一、引 言
隨著我國鋼材產(chǎn)量的逐年增加和高強度、高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的大量生產(chǎn)，我國已進入了大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的新時期。目前，普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的受力性能分析和設計方法已比較成熟，輕型鋼結(jié)構(gòu)和普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)也處于進一步開發(fā)和完善階段，而輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究還比較少。輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種由冷彎薄壁型鋼和薄壁鋼管與混凝土組合而成的新型結(jié)構(gòu)體系。輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)具有輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時由于混凝土的存在而提高了結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，并增強了結(jié)構(gòu)的防火性能。
二、輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系
（一）豎向承重結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)豎向承重主要以薄壁鋼管混凝土柱為主。由于冷成型薄壁鋼管的管壁較薄，管內(nèi)部混凝土可防止鋼管發(fā)生局部屈曲，還可根據(jù)其穩(wěn)定性要求在管內(nèi)縱向設肋，從而提高鋼管的局部穩(wěn)定承載力。同時鋼管對混凝土有較強的約束作用，提高了混凝土的軸向抗壓強度，因此，薄壁鋼管混凝土柱的承載力高于鋼管和混凝土的承載力之和。由于在鋼管內(nèi)澆筑了熱容量較大的混凝土，發(fā)生火災時能夠吸收熱量，從而延長了鋼管的耐火極限。圓鋼管軸向受力性能較好，其受彎性能及與其它構(gòu)件的連接不如方鋼管，但方鋼管對混凝土的約束能力較差。因此可考慮采用六邊形及八邊形鋼管，以便為梁﹑柱連接提供方便和保證。
（二） 樓面結(jié)構(gòu)
輕鋼-混凝土組合建筑可選用多種樓面結(jié)構(gòu)形式。它要求樓板必須有足夠的剛度﹑強度和整體穩(wěn)定性，同時應使樓板自重輕﹑厚度小，并提高施工速度。樓面結(jié)構(gòu)可選用如下形式：
（1）壓型鋼板和混凝土組合樓板；
（2）密肋輕鋼─混凝土組合樓板；
（3）現(xiàn)澆預應力鋼筋混凝土樓板；
（4）混凝土預制疊合樓板。
其中優(yōu)先選用1﹑2類型。其主要優(yōu)點是：
（1）省去樓面模板支撐，節(jié)省投資，施工速度快；
?。?）壓型鋼板與輕鋼密肋中可布置設備管線，減少吊頂高度；
?。?）平面剛度大，房屋有較強的整體性，抗震性能好。主﹑次梁可采用矩形鋼管﹑雙槽鋼﹑冷彎U型卷邊槽鋼或H型﹑I字型焊接或熱軋型鋼。I字型鋼可以是實腹的也可是空腹的，也可選用卷邊槽鋼－混凝土組合梁。梁板組合結(jié)構(gòu)通過栓釘及剪力連接件形成整體，共同來承擔樓面荷載。目前壓型鋼板與混凝土組合樓面結(jié)構(gòu)在國內(nèi)發(fā)展已比較成熟。
（三）支撐結(jié)構(gòu)
?。?）對于單層工業(yè)廠房輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)，由于采用薄壁鋼管混凝土柱承受豎向荷載及吊車荷載，屋架及支撐均可采用輕型鋼構(gòu)件，因而其支撐布置方式與普通鋼結(jié)構(gòu)廠房類似。即采用柱間支撐及屋蓋水平﹑垂直支撐來保證廠房及屋蓋的整體穩(wěn)定性。
