钢混结构在建筑工程中的土建技术探研.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 170 钢混结构在建筑工程中的土建技术探研 周鸿杰 江西省城建集团有限公司，江西 高安 330800 摘要：摘要：本文详细分析了建筑工程中钢混结构的土建技术。钢混结构，将钢材与混凝土的优势结合，产生互补效应，能显著优化建筑的性能。本文由三部分构成：首先，探讨了钢混结构的基本原理，定义，特性，钢和混凝土的互补性以及各类钢混结构的应用；其次，讨论了钢混结构的设计与计算，包含设计原则、力学性能计算以及设计优化方法；最后，深入研究了钢混结构施工技术，包含施工准备、施工流程、连接方法及施工品质控制。关键词：关键词：钢混结构；土建技术；设计原则；力学性能计算；施工技术 中图分类号：中图分类号：TU973 钢混结构，由其名称可推断，是由钢材和混凝土两种材料构成的复合结构。这种结构形式已广泛应用于现代建筑工程领域，它融合了钢材的高强度和混凝土的高耐压性，形成了一种强度高、稳定性好的建筑结构。这种结构在桥梁、高层建筑以及各种重要的公共建筑中都得到了广泛的应用。尽管钢混结构的技术已被广泛研究和应用，但由于其设计和施工的复杂性，对其进行深入研究仍然必要。本文将深入探讨钢混结构的基本原理，设计与计算方法以及施工技术，旨在通过全面的理论分析，帮助读者深入理解并掌握钢混结构的土建技术，从而提高建筑工程的性能和效率。1 钢混结构的基本原理 钢混结构作为一种典型的混合材料结构，综合了钢材与混凝土各自的优点。这种结构形式在实际工程中的应用既包括传统的桥梁和高层建筑，也越来越广泛地用于大跨度的空间结构以及工业设施等。理解钢混结构的基本原理对于钢混结构的设计、施工以及维护具有至关重要的意义。1.1 钢混结构的定义和特性 钢混结构是一种由钢和混凝土组成的混合结构。它将钢和混凝土的优势相结合，产生出强度高、稳定性好的建筑结构。钢混结构的强度主要取决于钢和混凝土的材料性能，以及二者的组合方式。一般来说，混凝土主要承受压力，钢材主要承受拉力。具体来说，钢混结构的特性主要体现在以下几个方面。一是耐火性能好，这是由于混凝土的热传导系数小，可有效阻止火源对钢材的热作用。二是抗震性能好，由于钢材的延性好，使得钢混结构在遭受地震时可以发挥良好的延性变形能力，从而提高其抗震性能。三是承载力强，因为混凝土的压强和钢的抗拉强度结合，可以使得结构在受力时有更大的安全系数。1.2 钢和混凝土的互补性 钢和混凝土各自拥有独特的物理和力学性能，而这两种材料的互补性使得钢混结构在许多建筑工程中得到广泛应用。混凝土在受压状态下展现出较高的性能，而钢材在受拉或受弯状态下的抗拉强度卓越。设计钢混结构的主旨通常是使混凝土主要承受压力，而钢材主要承受拉力，这种设计方式能够充分利用两者的性能优势。强度设计是衡量结构性能的关键指标。混凝土的抗压强度一般在 30-50MPa，而钢材的抗拉强度通常在370-500MPa。这种显著的强度差异使得钢混结构在承受复杂应力状态时，例如在受到弯矩、剪力、扭矩等多种力的作用下，可以展现出卓越的抗弯、抗剪、抗扭能力。钢混结构因此在众多具有复杂受力条件的工程项目中，如高层建筑、桥梁、隧道等，成为首选的结构形式。另外，混凝土的密实性和耐腐蚀性也为钢混结构的应用提供了支持。混凝土对内部钢筋提供了有效的保护：其优秀的密实性阻止了有害物质的侵入，其良好的耐腐蚀性延长了结构的使用寿命，防止了内部钢筋的腐蚀。这种保护作用使得钢混结构在各种恶劣环境下仍能保持其结构性能和安全性。钢和混凝土的这种互补性，无论是在强度设计还是在耐久性方面，都为钢混结构的广泛应用提供了可中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 171 能，使其在建筑工程中占据了重要的位置。1.3 钢混结构的类型和应用 钢混结构根据构造方式，可以分为部分预制和现场浇筑两种类型。部分预制是先在工厂中预制成型，然后运输到现场组装和连接。现场浇筑是将钢筋和模板安装到预定位置，然后在现场浇筑混凝土。不同类型的钢混结构在工程中有各自的应用。部分预制的钢混结构因其生产流程规范，品质稳定，适合于批量生产和大规模施工，常用于高层建筑和大跨度的桥梁。而现场浇筑的钢混结构则适用于工程规模较小，施工条件复杂的情况。