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钢骨混凝土结构的应用与发展
一、概述
随着国民经济的高速发展和人们对于建筑审美要求的不断提高, 大跨度和超高层建筑越来越多地涌现在城市建设中,成为现代化大都市的重要象征。传统的钢筋混凝土结构构件尺寸较大, 而钢结构造价较高, 使得钢骨混凝土组合结构以其独特的优点广泛地应用于各种重大工程中。钢骨混凝土结构( ,以下简称)是指在钢骨周围配置钢筋，并浇筑混凝土的结构，充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点。钢骨分为实腹式和空腹式。实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能、节约钢材、提高混凝土利用系数、施工方便等优点, 在工程建设中得到广泛应用。 结构的特点是在混凝土内配置钢骨, 这些钢骨可以是轧制的 也可以是焊接的。在大型建筑中经常配置焊接的钢骨, 可以根据构件截面大小、受力特点, 考虑到受力的合理性, 灵活选择焊接钢骨各个板件的宽度和厚度。所配置的钢骨的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双十字钢、双槽钢、十字形钢、箱形方钢管等, 工程中常用H形和十字形。
二、钢骨混凝土结构特点
构件的内部钢骨与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。
与钢结构相比，构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部曲面，并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件的平面扭转屈曲性能，使钢材强度得以充分发挥。采用结构，可比纯钢结构节约钢材达50%以上。此外，外包混凝土增加了结构耐久性和耐火性，欧美国家最初发展结构就是出于对钢结构防火和耐久性方面的考虑。
与结构相比，由于配置了钢骨，大大提高了构件的承载力，尤其是采用实腹钢骨的构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，提高了结构的抗震性能。正是由于这一点，结构在日本得到广泛的应用。
三、钢骨的制作与构造措施
（1）钢骨的制作必须采用机械加工，并宜由钢结构制作厂家承担。型钢的切割、焊接、运输、吊装、探伤检验应符合现行国家标准 50205《钢结构工程施工及验收规范》、 81《建筑钢结构焊接技术规程》、 50221《钢结构工程质量检验评定标准》的规定, 钢材、焊接材料、螺栓等应有质量证明书, 质量应符合国家有关规范的规定。焊接前应将构件焊接面除油、除锈，焊工应持证上岗。施工中应确保施工现场型钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量,型钢钢板的制孔应采用工厂车床制孔, 严禁现场用氧气切割开孔, 在钢骨制作完成后, 建设单位不可随意变更, 以免引起孔位改变造成施工困难。
（2）钢骨混凝土中设置抗剪栓钉的要求。钢骨混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。根据国内外的试验, 大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是共同工作的, 直至构件破坏；而在钢骨混凝土中，由于粘结滑移的存在, 将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种方法解决: 一种是在构件上另设剪切连接件( 栓钉) , 并按照计算确定其数量, 即滑移面上的剪力全由剪切连接件承担, 称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全共同工作。另一种方法是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响, 同时在型钢的一定部位（a. 柱脚及柱脚向上一层范围内; b. 与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处; c. 结构过渡层范围内的钢骨翼缘处）加设抗剪栓钉作为构造要求。构件中设置的栓钉应符合国家现行标准 10433 圆柱头焊钉的规定, 栓钉直径一般为19, 长度不宜小于4 倍栓钉直径, 间距不宜小于6 倍栓钉直径, 且不宜大于200 。并采用特制的设钉枪进行焊接, 焊接质量应满足规范要求。
