，其波紋間距有預(yù)加工的槽，可供電力、通信等工程之用，省工省料，增加了樓層的有效空間，有效減少各層樓板厚度，可降低層高，節(jié)省投資。3需大量模板，施工麻煩。壓型鋼板可以直接當(dāng)作模板并承擔(dān)施工荷載，減少架模、拆模等工序，施工方便，工期短。4必須在本層澆筑的混凝土達(dá)到設(shè)定強(qiáng)度值時(shí)，才可以繼續(xù)進(jìn)行上層混凝土的澆筑。由于壓型鋼板本身具有相當(dāng)?shù)某休d力，允許本層澆筑的混凝土尚未達(dá)到設(shè)定強(qiáng)度值前，就可以繼續(xù)進(jìn)行上層混凝土的澆筑，加快施工進(jìn)度，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益。5無(wú)需防火、防銹蝕處理。壓型鋼板板底需做防火、防銹蝕處理。通過表21的比較可以看到，壓型鋼板—混凝土組合板具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此本文中的鋼—混凝土組合樓蓋均采用壓型鋼板—混凝土組合板形式。建筑壓型鋼板采用鍍鋅鋼板經(jīng)輥壓冷彎成型，其截面成V型、U型、梯形或類似這幾種形狀的波形。壓型鋼板形式多樣，如圖28所示，大致可分為開口型、縮口型和閉口型三類。其中，開口型壓型鋼板造價(jià)低、施工性能好、樓板厚度大，縮口型壓型鋼板造價(jià)較高、施工性能較好、樓板厚度較小，閉口型壓型鋼板造價(jià)最高、施工性能差、樓板厚度小。為了使壓型鋼板與混凝土板之間能夠較好地形成整體，共同工作，兩者之間的疊合面應(yīng)能夠承受和傳遞縱向剪力。因此，壓型鋼板與混凝土板之間的抗剪連接鍵成為了關(guān)鍵，栓釘是最為普遍的抗剪連接鍵（圖29）。圖28 壓型鋼板圖29 壓型鋼板—混凝土組合板中的抗剪栓釘而對(duì)于鋼—混凝土組合樓蓋，其組合梁從截面組成上充分發(fā)揮了型鋼與混凝土材料各自的特長(zhǎng)，與普通鋼筋混凝土梁、鋼梁相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）節(jié)約鋼材由于截面材料受力合理，混凝土替代部分鋼材工作，使其用鋼量大幅度下降，如采用塑性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可降低造價(jià)。2）減小截面高度由于相當(dāng)寬的混凝土板參與抗壓，組合梁的慣性矩比鋼梁大得多，可以達(dá)到降低梁高、增加層高的效果。3）延性好由于耗能能力強(qiáng)，整體穩(wěn)定性又好，在實(shí)際地震中表現(xiàn)出良好的抗震性能。4）剛度好混凝土板與鋼梁共同作用，抗彎模量增大，致使撓度減小，剛度增大。5）抗沖擊、抗疲勞性能好實(shí)際工程表明，組合梁比鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞能力。6）穩(wěn)定性好由于組合梁上翼緣側(cè)向剛度大，所以穩(wěn)定性好。加上鋼梁的受壓翼緣受到混凝土板的約束，其翼緣與腹板的局部穩(wěn)定性都得到改善。在符合一定的條件下，組合梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定可以不必驗(yàn)算，這也省去了相當(dāng)一部分鋼結(jié)構(gòu)為保證穩(wěn)定所需要的各種加勁肋的鋼材。7）使用期延長(zhǎng)由于混凝土板的存在，使得鋼梁上翼緣的應(yīng)力水平降低，由于裂縫引起的損傷較小，比起鋼梁的使用壽命提高了許多。第二類最為常見的組合構(gòu)件是型鋼混凝土構(gòu)件。型鋼混凝土組合構(gòu)件是指在混凝土中主要配置軋制或焊接型鋼，同時(shí)也配有構(gòu)造鋼筋及少量縱向受力鋼筋的構(gòu)件，主要包括型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁等（圖210）。型鋼混凝土組合構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)：1）由于截面中配置了型鋼，含鋼率不受限制，使構(gòu)件承載能力、剛度大大提高，可以大大減小構(gòu)件的截面尺寸，明顯增加建筑物的使用面積。由于梁截面高度的減小，增加了樓層凈高，降低了房屋的層高與總高。型鋼混凝土框架較之鋼框架可節(jié)省鋼材達(dá)50%以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。2）比起鋼結(jié)構(gòu)建筑，采用型鋼混凝土構(gòu)件節(jié)省了大量鋼材，降低了造價(jià)，而且避免了鋼結(jié)構(gòu)建筑防銹、防腐蝕、防火性能較差，需要經(jīng)常性維護(hù)等弱點(diǎn)。因此，型鋼混凝土組合構(gòu)件的耐久性、耐火性能等比鋼構(gòu)件均勝一籌。3）與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用型鋼混凝土構(gòu)件不僅使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度明顯增加，而且結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力均可以得到很大提高，尤其是實(shí)腹式構(gòu)件組成的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。因此，型鋼混凝土構(gòu)件對(duì)于抗震十分有利，尤其適用于地震區(qū)。4）結(jié)構(gòu)可以二次受力。澆筑混凝土以前，型鋼混凝土中的型鋼有相當(dāng)?shù)某休d力，可以懸掛模板，承受自重、后澆混凝土重和施工荷載等第一階段荷載。后澆混凝土養(yǎng)護(hù)硬化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，與型鋼、鋼筋形成整體，共同承受使用荷載。利用二次受力原理進(jìn)行型鋼混凝土梁的合理設(shè)計(jì)，可以減小梁的變形和裂縫寬度。5）顯著加快施工速度。施工安裝時(shí)，梁柱型鋼骨架本身構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)度、剛度較大的結(jié)構(gòu)體系，可以作為澆筑混凝土?xí)r掛模、滑模的骨架，不僅大量節(jié)省了模板支撐，也可以承擔(dān)施工荷載。由于沒有模板支撐，大大簡(jiǎn)化了支模工程，而且也創(chuàng)造了較大的工作面，不受梁柱模板支撐的影響。另外，不必等待下層結(jié)構(gòu)的混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度就可以繼續(xù)上層施工，不需要臨時(shí)支撐，可實(shí)行土建和設(shè)備安裝工序的平行流水作業(yè)。圖210 組合梁與型鋼混凝土組合構(gòu)件第三類最為常見的組合構(gòu)件是鋼管混凝土構(gòu)件。鋼管混凝土組合構(gòu)件是指在鋼管中澆筑混凝土而構(gòu)成的構(gòu)件，并不另配鋼筋（圖211）。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是利用鋼管約束混凝土，將混凝土由單向受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌?。由于約束混凝土的強(qiáng)度大大提高，因此使構(gòu)件承載能力顯著提高，從而構(gòu)件斷面可以大大減小。按截面形式的不同，分為方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。鋼管的主要作用是約束混凝土，所以圓形鋼管是最理想的。鋼管主要承受環(huán)向拉力，恰好發(fā)揮鋼材受拉