在应用中，不同类型的钢混结构需要依据实际工程条件和经济性进行选择和设计。2 钢混结构的设计和计算 设计和计算是钢混结构实现其优势的关键步骤，只有通过精确的计算和合理的设计，才能确保结构安全并充分发挥其性能。这部分主要讨论钢混结构的设计原则，力学性能计算以及设计优化方法。2.1 钢混结构的设计原则 设计钢混结构不仅仅是一种技术行为，更是需要遵循一系列基本原则以确保其功能性和安全性。这些原则分别围绕着结构的安全性、经济性以及耐久性。在安全性方面，重点是让结构具备足够的抵抗外部加载的能力，同时能够应对各种异常情况，如火灾、地震等。具体来说，设计师需要通过精确的计算和选择，控制混凝土和钢材的比例，使之在任何情况下都能承受相应的压力。同时，需要在多种可能的结构类型中做出选择，以确保在满足使用功能的同时，兼顾到极端环境下的安全因素。经济性原则则主要与成本控制相关。在混凝土和钢材的成本差异背景下，设计师需要在两者之间做出权衡，尽可能地实现成本的优化。这包括但不限于选择最经济、最适宜的构造方式，如部分预制还是现场浇筑，都需要根据实际情况进行综合考量。耐久性原则关注的是结构的长期性能。这主要依赖于选择高品质的混凝土和钢材，同时，合理的维护和保养方案也至关重要。通过这些措施，可以有效保证结构在其预期的使用寿命内保持良好的性能，延长其使用寿命，减少维修和更换的需要。总的来说，钢混结构设计应坚守安全性、经济性和耐久性这三大原则，以实现在满足使用需求的同时，达到最优的设计效果。2.2 钢混结构的力学性能计算 为了确保钢混结构在设计荷载下的安全运行，其力学性能计算的重要性不言而喻。这主要涉及到三个方面：强度计算、刚度计算以及稳定性计算。在强度计算中，关注的主要是确定结构能否满足混凝土和钢材的强度要求。这通常是通过核算在设计荷载下的应力状态来实现。考虑混凝土的抗压强度，通常采用的计算公式为：f_c=0.85f_c(A1/A)。在此公式中，f_c 指的是混凝土的实际抗压强度，而 f_c是混凝土的标准抗压强度。另外，A1 表示受压混凝土的面积，A 是整个截面的面积。通过此公式，可以预测和评估混凝土在实际工况下的抗压能力。对于刚度计算，其目标在于确定结构在荷载作用下的位移和变形，这涉及到结构的变形能力和使用性能。常用的计算方法包括弹性理论和有限元方法。其中，弹性理论是通过应用胡克定律和材料力学的基本方程，对结构的刚度进行简化计算。而有限元方法则是通过将结构划分为一系列的有限元，利用计算机进行数值计算，能够更准确地预测结构的变形和位移。稳定性计算的主要目的是保证结构在荷载作用下的稳定性。这不仅涉及到结构的承载能力，还包括结构在长期荷载作用下的疲劳等问题。通过对稳定性的计算，可以预测和评估结构在复杂环境条件下的运行安全性，为优化设计和施工提供理论依据。2.3 钢混结构的设计优化方法 设计优化被广泛应用于钢混结构的设计过程，目的是在确保安全性、经济性和耐久性的基础上，挖掘并发挥出结构的最大性能。针对钢混结构，存在多种优化设计的方法。材料优化作为一种常见且有效的优化方法，主要是选择性能更优秀的混凝土和钢材。例如，可以考虑使用高强混凝土和高强度钢，这两种材料都能够显著提升结构的承载能力和耐久性。并且，这种选择将会在一定程度上影响整个结构的设计和施工，甚至改变其服务寿命。结构优化关注的是改变结构的形状和尺寸，以提升其受力性能。这通常需要建立有限元模型并进行分析。钢混结构的形状和尺寸对其受力性能有着重大影中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 172 响，通过模拟不同的结构形状和尺寸，可以找到对应荷载和使用条件下的最优结构形式。这种优化方式有助于提升结构性能，降低成本，并且可以提供更多的设计选择。施工优化侧重于通过改进施工方法来提高施工效率和结构品质。这包括采用先进的混凝土浇筑和养护技术，以及改进钢材的连接方式。例如，通过使用更精细的混凝土浇筑技术，可以提高混凝土的均匀性和紧实度；同时，改进钢材的连接方式，如采用高效率的焊接或螺栓连接，可以提高结构的整体稳定性和承载能力。总的来说，通过材料优化、结构优化以及施工优化，钢混结构的设计可以在满足基本要求的同时，最大限度地提升其性能。