張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

鋼—混凝土組合結構的研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

針對鋼—混凝土組合結構的受扭承載力、抗火性能、節(jié)點抗震性能進行了詳細的實驗研究，對比分析了鋼—混凝土組合結構與普通混凝土結構的性能，指出鋼—混凝土組合結構由于混凝土內(nèi)部型鋼的存在可使組合試件的性能得到更好的發(fā)揮。

鋼—混凝土組合結構，受扭，節(jié)點抗震，抗火性能

鋼—混凝土組合結構是混凝土結構和鋼結構組合形成的新型結構，自身具備鋼結構和混凝土結構的優(yōu)點，相比混凝土結構自重更輕，抗震性能更強，延性也更加優(yōu)秀，與鋼結構相比耐火及抗壓性能更強。適合我國的中高層建筑領域，適用在工業(yè)建筑、民用建筑及大跨度橋梁等結構中，隨著建筑荷載復雜性的提高和建筑安全性能的要求越來越高，鋼—混凝土組合結構能有效的降低造價、縮短工期。

1 鋼—混凝土組合結構受扭分析

試驗持續(xù)過程可以分為四個階段：1)線彈性發(fā)展階段。在這個階段中可以發(fā)現(xiàn)，組合梁平衡扭矩的方式是通過翼緣正截面上存在的剪應力來達到，此時作用在鋼梁自身的扭矩相對很小。2)當鋼梁截面的主拉應力超過混凝土自身的抗拉強度時，混凝土表面開始出現(xiàn)裂紋，組合梁受到的扭矩突然增大，在應力—應變曲線上形成明顯的臺階狀。3)隨著外界作用在組合梁上的荷載不斷增大，混凝土表面的裂縫不斷發(fā)展變寬變長，此時組合梁的抗扭強度不斷下降，因扭動產(chǎn)生的變形加快，當荷載達到一定值時組合梁內(nèi)部箍筋開始屈服。4)在荷載不斷增大的過程中，混凝土翼緣板上開始出現(xiàn)分布均勻的斜裂縫并逐漸貫通截面上下，進入不穩(wěn)定的發(fā)展階段，部分混凝土因受壓扭開始破壞，脫離主體，內(nèi)部鋼筋也開始屈服，此時組合梁完成受扭破壞。受扭承載力影響因素分析:組合梁承受的彎矩主要由混凝土翼板承擔，綜合考慮分析得極限承載力的主要影響因素是翼板的截面面積，如果提高翼板構件的厚度可以發(fā)現(xiàn)組合梁的受扭承載力會顯著提高，相對提高翼板厚度來說增加配箍率對承載力的提升影響很小。實驗中，當各方面作用相同時，組合梁的抗扭承載力是在配箍率為0.5%左右時達到最大，其他配箍率情況對承載力影響也不是很大。

2 鋼—混凝土抗火性能分析

為分析鋼—混凝土的抗火性能，特將荷載分為五個等級，按分級加載至最大荷載。在實驗中發(fā)現(xiàn)，點火升溫一段時間后，鋼—混凝土試件背火面有水層冒出。30 min后隨著溫度的持續(xù)升高水分開始蒸發(fā)，水蒸氣從混凝土表面和鋼板的結合處的縫隙中流出，隨著時間的增加水蒸氣量漸漸增大，出現(xiàn)水霧現(xiàn)象。大約40 min后出現(xiàn)在混凝土表面的水層開始減少并逐漸消失。1 h左右，由于混凝土內(nèi)部存在的水分在高溫下蒸發(fā)，但有部分水蒸氣在混凝土的堵塞下不能從裂隙中冒出，此時在混凝土的封閉空隙中積聚產(chǎn)生了蒸汽高壓，高壓的存在使混凝土開始爆裂，伴隨著的是輕微的混凝土爆裂聲，部分混凝土碎片隨著爆裂離開試件主體。觀察組合試件的頂部并未發(fā)現(xiàn)特別明顯的裂縫產(chǎn)生，對比此時試件與常溫下沒有明顯的不同。實驗再持續(xù)10 min混凝土頂面開始出現(xiàn)了一條貫穿試件的主裂縫，這條裂縫使試件的承載力顯著下降，繼續(xù)觀察其他部位，這些部位只是出現(xiàn)細小裂縫，沒有出現(xiàn)嚴重的破壞。最為明顯的變化是在跨中出現(xiàn)防火保護層脫落的現(xiàn)象。根據(jù)此現(xiàn)象推知跨中的變形最大，位移變形達到試件跨度的1/20，對鋼—混凝土抗火性能的影響最為嚴重，因為破壞試件無法繼續(xù)承載，此時組合試件的兩端出現(xiàn)鋼板因受熱不斷膨脹而與混凝土脫開發(fā)生破壞。

