勁性混凝土性能現(xiàn)狀研究

王震東 葉 斌

（杭州萬國(guó)投資管理有限公司，浙江 杭州 320018）

近二十年以來，勁性混凝土結(jié)構(gòu)在中國(guó)發(fā)展很快，它被越來越廣泛的應(yīng)用在建筑和橋梁工程中，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)楸ＷC型鋼與混凝土之間有足夠的粘結(jié)是勁性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，所以二十年以來國(guó)內(nèi)對(duì)勁性混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能進(jìn)行了大量的研究。本文基于實(shí)工經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料對(duì)勁性混凝土性能和應(yīng)用做了研究。

1 勁性混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

與鋼結(jié)構(gòu)相比，勁性混凝土結(jié)構(gòu)可節(jié)約鋼材達(dá)50%以上，降低了造價(jià)。同時(shí)由于型鋼外包混凝土，可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，提高了鋼構(gòu)件的整體剛度，顯著改善了鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。另外，外包混凝土也增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性，避免了鋼結(jié)構(gòu)防銹、防腐蝕、防火性能較差，需要經(jīng)常維護(hù)的弱點(diǎn)。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，勁性混凝土結(jié)構(gòu)由于在截面中配置了型鋼，使構(gòu)件的承載能力、剛度大大提高，因而大大減小了構(gòu)件的截面尺寸。同時(shí)采用實(shí)腹式型鋼的勁性混凝土構(gòu)件，其抗剪承載力有很大提高，并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì)，延性獲得了很大的提高，因此勁性混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[l,2]。

2 勁性混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展

由于勁性混凝土結(jié)構(gòu)的一系列優(yōu)點(diǎn)，日本及西方國(guó)家在20世紀(jì)初即開始研究應(yīng)用。20世紀(jì)20年代，西方國(guó)家的工程設(shè)計(jì)人員為滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求，在鋼柱外面包上混凝土，稱為包鋼混凝土(Encased Concrete)結(jié)構(gòu)。起初，包鋼混凝土柱仍按鋼柱設(shè)計(jì)計(jì)算。40年代后開始意識(shí)到外包混凝土對(duì)提高鋼柱剛度的有利作用，考慮折算剛度后仍繼續(xù)沿用鋼柱設(shè)計(jì)方法[3,4]。該方法一直沿用，并編入了1985年歐洲統(tǒng)一規(guī)范EC4((組合結(jié)構(gòu)》[5]。

20世紀(jì)20年代，日本在一些工程中開始采用勁性混凝土結(jié)構(gòu)。1923年在東京建成的30m高全勁性混凝土結(jié)構(gòu)的興業(yè)銀行，在關(guān)東大地震中幾乎沒有受到什么損壞，引起日本工程界的重視。1949年，前蘇聯(lián)建筑科學(xué)技術(shù)研究所編制了《多層房屋勁性鋼筋混凝土?xí)盒性O(shè)計(jì)技術(shù)條件(BTY-03-49)》，50年代又進(jìn)行了較全面的試驗(yàn)研究，1978年制定了《蘇聯(lián)勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》。后來由于省鋼目的，主要采用焊接鋼構(gòu)架和鋼筋骨架等作為勁性鋼筋(即空腹式鋼骨)。

3 勁性混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外已應(yīng)用勁性混凝土結(jié)構(gòu)建成了大量的高層、超高層建筑及一些工業(yè)建筑。國(guó)外建成的典型的勁性混凝土建筑有美國(guó)休斯頓得克斯商業(yè)中心大廈，79層，高305米;日本北海飯店，36層，高121米;新加坡財(cái)政部辦公大樓，55層，高242米;悉尼款特斯中心，高198米。20世紀(jì)80年代以來，在我國(guó)北京、上海等地也相繼建成了一批勁性混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑，典型的有北京香格里拉飯店，高24層;上海瑞金大廈，地上27層，地下一層，高107米;廣州、重慶也先后建成了一批勁性混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑。用于工業(yè)建筑的有鄭州鋁廠蒸發(fā)車間等。

此外，勁性混凝土結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，特別是鋼一混凝土疊合板組合梁推廣較快[6]。因?yàn)槠涫〉袅烁呖罩９ば蚝湍０?，用于橋梁可以不中斷下部交通，具有較好的綜合效益。1993年，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)的北京國(guó)貿(mào)橋，在三個(gè)主跨采用了鋼一混凝土疊合板連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)疊合板組合梁在國(guó)內(nèi)城市立交橋中的應(yīng)用尚屬首次。其綜合效益為:(1)比原現(xiàn)澆橋面板方案節(jié)省近400m2的高空支模工序和模板，減小現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量，縮短工期近一半，未中斷下部交通；(2)比鋼筋混凝土梁橋自重減輕約50%；(3)比鋼橋節(jié)省鋼材30%左右。鋼一混凝土疊合板組合梁在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用成功地實(shí)現(xiàn)了"輕型大跨，預(yù)制裝配，快速施工"的目的，符合我國(guó)城市立交橋建設(shè)的國(guó)情。建國(guó)貿(mào)橋以后，僅北京又有6座大跨立交橋的主跨采用了鋼一混凝土疊合板組合梁結(jié)構(gòu)，最大跨度已達(dá)到70m。此外，上海南浦大橋和楊浦大橋的橋面結(jié)構(gòu)也采用了鋼一混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)。交通部西安公路研究所正在把疊合板組合梁推廣應(yīng)用于大跨公路橋梁結(jié)構(gòu)。