（3）钢骨的拼接。钢骨柱的长度应根据钢材的生产和运输长度限制及建筑物层高综合考虑, 一般每三层为一根, 其工地拼接接头宜设于框架梁顶面以上1-3 m 处。钢骨柱的工地拼接一般有三种形式: a. 全焊接连接； b. 全螺栓连接； c. 栓、焊混合连接。设计施工中多采用第三种形式, 即钢骨柱翼缘采用全溶透的剖口对接焊缝连接, 腹板采用摩擦型高强度螺栓连接。
（4）钢骨柱的柱脚构造。钢骨柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种, 在抗震区宜采用埋入式柱脚, 柱脚钢骨的混凝土最小保护层厚度为: 中间柱: 不得小于180 ; 边柱和角柱: 不得小于250 。钢骨柱埋入式柱脚的埋入深度不应小于3倍型钢柱截面高度, 在柱脚和柱脚向上一层的范围内, 钢骨柱翼缘外侧设置栓钉, 栓钉直径不小于19, 间距不大于200 , 且栓钉至翼缘板边缘的距离大于50 。
（5）钢骨柱的节点构造框架梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位，设计时应保证传力明确，安全可靠，施工方便，节点核心区不允许有过大的变形。在钢骨混凝土结构中，梁、柱节点包括以下几种形式: a. 钢骨混凝土梁-钢骨混凝土柱的连接; b. 钢梁-钢骨混凝土柱的连接; c. 钢筋混凝土梁-钢骨混凝土柱的连接。
四、钢骨混凝土的应用与研究现状
钢骨混凝土由于在截面中配置了型钢, 可使构件承载力、刚度大大提高, 因而大大减小了构件的截面尺寸, 可增加房屋的有效使用面积。此外, 型钢混凝土具有很好的延性和耗能能力, 适于在地震区应用。钢骨混凝土结构的研究和应用在国外开始较早, 我国因国情的限制, 起步较晚, 工程应用就更少,从20世纪50年代开始应用型钢混凝土结构, 主要用于工业厂房, 如包头电厂主厂房和鞍山钢铁公司的混铁炉基础。直到1997年11月冶金工业部正式发布了有关规程, 并于1998年5月1日起施行。20世纪80年代初期，随着我国建筑业的迅猛发展, 结构在我国迅速兴起。近年来, 型钢混凝土在上海、广州、武汉、深圳、大连等地的高层建筑中都有所应用。型钢混凝土最初在欧美和日本的研究和应用比较多。20世纪初，西方国家为提高钢结构的防火性能，应用了型钢外包混凝土的型钢混凝土柱。随后不久，人们认识到这种组合柱比纯钢柱的刚度要高。1908年 做了空腹式型钢混凝土柱的试验, 发现型钢外包混凝土后强度和刚度都有大大提高。从1920 年开始, 美国、英国和欧洲一些国家相继开展了型钢混凝土的研究。1948 年出版的英国449 规范认为将钢柱埋置在混凝土中增加了截面的最小回转半径, 它是最早认为混凝土中的型钢增加了柱刚性的标准。
目前钢骨混凝土应用需要解决的问题主要有：（1） 钢骨与混凝土的共同工作；（2）受力性能与混凝土结构的异同；（3）轴压承载力的计算；（4）正截面承载力计算；（5）斜截面承载力计算；（6）变形和裂缝计算；（7）节点和柱脚的连接形式。
五、钢骨混凝土的发展趋势
目前在工程应用中, 混凝土的强度等级普遍采用高强度等级,因此改善结构的延性就显得尤为必要。从现有文献来看, 改善结构延性的方法主要有三种思路:（1）加密箍筋；（2）采用钢骨高强混凝土结构；（3）采用钢管混凝土结构。众所周知, 加密箍筋虽然对高强混凝土构件延性有所改善, 但达到一定程度后效果并不显著, 同时给现场施工带来了很大困难。钢管混凝土是解决上述问题的较好方式, 它能充分发挥混凝土和钢管这两种材料的性能, 但同时也存在节点处理困难, 用钢量大和需要特殊防火处理等缺点。钢骨高强混凝土结构是介于钢管混凝土和普通高强混凝土之间的一种结构方式。在 结构中, 钢骨与高强混凝土之间相互约束, 使各自强度得到提高,并且因为钢骨的存在, 增加了结构和构件的延性, 从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性, 增加了结构及构件的抗震性能, 特别是改善了用来发挥钢骨高强混凝土结构抗压性能的受压构件延性。因此可以预见钢骨高强混凝土结构在工程中应用会越来越普遍。
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