實驗結果分析：對于組合梁來說，混凝土表面一旦出現(xiàn)了貫通上下的主裂縫就標志著梁已經(jīng)破壞。主裂縫的出現(xiàn)伴隨著表層混凝土的脫落，混凝土內(nèi)部的型鋼暴露出來，開始接觸外部的高溫作用，型鋼在高溫作用下出現(xiàn)軟化，部分型鋼在高溫作用下出現(xiàn)了較明顯的變形屈服。實驗結果分析顯示，在跨中跨度達到試件跨度的1/20時試件的變形速度加快，作者認為在高溫條件下，跨中撓度變形超過1/20即可認為組合梁已經(jīng)喪失耐火能力。

3 鋼—混凝土組合結構節(jié)點抗震性能分析

為研究組合梁與柱連接處的抗震能力，特進行實驗加載分析。先在柱的兩端施加豎向荷載，模擬地震發(fā)生時的豎向荷載，與此同時在組合梁的兩端加入大小不斷變化的荷載。荷載持續(xù)加入一段時間，觀察梁和柱的變化發(fā)現(xiàn)，在反向荷載加入到20 kN左右的時候，在組合梁與柱連接的表面處開始出現(xiàn)不明顯的細小裂縫，荷載繼續(xù)施加，隨著時間的延長裂縫不斷發(fā)展，同時裂縫的寬度和長度均有明顯增大，發(fā)展良好。繼續(xù)增加荷載，因為連接處受力復雜，在外力的不斷作用下，連接處變成了塑性鉸出現(xiàn)變形。在塑性鉸形成的同時，混凝土表面出現(xiàn)了上下貫通的裂縫，內(nèi)部鋼筋暴露出來，在重復荷載的作用下鋼筋開始屈服，屈服后鋼筋繼續(xù)承受荷載作用，因為鋼筋強化作用的存在，組合梁可以繼續(xù)工作，一旦鋼筋達到抗拉強度便開始破壞，這也標志著組合梁的徹底破壞。再觀察節(jié)點處，節(jié)點的核心區(qū)域并未出現(xiàn)斜裂縫，作者認為柱的剛度比梁的剛度大得多，鋼梁的腹板在沒有達到屈服時柱的剪切變形也很小。繼續(xù)加大荷載，在柱的表面出現(xiàn)了不斷發(fā)展的豎向裂縫，柱子也開始發(fā)生破壞。當梁與柱的連接處開始出現(xiàn)輕微的裂縫時節(jié)點即可認為是破壞。此實驗按照“強柱弱梁節(jié)點更強”的原則進行。

實驗結果分析：組合梁與柱的連接處和混凝土梁柱節(jié)點略有不同，因為組合梁與柱的連接處存在型鋼，在荷載的作用下承載力和剛度比混凝土都要大，混凝土發(fā)生破壞時，型鋼可以替代混凝土繼續(xù)承載工作，充分說明了組合梁與柱的節(jié)點的延性也更強，可以避免節(jié)點在復雜荷載作用下發(fā)生脆性破壞。

4 結語

鋼筋混凝土組合梁與普通混凝土對比有很大優(yōu)勢，實驗過程也表明混凝土組合梁擁有較輕的自重，剛度也更大，承載力提升明顯，在抗震方面的抗性也更強。可以廣泛的應用在工業(yè)廠房、高層建筑等大型結構中，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼筋混凝土組合梁也得到了設計、施工單位的認可，其廣泛推廣和應用也必將帶來更好的綜合效益。

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Study on steel-concrete composite structure

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The article studies torsion bearing capacity, fire-resistance performance and joint seismic resistance performance of steel-concrete composite structure, compares steel-concrete composite structure performance to common concrete structure performance, and points out that: steel-concrete composite structure plays better performance role owing to internal steel existing in concrete.

steel-concrete composite structure, torsion, joint seismic resistance, fire-resistance performance

2014-11-25

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)04-0043-02

TU398

A