3 钢混结构的施工技术 实施钢混结构工程不仅需要深入理解钢混结构的基本原理以及精确的设计和计算，还需要一套科学、合理的施工技术。该部分将围绕钢混结构的施工准备与流程、连接方法以及品质控制进行详细的探讨。3.1 钢混结构的施工准备和流程 施工前的准备工作是保证钢混结构施工顺利进行的关键。首要的工作是进行施工图纸的深入理解和解析，以确保施工人员对设计意图有清晰的理解。同时，需要确定和准备施工所需的所有材料、设备以及人力资源，如混凝土、钢筋、模板、吊装设备等。钢混结构的施工流程通常按照以下步骤进行：首先进行基础施工，包括土方开挖、基础槽的预制，然后进行基础混凝土的浇筑和养护。完成基础后，进行钢筋的绑定和模板的安装，然后浇筑混凝土，并进行初期养护。混凝土达到设计强度后，可以进行模板的拆除，然后进行后期的养护。3.2 钢混结构的连接方法 钢混结构中，钢与混凝土、钢与钢之间的连接是实现其共同工作的关键。钢与混凝土的连接通常通过嵌入式钢筋来实现，嵌入混凝土中的钢筋在混凝土硬化后，由于混凝土与钢筋的粘结力，使得二者能够共同抵抗外部载荷。而钢与钢的连接则有多种方式，比如焊接、螺栓连接、铆接等。焊接是一种常用的连接方式，其优点是连接牢固，但需要专业的焊工进行操作。螺栓连接则简单易行，但其承载力略低于焊接。铆接已经很少使用，但在某些特殊情况下，可能会采用。3.3 钢混结构施工的品质控制 在钢混结构施工过程中，品质控制至关重要。品质控制的核心是确保施工品质满足设计要求。这通常包括混凝土的品质控制、钢筋的品质控制以及施工过程的品质控制。混凝土的品质控制主要包括混凝土的配合比设计、拌和、运输、浇筑和养护等环节。其中，配合比设计需要确保混凝土达到设计的强度和耐久性。拌和、运输和浇筑过程中，需要防止混凝土的离析和漏浆。养护过程中，则需要确保混凝土在合适的条件下进行硬化。钢筋的品质控制主要包括钢筋的接收检查、储存、加工和绑定等环节。其中，接收检查需要根据国家标准进行，以确保钢筋的性能满足设计要求。加工和绑定过程中，需要确保钢筋的位置和数量符合设计图纸。施工过程的品质控制则涵盖了所有施工活动，包括基础施工、模板安装、混凝土浇筑、模板拆除和后期养护等环节。这通常需要制定详细的施工品质控制计划，并由专门的品质检查人员进行执行和监控。4 结论 本文详细探讨了钢混结构在土建工程中的应用，包括其基本原理、设计与计算方法以及施工技术。钢混结构以其出色的性能和经济性，在建筑工程中被广泛应用。同时，通过精确的设计和计算，能够确保结构的安全性和耐久性。在施工过程中，有效的施工技术和品质控制方法是保证钢混结构品质的关键。钢混结构的连接方法以及混凝土和钢筋的品质控制，是决定结构性能的重要因素。因此，在实际工程中，需要结合具体情况，合理选择和使用各种技术和方法。总的来说，钢混结构在土建工程中有着广泛的应用前景。然而，随着建筑技术的不断发展，对钢混结构的设计和施工技术也提出了更高的要求。未来的研究将更加深入地探讨钢混结构的优化设计和施工技术，以推动其在工程中的更广泛应用。参考文献 1王兴国,姜茂林,张向冈,等.钢管再生混凝土柱力中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 173 学 性 能 研 究 进 展 J.铁 道 科 学 与 工 程 学报,2021,18(05):1256-1266.2邹昀,高传超,王城泉,等.高轴压比下波纹侧板 方钢管混凝土柱抗震性能试验研究J.地震工程与工程振动,2020,40(4):5-41.3由尧.高强钢筋约束混凝土柱的抗震性能J.太原学院学报(自然科学版),2021,39(02):5-11.4郭玉荣,吕聪.变轴力钢筋混凝土足尺柱抗震性能试验研究J.公路工程,2021,46(03):123-128.5刘立平,崔铭,徐军.钢筋混凝土柱 钢梁盒式节点 抗 震 性 能 试 验 研 究 J.振 动 与 冲击,2021,40(15):189-197.6沈萍,唐兴荣,程俊涛.开洞砌体填充墙钢筋混凝土框架抗震性能试验研究J.工程抗震与加固改造,2021,43(04):8-18.7列妹妹,张晓以,等.钢管再生混凝土柱力学性能研究进展J.铁道科学与工程学报,2021,18(05):1256-1266.8孙艺,林彪,等.高轴压比下波纹侧板 方钢管混凝土柱抗震性能试验研究J.地震工程与工程振动,2020,40(4):5-41.