張峰

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢430068；煙臺(tái)市消防救援支隊(duì)，山東 煙臺(tái)264000）

1 薄鋼組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

近年來(lái)，由于建筑形式的多樣化、工程環(huán)境的超復(fù)雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)結(jié)構(gòu)工程的研究提出了更高的要求，使新的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)。在眾多的結(jié)構(gòu)形式中，鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)以其突出的特點(diǎn)和良好的使用效果，被廣泛應(yīng)用于高層與大型橋梁等建筑中。隨著研究的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)已形成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系，成為繼傳統(tǒng)的四大結(jié)構(gòu)（木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）之后的第五大結(jié)構(gòu)。在使用過(guò)程中，由于鋼材與混凝土兩種不同性質(zhì)的材料可以充分發(fā)揮各自特長(zhǎng)，組合結(jié)構(gòu)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。目前研究比較成熟且實(shí)際應(yīng)用比較廣泛的幾種鋼與混凝土組合構(gòu)件的截面形式，如圖1所示，在工程設(shè)計(jì)中，與這些構(gòu)件配套的相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程也比較齊全。

圖1 幾種常見(jiàn)組合構(gòu)件

在實(shí)際工程中，評(píng)價(jià)一種新的結(jié)構(gòu)形式是否具有生命力，應(yīng)同時(shí)具備三個(gè)基本屬性，如圖2所示，即結(jié)構(gòu)是否可用，可用的結(jié)構(gòu)是否可靠，可用、可靠的結(jié)構(gòu)是否經(jīng)濟(jì)，三個(gè)屬性的交集才是最具發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)體系。傳統(tǒng)的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在前兩個(gè)屬性上十分優(yōu)異，但由于第三個(gè)屬性在一些建筑類型中應(yīng)用的不足（如在中、低層建筑中），使其在結(jié)構(gòu)工程中全面普及受阻。在這種情況下，新型薄鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

圖2 判斷新的結(jié)構(gòu)形式生命力的三個(gè)基本屬性

薄鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱薄鋼組合結(jié)構(gòu)）是一種由薄壁板材、冷彎薄壁型鋼（包括薄壁鋼管）與混凝土組合而成的新型結(jié)構(gòu)。混凝土的存在，提高了薄壁構(gòu)件的局部屈曲承載力和抗火及防腐蝕性能；薄壁型鋼的存在，可兼作梁、柱模板，還可起到部分受力縱筋或約束箍筋的作用。由于該結(jié)構(gòu)形式同時(shí)具備了薄鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。

我國(guó)年鋼產(chǎn)量已超過(guò)2億t，居世界首位，然而鋼材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用卻相對(duì)較少，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在很大差距。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，改善我國(guó)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界人均水平的耕地資源現(xiàn)狀，響應(yīng)國(guó)家大力提倡開(kāi)發(fā)綠色建筑、環(huán)保建筑的號(hào)召，最終取代以粘土磚為主要建筑材料的房屋建造方式，應(yīng)加大具有輕質(zhì)、高強(qiáng)并可重復(fù)利用的建筑用鋼比例。但僅僅依靠在大中城市建造為數(shù)不多的高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑，顯然難以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。因此應(yīng)將推廣鋼結(jié)構(gòu)、鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)放在占建筑物比例最大的中低層建筑上，特別是住宅建筑上。

考慮到我國(guó)的實(shí)際情況，薄鋼組合結(jié)構(gòu)是一種能滿足中低層建筑要求，尤其是住宅建筑的結(jié)構(gòu)形式。該組合結(jié)構(gòu)除具有傳統(tǒng)鋼―混凝土組合結(jié)構(gòu)的一系列優(yōu)點(diǎn)之外，還可以根據(jù)具體受力特點(diǎn)選擇合理的薄鋼截面形式，使構(gòu)件受力更合理；薄壁型鋼構(gòu)件重量較輕，可方便人力搬運(yùn)和安裝；又由于鋼構(gòu)件的多樣性和可選擇性，可通過(guò)不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，組成多種合理結(jié)構(gòu)體系，降低建造成本，其綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有望接近磚混結(jié)構(gòu)體系。因此可以推斷，在我國(guó)薄鋼組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景十分廣闊。

