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摘要：根據國內外對薄壁型鋼一混凝土組合結構的研究和應用，介紹了組合梁和組合柱這兩種主要組合結構形式的研究現狀，總結了其已有的研究成果，重點分析了薄壁型鋼一混凝土這一新型組合結構的受力特性。...

薄壁型鋼一混凝土組合結構研究進展

吳傳偉 高軒能 金周

(華僑大學土木工程學院362021)

1.引言

    鋼材和混凝土是土木工程領域使用最廣泛的兩種材料。鋼材具有輕質高強的特點，抗拉性能優越，但是受壓時需要考慮穩定問題，而且價格昂貴；混凝土的抗壓性能好但抗拉力很弱，價格雖低但體積龐大笨重，會加大基礎的造價。為了充分發揮鋼材和混凝土兩種材料的優點并克服其缺點，把它們組合起來形成一個整體，共同工作是一個可行的辦法。其中組合梁和組合柱是最常用的兩種組合形式。

    冷彎薄壁型鋼是在室溫條件下，將薄鋼帶通過輥軋或沖壓冷彎成各種形狀的截面型鋼，它用相對較少的材料承受較大的外載，不是單純用增大截面面積，而是通過改變截面形狀的方法獲得，稱之為高效截面型鋼。與普通鋼材相比，冷彎薄壁型鋼具有節材高效、耗鋼少、自重輕、制造運輸簡便、安裝工期短、可重復拆用、容易批量生產等優點，被大量應用于組合結構中。本文擬對薄壁型鋼一混凝土組合結構的研究現狀進行綜述，以推動此一新型結構的發展。

2.薄壁型鋼一混凝土組合柱的性能研究

    薄壁型鋼一混凝土組合柱主要是指薄壁鋼管混凝土組合柱，它是在薄壁鋼管中填充混凝土，將鋼管和混凝土的優點結合在一起的一種新型組合結構形式。具有承載力高、抗震性能好、施工方便快捷、耐火性能和火災后性能好、綜合經濟效益高等優點，近年來在國內外得到了廣泛的應用。