（2）對于多﹑高層輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，由于其側(cè)向剛度較弱，為抵抗水平地震作用，減小層間側(cè)移，宜在相應位置采用垂直支撐。為滿足門窗開洞及其它方面需要，支撐的形式可以靈活多樣，如X型﹑M型﹑W型﹑V型﹑單斜桿型﹑人字型支撐等。對位于地震區(qū)的通常的鋼－混凝土組合梁樓蓋宜采用偏心支撐，以便結(jié)構(gòu)在地震作用下具有良好的延性及耗能性能。此外，若采用剛性梁柱節(jié)點，對于多層結(jié)構(gòu)可以不設置支撐構(gòu)件。
（四）維護結(jié)構(gòu)
輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)與其它鋼結(jié)構(gòu)一樣，應采用輕質(zhì)維護材料。墻梁宜優(yōu)先選用冷彎薄壁槽鋼﹑卷邊槽鋼﹑卷邊Z型鋼。可采用輕型組合墻體，如：壓型鋼板加輕型保溫隔層墻體﹑壓型鋼板夾芯板﹑玻纖增強水泥外墻板﹑鋼網(wǎng)塑料墻板等。至于屋蓋結(jié)構(gòu)，一般采用有檁體系，亦可采用拱形波紋屋頂或輕型網(wǎng)架﹑輕型桁架加鋪輕質(zhì)保溫層和彩色壓型鋼板。其特點是生產(chǎn)工廠化，制作機械化，施工方便﹑速度快﹑工期短。
三、輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀
（一） 國外研究現(xiàn)狀
國外一些學者已進行了薄壁型鋼混凝土組合梁及薄壁鋼管混凝土組合柱的試驗研究。組合梁中的薄壁型鋼主要有冷彎U型型鋼﹑百葉薄壁型鋼和裝配式薄壁型鋼等形式。c～h類型均能與混凝土有效地結(jié)合，來共同承受外界彎矩和剪力。其中h類型為裝配式截面，布置較為靈活，可適用于不同截面尺寸的輕鋼組合梁，并可作為標準型材批量生產(chǎn)，但在澆混凝土之前必須用框架固定其形狀。a、b類型為箱形薄壁型鋼截面，與混凝土的粘結(jié)性能較差，一般只起到模板的作用。此外，還可根據(jù)實際需要，在薄壁型鋼混凝土梁中配置一定數(shù)量的縱向鋼筋，以進一步提高其抗彎剛度和極限承載力。
國外研究表明，薄壁型鋼混凝土組合梁的承載力大小，取決于薄壁型鋼與混凝土間的粘結(jié)力性能。粘結(jié)性能好才能使鋼和混凝土兩種材料共同工作，充分發(fā)揮材料的強度。而薄壁型鋼的截面形狀及表面有無刻痕是影響粘結(jié)力的主要因素。c～h類型，在充分咬合情況下，鋼板與混凝土處于完全粘結(jié)狀態(tài)，其應變相同，幾乎沒有滑移發(fā)生。對于不同形狀的薄壁鋼板，可取用不同的粘結(jié)系數(shù)，具體數(shù)值需要由試驗確定。目前，輕鋼-混凝土組合梁還正處于研究開發(fā)階段。
薄壁鋼管混凝土柱的研究目前主要集中在短柱上,重點研究圓形和方形截面短柱在軸壓荷載作用下的力學性能，包括鋼壁板的局部屈曲性能，而對于長柱構(gòu)件在軸壓和壓彎荷載作用下的性能研究還未見相關(guān)報導
（二） 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在國內(nèi)，清華大學和哈爾濱工業(yè)大學正在進行輕鋼-混凝土組合構(gòu)件的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學近期進行了薄壁型鋼混凝土組合梁和短柱的試驗研究。共對6根梁和22個短柱構(gòu)件進行了靜載試驗觀測，取得了較為理想的結(jié)果。下面對其組合梁、柱試驗情況分別加以介紹。
1.薄壁型鋼混凝土組合梁試驗