2 新型薄壁鋼管混凝土柱施工問(wèn)題

對(duì)施工期間薄壁箱形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼柱在澆筑混凝土?xí)r的情況進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)在滿足施工對(duì)側(cè)向位移要求的前提下，由于澆筑的混凝土對(duì)鋼管產(chǎn)生側(cè)向壓力，隨著一次澆筑混凝土樓層數(shù)的增加，對(duì)底層鋼管管壁的寬厚比（b/t）要求越來(lái)越嚴(yán)格，甚至小于使用荷載下的限值，所以研究如何加強(qiáng)薄鋼構(gòu)件施工時(shí)的剛度，減小施工時(shí)鋼管的側(cè)向變形是非常必要的。由于薄鋼構(gòu)件的壁厚很薄，施工時(shí)焊接質(zhì)量不易保證，產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載力有一定影響。因此需要研發(fā)便于工廠大批量機(jī)械化加工及適于現(xiàn)場(chǎng)人工操作的焊接設(shè)備。為從根本杜絕焊接給生產(chǎn)和施工帶來(lái)的不便，還應(yīng)進(jìn)一步研究用機(jī)械連接來(lái)替代焊接連接的制作與施工方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土振搗方式對(duì)普通鋼管混凝土柱強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此也需對(duì)薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的混凝土澆筑方式進(jìn)行研究。

3 新型薄壁鋼管混凝土柱靜力性能研究試驗(yàn)分析

3.1 短柱試件設(shè)計(jì)與制作

為便于比較分析不同設(shè)肋形式對(duì)方形薄壁鋼管混凝土短柱性能的改善效果，探索其力學(xué)行為和極限承載力的增強(qiáng)機(jī)制，在試件設(shè)計(jì)上安排了普通、單向、雙向設(shè)置直肋和單向、雙向設(shè)置斜肋的5種截面形式，構(gòu)件截面外輪廓尺寸分為200mm×200mm和300mm×300mm兩種，總共10種試件形式，每種3個(gè)，共30個(gè)試件。普通薄壁鋼管混凝土短柱，由冷彎槽鋼通過(guò)對(duì)接焊成型；其余截面形式均由帶卷邊加勁的冷彎槽鋼或等邊角鋼通過(guò)焊接組成。在制成的方形鋼管底部焊接10mm厚的鋼板作為底模，灌入混凝土并用振搗棒振搗密實(shí)后抹平，自然條件下養(yǎng)護(hù)2周后用砂漿找平，再焊接10mm厚的鋼板作為頂蓋板，最終形成組合構(gòu)件。

3.2 新型薄壁鋼管混凝土短柱靜力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)不同形式新型薄壁鋼管混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：①試驗(yàn)中的薄壁鋼管混凝土軸壓短柱試件的破壞模式，主要表現(xiàn)為剪切破壞，剪切破壞面的剪切角在30°～54°之間。SC200和SC300設(shè)肋柱分別在荷載達(dá)到極限承載力的60%～70%和45%～55%時(shí)，先在柱某一鋼板表面出現(xiàn)可觀察到的微曲，說(shuō)明隨著試件寬厚比的增加，鋼管屈曲發(fā)生的時(shí)間越來(lái)越早；②在所有設(shè)肋或設(shè)對(duì)拉片構(gòu)件中，肋板或?qū)芘c混凝土保持良好粘結(jié)，直至試件破壞；③設(shè)置直肋與斜肋均可有效提高薄壁鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力和軸向變形能力。與普通薄壁鋼管混凝土柱相比，SC200短柱單向設(shè)置直肋與斜肋的效果基本相同，分別提高了極限承載力的15%、18%；雙向設(shè)置直肋與斜肋的效果更顯著，分別提高了26%、29%，提高程度約為單向設(shè)肋的2倍。