    2.1國外研究進展

    國外對薄壁鋼管混凝土柱的研究主要集中在澳大利亞、美國、日本和新加坡等國家。早在1932年Karman等人…就研究了軸壓下薄板的力學性能，建立并解釋了“有效寬度”理論。1992年Hanbin Ge等人對薄壁方鋼管混凝土柱的強度和變形進行了研究，研究顯示鋼管的寬厚比和鋼管內加勁肋的剛度對柱的力學性能具有較大的影響，并通過鋼管混凝土柱和空鋼管的實驗對比，證明由于混凝土的存在薄壁鋼管混凝土柱的強度和延性都得到大大的提高。考慮混凝土的尺寸效應和薄壁板的局部屈曲，得到了承載力計算的簡化公式。1993年，H． D．Wright對空方鋼管的局部屈曲性能進行了研究，提出了薄壁鋼管混凝土柱在軸壓下，為了防止鋼管局部屈曲，必須限制鋼管寬厚比的最大限值，并建立了理論模型。l995年他又提出了防止薄壁鋼管t昆凝土在受彎、受剪的情況下鋼管屈曲的寬厚比的最大限值。l996年，BUy采用半解析有限條元模型分析了鋼管混凝土構件中鋼板的臨界屈曲應力。研究得出鋼板在縱邊有約束情況下的屈曲系數為10．30，比四邊簡支板的屈曲系數4．0高出很多。1997年O’Shea和Bridge進行了圓鋼管混凝土軸壓構件力學性能的實驗研究，采用了圓柱體強度分別為50MPa和80MPa的兩種混凝土，構件截面徑厚比(D／t)為58．5—220。其中軸壓試件22個，偏壓試件l7個。研究結果表明，對于軸壓試件，采用50MPa的試件的鋼管對其核心混凝土有約束效果，而采用強度為80MPa的試件只有在D／t小于125時才產生對其核心混凝土的約束作用。荷載偏心率對鋼管和核心混凝土之間的相互作用也有較大影響，且只有當荷載偏心率較小時鋼管對其核心混凝土有約束作用。1998年 Ref提出了薄壁空鋼管平板的彈性屈曲應力公式。同年Brain Uy對方鋼管混凝土軸心受壓時鋼管的局部屈曲問題進行了研究。進行了l0個試件的實驗研究，實驗的基本參數8／t在40—100之間變化。研究結果表明，由于在受力過程中鋼管和核心混凝土之間的相互作用，鋼管混凝土構件中鋼管的局部屈曲大大滯后于空鋼管構件。Brain Uy還對薄壁方鋼管混凝土中鋼板的局部屈曲和屈曲后性能進行了研究，分析了局部屈曲對極限抗壓強度的影響，并在有效寬度法的基礎上提出了極限抗壓強度的計算公式。l999年，J．Brauns對鋼管混凝土柱在軸壓下的應力狀態進行了分析，得到了與混凝土應力水平相對應的彈性模量和泊松比，從而確定了各部分材料的應力一應變關系。2000年8月進行了30個方鋼管混凝土短試件在軸壓、純彎和偏壓荷載作用下力學性能的實驗研究。確定了局部屈曲臨界力和板的有效寬度，并在前人研究的基礎上提出了板的極限抗壓強度和壓彎組合強度模型，用實驗結果對其進行了校核。同年Yi Zhen9等人研究發現薄壁方鋼管柱容易發生由鋼管的局部屈曲引起的破壞，并且地震荷載是以壓彎形式作用在柱上。研究了翼緣寬厚比、軸壓強度、加勁肋的長細比、截面形式和鋼管的高寬比對薄壁方鋼管鋼柱的影響。并利用彈塑性大變形FEM理論，在考慮殘余應力和初始缺陷下，得出了經驗屈曲公式。2002年，N．E Shanmugam等人通過研究得出，鋼管的局部屈曲是柱破壞的重要標準，他們利用有效寬度理論得出了薄壁方鋼管混凝土短柱的力學性能和軸壓承載力公式。用該公式計算得出的結果與實際值吻合得非常好，而且該簡化公式不受加載條件的限制。同年Hanmugam基于板件局部屈曲的有效寬度理論提出方、矩形鋼管混凝土柱承載力計算模型，該模型能夠考慮不均勻壓力分布情況。

    2.2國內研究進展

    目前我國對薄壁鋼管混凝土柱的研究才剛剛起步。l999年，呂西林[4]等進行了6個方鋼管混凝土軸心受壓短柱力學性能的實驗研究，結果表明，方鋼管混凝土軸壓短柱具有較好的延性和較高的承載力，但構件的延性隨B／t的增大有降低的趨勢。2002年，哈爾濱工業大學的王秋萍共對26根圓形、方形和八邊形薄壁鋼管普通混凝土短柱和薄壁鋼管輕骨料混凝土短柱進行了軸壓實驗。根據實驗結果在確定了薄壁鋼管壁冷彎后強度的提高值和屈曲系數的取值后，以有效寬度理論為基礎，通過對國內外及自己實驗數據的分析，回歸了薄壁鋼管混凝土短柱的混凝土提高系數與套箍系數，由此推導了薄壁鋼管混凝土短柱的極限抗壓承載力實用計算公式。何保康等研究了矩形鋼管混凝土柱中鋼板的局部屈曲問題，假設核心混凝土為線彈性體，并利用彈性無限半空間理論，證明鋼管中的核心混凝土材料可視為剛性材料，提出了非加載邊固定板的屈曲強度計算公式，得到鋼板局部屈曲系數為l0．67。2003年，哈爾濱工業大學的曹寶珠首先采用切線模量理論對方形及八邊形薄壁鋼管混凝土長柱進行了軸壓和偏壓承載力計算及全過程分析，同時考慮了初彎曲、截面初始偏心等因素的影響，還考慮了薄壁鋼管局部屈曲對長柱整體穩定承載力的影響，認為薄壁鋼管發生局部屈曲后，長柱的塑性變形主要集中在柱中部，形成一個塑性區，從而使計算模型更為合理、準確。這一計算模型與過去通常僅假定其為正弦曲線的荷載一曲率關系有所不同，更為準確地考慮了長柱中部混凝上在較大偏心壓力作用下的非線性性能。2004年，哈爾濱工業大學的許輝對20根薄壁鋼管混凝土長柱的靜力性能進行了實驗研究。對實驗曲線進行了系統的分析，回歸了方形薄壁鋼管混凝土長柱極限承載力公式，并在實驗研究結果的基礎上對薄壁鋼管混凝土長柱的工程應用進行了初步探索。2005年，陳勇、張耀春等根據無