薄壁型鋼組合梁采用了3種截面類型。試驗中所采用的6根梁跨度均為3m,截面尺寸為，梯形截面混凝土翼緣寬為550mm,翼緣高為80mm。每一種截面類型做兩個試件，一個為素混凝土組合梁，另一個在下部配有 鋼筋。在試驗中，采用三分點加載，使組合梁中部受純彎作用。試驗結(jié)果表明，其中b、c兩種類型的粘結(jié)性能優(yōu)于a種，而c種最好。組合梁達到受彎極限承載力時，梁頂部混凝土基本上達到或接近極限壓應變，同時梁下部鋼板也達到了極限拉應變。這說明該種梁截面類型薄壁型鋼與混凝土的粘結(jié)性能能夠滿足受彎承載力要求。構(gòu)件破壞時，粘結(jié)力的喪失與薄壁型鋼和混凝土的屈服幾乎同時發(fā)生。在鋼與混凝土界面粘結(jié)破壞之前，構(gòu)件處于彈性階段。隨著粘結(jié)的破壞，構(gòu)件剛度逐步下降，但并不顯著；當粘結(jié)全部破壞時，外包薄壁型鋼與混凝土之間出現(xiàn)了滑移，剛度很快下降。隨著滑移的增加，混凝土翼緣板開裂（未配筋試件）或梁腹部的混凝土被剪壞（配筋試件），最后導致構(gòu)件破壞。由此可見，相對于配筋試件，未配筋試件具有更好的延性，說明薄壁型鋼與混凝土間的粘結(jié)力對組合梁的承載力起控制作用。
2.薄壁鋼管混凝土組合柱試驗
在薄壁鋼管混凝土短柱試驗中，共選用圓柱、方形柱、和八邊形柱三種截面類型，同時改變截面尺寸及鋼材和混凝土強度進行構(gòu)件的正交試驗設計。鋼管壁厚選用1mm和1.5mm，管徑（圓形截面）及邊長（方形、八邊形截面）分別采用100mm、150mm和200mm,試件高度為400mm～1000m；混凝土標號采用C20～C30。試驗結(jié)果表明，圓柱的受力性能最好，八邊形柱次之，方形柱的受力性能最差。這主要是由于圓形鋼管對混凝土的約束能力強于其他兩種類型的緣故。圓形薄壁鋼管混凝土短柱隨著荷載的逐漸增大，柱中部首先突起，鋼管達到屈服強度，進而出現(xiàn)褶皺，發(fā)生較大塑性變形，此時鋼管與混凝土均達到極限強度，最后破壞現(xiàn)象為斜向剪切破壞。由于管壁較薄，方形鋼管對混凝土的約束作用較小，強度較低。八邊形鋼管混凝土柱的承載力介于圓形和方形構(gòu)件之間。比較之下，薄壁鋼管混凝土組合柱宜優(yōu)先選用圓形及八邊形截面。
3. 節(jié)點構(gòu)造
在輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系中，最關(guān)鍵的部位就是節(jié)點。只有節(jié)點的構(gòu)造措施和受力性能得到了解決，才有可能進行結(jié)構(gòu)體系的研究。原哈爾濱建筑工程學院做過大量厚壁鋼管混凝土柱節(jié)點的試驗研究，并在實踐中得到了應用，且編入了規(guī)范，取得了很好的成果。但是由于薄壁鋼管的管壁較薄，易于變形，因此節(jié)點構(gòu)造較難處理。暫時可以將薄壁鋼管混凝土梁、柱節(jié)點分為剛接和鉸接兩種形式，對其進行嘗試性的理論分析及試驗研究，以確定節(jié)點的合理形式和局部構(gòu)造。對薄壁鋼管混凝土柱與鋼梁相連接的情況，可在節(jié)點處的柱子部分局部采用厚壁鋼管，上、下分別與薄壁鋼管相焊接，這樣鋼梁與厚壁鋼管的連接便可以采用規(guī)范中的傳統(tǒng)形式進行設計。薄壁型鋼混凝土組合梁與其他構(gòu)件的連接則比較難以處理，可以考慮在混凝土中采用預埋型鋼或鋼筋來實現(xiàn)連接，但是該種連接形式的抗彎、抗剪等力學性能還有待于研究。根據(jù)以上設想，組合梁和八邊形柱節(jié)點的剛接形式，其它截面柱可采取類似構(gòu)造。其中，組合梁外的薄壁鋼板與柱上外套厚壁鋼管焊接，內(nèi)穿雙角鋼，并且上部縱向鋼筋穿過柱子，梁外鋼板與厚壁鋼管焊接，薄壁鋼管混凝土柱內(nèi)不配鋼筋或少量配筋。組合梁截面可以采用各種截面類型。鉸接節(jié)點為柱子中只有角鋼穿過，組合梁支承于角鋼之上，梁柱間既不焊接，也沒有鋼筋通過，但需設置柱間支撐以承受水平荷載。除輕鋼混凝土組合梁、柱體系外，還可以采用薄壁鋼管混凝土柱與I字形鋼梁體系及鋼筋混凝土柱與薄壁型鋼組合梁體系，后兩者節(jié)點連接則更為容易。
四、輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾個問題