3.3 不同形式薄壁鋼管混凝土試驗(yàn)研究

3.3.1 長(zhǎng)柱試件設(shè)計(jì)制作

長(zhǎng)柱采用了與短柱相同的截面形式，截面尺寸均為200mm×200mm正方形，截面形式為普通薄壁鋼管混凝土長(zhǎng)柱，截面形式2～5為單向、雙向設(shè)置直肋或斜肋的薄壁鋼管混凝土長(zhǎng)柱，每種截面形式3個(gè)試件，共15個(gè)。截面形式6、7為單向、雙向設(shè)置對(duì)拉片的薄壁鋼管混凝土長(zhǎng)柱，按不同的對(duì)拉片設(shè)置間距分為4種長(zhǎng)柱，每種3個(gè)試件，共12個(gè)。每種長(zhǎng)柱相同的3個(gè)試件分別安排偏心距70mm、40mm和軸壓3種加荷方式。長(zhǎng)柱鋼管的制作過(guò)程與短柱基本相同。在形成的空鋼管一端焊接上蓋板，另一端蓋板待混凝土灌滿、養(yǎng)護(hù)和打磨平整之后再焊接，蓋板和鋼管的幾何中心對(duì)中；然后在上、下蓋板表面的柱截面形心處焊上長(zhǎng)度20mm的鋼榫，并保證其與蓋板垂直。

3.3.2 新型薄壁鋼管混凝土長(zhǎng)柱靜力測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)期間主要獲得了以下方面的結(jié)果：①設(shè)肋或設(shè)對(duì)拉片薄壁鋼管混凝土偏壓長(zhǎng)柱均表現(xiàn)為極值點(diǎn)整體失穩(wěn)破壞模式，破壞部位發(fā)生在柱中撓度最大處。軸壓長(zhǎng)柱均表現(xiàn)為局部彎曲引起的分枝點(diǎn)或極值點(diǎn)整體失穩(wěn)破壞模式，破壞位置發(fā)生在柱中與柱四分點(diǎn)之間；②試驗(yàn)完畢后，剖開(kāi)表面鋼板，在所有設(shè)肋或設(shè)對(duì)拉片的軸壓、偏壓長(zhǎng)柱中，不論受壓區(qū)還是受拉區(qū)的肋板或?qū)c混凝土保持良好粘結(jié)，沒(méi)有屈曲現(xiàn)象發(fā)生，表明肋板或?qū)芘c混凝土很好地共同工作直到試件破壞；③設(shè)置直肋與斜肋均可有效提高薄壁鋼管混凝土長(zhǎng)柱的極限承載力。對(duì)于偏壓長(zhǎng)柱，隨著加載偏心距的增大，單、雙向設(shè)肋長(zhǎng)柱的極限承載力提高幅度有接近的趨勢(shì)。對(duì)于軸壓長(zhǎng)柱，由于承載力主要受整體穩(wěn)定控制，且制作難度高，導(dǎo)致的初始偏心距也較大，故軸壓長(zhǎng)柱的極限承載力提高幅度沒(méi)有短柱大；④設(shè)置對(duì)拉片可在一定程度上提高薄壁鋼管混凝土軸壓長(zhǎng)柱的極限承載力。對(duì)于偏壓長(zhǎng)柱，隨著偏心距的增大，對(duì)拉片提高長(zhǎng)柱極限承載力的效果減小，最終降至與普通薄壁鋼管混凝土柱基本相同的承載力。

總之，針對(duì)新型薄壁鋼管混凝土柱靜力性能進(jìn)行研究是極為有必要的，其可以更好地保證施工建設(shè)的安全性，優(yōu)化建筑質(zhì)量，對(duì)于我國(guó)施工事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步有極為重要的推動(dòng)作用，必須要提高對(duì)相關(guān)工作的重視度，科學(xué)實(shí)施相關(guān)工作。