    肋單向及雙向設置斜肋的9個方形薄壁鋼管混凝土長柱的軸壓和偏壓試驗結果，用正交試驗設計和多元回歸分析評價了加載初始偏心距、斜肋集合長度對長柱極限承載力的影響。同年陶忠、韓林海等對l5個薄壁鋼管混凝軸壓短柱和4個空鋼管軸壓短柱進行了實驗研究。重點研究了方形、矩形鋼管高厚比和加勁肋剛度對帶肋薄壁鋼管混凝土柱軸壓力學性能的影響。對加勁肋的合理剛度，加肋后對構件延性的影響，構件的荷載一縱向應變關系等進行了探討。

    隨著對薄壁型鋼混凝土組合柱研究的深入，這種結構在我國的應用也越來越廣泛。l999年落成的深圳賽格廣場大廈就全部采用鋼管混凝土組合柱作為其主要承重構件。深圳北站大橋是我國首座全組合拱橋結構，主跨150m，拱肋為鋼管一混凝土桁肋，橋墩采用鋼管一混凝土柱結構。

3.薄壁型鋼一混凝土組合梁的性能研究

    薄壁型鋼一混凝土組合梁是由冷彎薄壁型鋼和混凝土組成并聯合成為整體而共同工作的一種結構形式，可充分發揮冷彎薄壁型鋼和混凝土兩種材料的優勢，具有抗震性好、承載力高、抗火性能優越、節約鋼材、施工速度快、木材消耗量小、工廠化程度高、形式靈活等特點，因此在工業廠房、橋梁及民用建筑(特別是輕鋼住宅)中，擁有巨大優勢，得到日益廣泛的應用。

    3.1國外研究進展

    國外對組合梁的研究較早，l912年Amkren ES提出了“換算截面理論”，該理論以初等彎曲理論為基礎，根據總力不變及應變相同的原則，把混凝土板換算成鋼截面，并不考慮鋼梁和混凝土之間的滑移，認為截面的應力呈線性分布，它適用于彈性階段分析。l951年Newmark NM提出了“不完全交互理論”，該理論假設抗剪連接是連續的，滑移與荷載成正比，且鋼梁和混凝土板具有同樣的豎向位移。在60年代Thurli— mann提出了“極限強度理論”，該理論假定鋼梁達到全截面屈服來確定極限彎矩和中和軸位置，故又稱為“簡化塑性理論”。該理論在世界各國都得到了較大的應用。我國的《鋼結構設計規范》(GB50017--2003)及高層民用建筑鋼結構技術規程(JGJ99—98)的有關章節就主要是以該理論為基礎建立起來的。l993年，D．J OehlersE6]對薄壁型鋼一混凝土組合梁進行了試驗研究，分析了抗剪和抗彎破壞兩種情況。結果表明：荷載達99％的極限荷載時滑移才出現，側壁鋼板可提高抗剪強度50％，但并不減小組合梁的延性，這一點和普通的鋼筋混凝土梁有所不同。1994年，D-J．OehlersL73等分析了裝配式輕鋼混凝土組合梁的抗彎性能，采用能量法推導了組合梁中薄壁型鋼的彈性屈曲系數，并給出了屈曲后的有效寬度計算的方法，在此基礎上建立了薄壁型鋼一混凝土組合梁的簡化計算方法。l995年，8．Uy和M．A．Bradford試驗研究了薄壁型鋼一混凝土組合梁的屈曲性能、彎曲性能以及鋼和混凝土之間的滑移，結果表明：由于混凝土的存在，減小了薄壁鋼板屈曲的半渡長，有效地提高了鋼材的屈曲承載力。1998年，K.M.M Hossain，I．Mol，H．D．White對內填普通混凝土(NC)及火山灰骨料(VPC)的薄壁型鋼組合梁進行了試驗研究。結果表明：由于內填混凝土提供的約束作用，鋼板屈曲的形式不同。屈曲承載力有所提高；組合梁的強度取決于箱型截面上部受壓區鋼板的屈曲承載力，梁的性能及強度提高可通過加強開口處的鋼板的聯系來實現。