?。ㄒ唬?輕鋼-混凝土組合構(gòu)件的研究。
除壓型鋼板與混凝土組合板技術(shù)比較成熟外，其他輕鋼─混凝土組合構(gòu)件的研究目前仍較少。需對薄壁鋼管混凝土柱的極限承載力及薄壁鋼管的局部屈曲和不同類型冷彎薄壁型鋼混凝土組合梁的受彎﹑受剪狀況及整體﹑局部穩(wěn)定性能進行理論分析和試驗研究。
?。ǘ?輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造措施的研究。
普通的鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)及輕鋼結(jié)構(gòu)都已進行了大量的科學研究，取得了豐碩的成果及豐富的實踐經(jīng)驗，并制訂了相應的規(guī)范和規(guī)程，我們可以借鑒以上兩者的成果及經(jīng)驗進一步進行研究。其中梁柱節(jié)點的研究是關(guān)鍵?？蛇M行薄壁鋼管混凝土柱與冷彎薄壁型鋼混凝土組合梁節(jié)點及薄壁鋼管混凝土柱與熱軋型鋼﹑冷彎型鋼梁節(jié)點的理論分析及試驗研究。由于輕鋼壁厚較小，一般只有幾毫米，可考慮部分構(gòu)件工廠焊接，部分構(gòu)件采用現(xiàn)場螺栓連接。
（三） 輕鋼-混凝土住宅建筑的開發(fā)。
在大多數(shù)多﹑高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，均采用壓型鋼板─混凝土組合樓蓋。如果同時采用薄壁鋼管混凝土柱及輕鋼混凝土組合梁作為主框架，則必將使結(jié)構(gòu)的受力性能及防火性能得到改善，因此可考慮在鋼結(jié)構(gòu)及輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中盡量多采用組合構(gòu)件?？芍攸c研究給排水管線及供電﹑供熱管線與結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)問題，同時研究防火﹑保溫﹑隔聲及室內(nèi)外裝修等問題。
（四） 輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)計算理論的研究。
在輕鋼混凝土組合構(gòu)件試驗研究的基礎上，可考慮進行輕鋼─混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的受力性能與穩(wěn)定性分析并同時對結(jié)構(gòu)的抗震﹑防火性能進行研究。計算方法上，可由試驗及理論分析所得各構(gòu)件的力學指標及截面模量﹑參數(shù)，運用現(xiàn)有的通用計算軟件對結(jié)構(gòu)進行計算分析及設計。
（五） 施工荷載及圍護結(jié)構(gòu)蒙皮效應的研究。
混凝土澆注前，施工荷載對薄壁鋼構(gòu)件變形的影響較大?？煽紤]在盡可能少設或不設腳手架，使薄壁鋼構(gòu)件的剛度足以承受施工荷載。此外，圍護結(jié)構(gòu)的蒙皮效應能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力，其提高程度有待研究。
五、結(jié) 論
輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)合了輕鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，用于多、低層建筑具有施工方便、工期短的特點，同時使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和耐火性能。若有新型墻板相配合，該結(jié)構(gòu)形式將在多層建筑中取代磚砌體，從而實現(xiàn)真正意義上的綠色建筑，是未來民用建筑的發(fā)展方向。
目前，輕鋼混凝土組合板已被廣泛采用，預計不久的將來，輕鋼混凝土組合梁﹑柱也一定會在建筑工程中得到大量的推廣和應用。