4 勁性混凝土粘結(jié)問題研究現(xiàn)狀

在已經(jīng)進(jìn)行的對(duì)粘結(jié)問題的研究中，人們主要把目光集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，雖然已取得了一些研究成果，但由于勁性混凝土結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，這些成果還不能直接應(yīng)用到勁性混凝土結(jié)構(gòu)中去。首先，勁性混凝土結(jié)構(gòu)采用的是型鋼。截面幾何形狀與鋼筋有較大差異，受力變形時(shí)與混凝土的接觸狀況與鋼筋不同。第二，由于型鋼截面形狀的原因，與鋼筋相比，它與混凝土粘結(jié)的環(huán)境較差，混凝土的密實(shí)程度往往不太好，氣泡孔隙較多，從而削弱了兩者之間的粘結(jié)力。第三，由于型鋼沒有肋紋，所以與變形鋼筋相比，機(jī)械咬合作用對(duì)粘結(jié)力的貢獻(xiàn)較小。第四，型鋼表面在熱軋過程中會(huì)產(chǎn)生鱗片，在運(yùn)輸保管期間也會(huì)銹蝕，這使化學(xué)膠著力受到較大程度的影響，而對(duì)型鋼而言，化學(xué)膠著力是型鋼與混凝土粘結(jié)力中最重要的一個(gè)組成部分。綜上所述，可以看出，勁性混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)問題有其自身的特殊性。

在已進(jìn)行的試驗(yàn)研究中，CharleS.w.Roeder[7]通過型鋼一混凝土的推出試驗(yàn)得出，按翼緣與混凝土接觸面積平均的局部最大粘結(jié)應(yīng)力與混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)回歸公式為 τbf=0.09′c

考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散后，建議了一個(gè)保守的公式：τbf=0.09fc′-0.655，式中 τbf，fc′的單位為N/mm2。

在Jalnes.O.Bryson[8]等人進(jìn)行的拉出試驗(yàn)中，重點(diǎn)針對(duì)工字鋼表面狀況對(duì)粘結(jié)性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工字鋼噴砂拋光后的粘結(jié)強(qiáng)度低于銹蝕狀況的粘結(jié)強(qiáng)度。

在肖季秋等人的試驗(yàn)研究中，對(duì)9個(gè)混凝土強(qiáng)度為C20的試件進(jìn)行了壓出試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)分析所得的勁性混凝土結(jié)構(gòu)的:τ-S曲線進(jìn)行了分析，并擬合出了勁性鋼筋的：τ-S本構(gòu)關(guān)系式：τ=0.75915+1.314965-1.34285 S2+0.4408S2-1.55639 S4

此模型曾用于勁性鋼筋混凝土梁非線性有限元分析，且得到了良好效果。此外，他們還利用試驗(yàn)結(jié)果分析了影響勁性鋼筋粘結(jié)的一些因素，如工字鋼表面狀況、混凝土澆注方向、工字鋼埋置長(zhǎng)度以及橫向配筋量。

5 結(jié)束語(yǔ)

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼與混凝土的粘結(jié)力遠(yuǎn)小于鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。在采用勁性混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，如果不注意采取措施增強(qiáng)粘結(jié)，外包混凝土很容易產(chǎn)生較大范圍的剝落，導(dǎo)致承載力產(chǎn)生較大的衰減，鋼骨的塑性變形能力將得不到充分的發(fā)揮。所以在實(shí)際工程中，建議采用強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土，并配置適量的箍筋，一定要保證混凝土保護(hù)層達(dá)到一定厚度。此外，對(duì)有某種銹蝕的工字鋼無須噴砂拋光，且澆注混凝土?xí)r宜采用豎位澆注。最后，還可以在構(gòu)造上采取一些措施增強(qiáng)型鋼與混凝土的粘結(jié)，如在型鋼上加錨筋及加鋼板肋等。

[1]張素芳.SRC框架短柱在低周反復(fù)荷載作用下的延性.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，16(2):43-48

[2]葉列平，方鄂華等.勁性混凝土柱的軸壓力限值.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18(5):56-63

[3]StevensRF.EneasedStanehions.StrutUlalengineer，1965，43(12):112-123

[4]BasuA.K.eom Putation of Failtireloadsofcom Positeeolumns.Proeeedings of institution of eivilengineers，1967，(3):235-243

[5]ECCS.ComPositestr Ueure.Londonand－NewYork:Theeons加 etionPress，1981

[6]聶建國(guó)，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國(guó)的研究及應(yīng)用.土木工程學(xué)報(bào)，1999，34(4):3-7

[7]Roeder C W.Composite and mixed construction.Published by ASCE,1984

[8]Brtson J O,Mathey R G,Surface condition effect on bond strength of steel beams embedded in concrete.ACI,1962,59(3):397-406