    3.2國內研究進展

    比較而言，國內研究的時間較晚，1998年，清華大學聶建國教授對冷彎薄壁型鋼～混凝土組合梁進行了試驗研究，結果表明：鋼與混凝土交界面的自然粘結破壞后，滑移效應對冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在使用荷載下變形的影響不能忽略不計，他將成果應用到2棟高層建筑的樓層設計中，取得了良好的技術經濟效益和社會效益。2002年，福州大學林于東、宗周紅[8]等人對l2根模型梁進行了試驗研究，探討了帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在正常使用極限狀態下的應力應變關系。2003年，郭紅梅，徐利明研究了交接面相對滑移對帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁變形的影響，建立了交接面滑移微分方程，并得到了帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁在跨中集中荷載、兩點對稱荷載及均布荷載作用下的撓度計算公式。但公式比較繁瑣，不適合工程實際應用，有待于進一步的簡化。

    薄壁型鋼一混凝土組合梁在我國正處于快速發展時期，并被逐步應用到工程實際中。承德鋼鐵廠18m長的吊車梁，湖北荊門熱電廠加熱器平臺梁都是采用組合梁結構。薄壁型鋼一混凝土組合梁還被廣泛應用到民用建筑中。比如，世界第三高建筑——高420m的上海金茂大廈，所用的就是組合梁樓蓋結構。

4.結語

    薄壁型鋼一混凝土組合結構作為一種新型結構形式，充分發揮了鋼材和}昆凝土兩種材料優點，取得了顯著的經濟效益，

    是結構工程科學一個重要發展方向。隨著理論研究的深入和完善，試驗研究的進步和發展以及施工工藝的提高，薄壁型鋼一混凝土組合結構被廣泛應用于各種建筑結構中，具有廣闊的發展前景，將在21世紀的土木工程中發揮重要作用。

參考文獻：

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[3]Brain Uy．Strength of Concrete Filled Steel Box Col— umns Incorporating Local Buckling[J]．Journal of Structural Engineerin9．2000，V01．126(3)：341—352．

[4]呂西林，余勇，陳以一．軸心受壓方鋼管混凝土短柱的性能研究：I試驗口]．建筑結構，l999(10)：41—43．

[5]王秋萍．薄壁鋼管混凝土軸壓短柱力學性能的實驗研究[D]．哈爾濱工業大學工學碩士學位論文，2002．

[6]D．J Oehlers．Composite Profiled Beams[J]．Struct． Engr9，ASCE，1993，119(4)

[7]D．J．Oehlers，H．D．Wright，M J．Burner．Flexural Strength of Profiled Beams[J]．Struct．Engr9．ASCE．1994．120(2)

[8]林于東，宗周紅．帽型冷彎薄壁型鋼一混凝土組合粱受彎強度．工業建筑，2002，32(9)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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