1) 跨入新时代, 随着我国经济、工业实力不断增长和科学技术不断取得新发展、新突破、新成就, 原有传统意义上的4大结构:砌体结构、钢结构、混凝土结构、木结构已不能满足现代人对美好生活的需求, 钢-混凝土组合结构及现代科技新材料、新设备、新工艺、新技术的出现, 使人们对美好生活的理想更近了一步。经过近几十年的发展与完善及在实际应用中的经验总结和提升, 现在的钢-混凝土组合结构俨然已经成为当代第5大结构体系。

2) 钢-混凝土组合结构是把钢结构和混凝土结构2种不同的结构形式组合在一起。它是随着近年来高层建筑、超高层建筑、大跨度桥梁领域的发展而出现的一种新型组合结构形式, 把钢结构和混凝土结构共同组合在一起, 增加了抗侧移刚度和抗剪承载力, 钢结构框架还可以承担建筑物竖向传来的荷载, 最终传递给地基基础, 充分利用了2种材料的互补性。我国用数理统计的方法进行的数10次统计分析表明, 若在高层建筑设计施工中采用组合结构, 其用钢量仅为纯钢结构建筑的70%左右, 大大减少了用钢量。在建筑高度100m以上的高层和超高层建筑中综合考虑施工周期、结构的抗侧刚度、抗震性能及结构的其他综合指标, 都优于钢结构和混凝土结构。

1) 型钢与混凝土组合结构指在混凝土中配置各种规格的型钢或配置抗弯、抗剪、抗扭及构造钢筋的结构。型钢混凝土结构不仅增加了强度、稳定性、刚度, 而且塑性变形能力也有了很大提高, 与传统意义上的钢结构建筑相比节省了大量钢材, 降低了造价, 更为重要的是避免了钢结构易腐蚀、耐火性差及需要经常进行人工防腐、防火保护等缺点。关键是要如何保证梁柱节点与混凝土有足够的黏结力和密实性, 从而提高型钢与混凝土共同工作时的强度和整体性, 这就要求在振捣养护混凝土时采取合理措施来提高混凝土的密实度。型钢混凝土组合结构除具有钢结构自身重量轻、强度高、材料均质、密封性好等优点外, 还具备混凝土结构良好的耐火性、抗锈蚀能力等优点, 而且混凝土可还以保护型钢免受外界介质侵蚀, 提高了结构的使用年限。

2) 钢管混凝土组合结构指在不同直径的钢管内填充或浇筑各种强度等级不同的混凝土而形成的组合结构形式。这种组合结构形式既要满足钢管的受力性能, 还需满足钢管与混凝土在一起能够保持良好的工作状态, 所以对钢管和混凝土性能指标的要求更高。常用的截面形状有圆柱形、正方形、矩形及正多边形钢管混凝土结构, 这种组合结构同时具备了二者的优点, 提高了其整体和局部的稳定性, 防止失稳, 承载能力比普通钢结构提升明显, 荷载的传递路径简单, 施工灵活方便, 生产和建设周期短。

3) 压型钢板与混凝土组合板依靠咬合状凹凸交错的肋板及不同的槽纹之间产生的黏结力、摩擦力与挤压力和混凝土组合共同工作。压型钢板的凹槽肋部可以放置各种水电管线, 减小了所占用的空间, 优化了结构与管道的融合, 提高了使用效率, 使建筑物的层高得以适当加大, 建筑物高度得以减小, 给建筑的灵活设计创造了条件。在施工阶段, 由于钢板可以作为钢梁自身的连续侧向支撑, 增加了钢梁的抗侧移刚度、稳定性、承载力, 减小了挠度、转角和柔度, 简化了施工工艺流程并缩短了施工时间, 减少了劳动力, 降低了造价。这样就减少了施工中安装和拆除等施工工序, 缩短了建设周期和劳动力, 降低了人力、物力、财力等。压型钢板安装好后, 可以为下一道施工工序的开展提供有利条件, 增加了工人施工作业的作业面, 更好地满足与上、下施工工序的连续和协同性要求。由于无需再进行临时支撑构件的搭设, 不会对下一层施工作业面的施工作业产生影响, 使建筑和结构的设计更加灵活, 提高了组合结构的整体性。

4) 钢混组合梁指在钢梁上部浇筑混凝土, 将钢梁与混凝土翼缘板通过抗剪结构构件相连在一起共同工作的组合梁。一方面充分发挥钢结构塑性和韧性好的特点, 另一方面也充分发挥了混凝土抗压的优点。组合梁设计时既要考虑钢梁与混凝土相互作用时接触面的抗剪强度要求, 又要充分考虑钢梁在各种情况下从正常设计、施工到正常使用及后期维护阶段的各种承载力和变形位移指标在正常范围之内。组合梁在进行现场实际施工时, 钢梁可作为模板的连续侧向约束支撑构件, 在施工阶段节省了材料, 降低了施工成本并增加了预制环节, 有利于施工工序的连续性进行。

5) 组合桁架指在钢桁架上弦杆部分焊接柔性的钢筋或栓钉的连接件, 然后浇筑钢筋混凝土板而形成。改革开放以来, 受西方和日本等国家关于新型建筑结构形式的影响, 在屋盖结构中相交节点将钢结构构件和钢筋混凝土构件组装拼接而形成组合桁架结构, 目的是为了在节点处保持良好的受力与变形性能。通常组合桁架跨度宜≥12m, 但最好≤24m, 一般工程实际项目具体所需跨度需要通过计算来综合确定。

6) 外包钢混凝土结构指在混凝土构配件外部放置钢板或者其他各种形式的钢构件所形成的结构。由于不需要设置预埋件简化了施工工艺和顺序, 一般应用在跨度较大的工业厂房内, 以此来固定各类水电管线, 也可用于一般建筑物的维护加固和后期改造返修工作。

1) 应用概括钢-混凝土组合结构适用于建筑物高度大于100m的高层建筑与超高层建筑、横向跨越超过30m的大跨度桥梁。型钢混凝土还适合于尺寸特别大的梁、柱等;钢混组合梁适用于结构跨度较大而高跨比受到限制的楼盖结构;钢管混凝土组合结构因其抗压能力较强的特点, 主要适用于高层、超高层建筑的柱或承受较大竖向荷载的柱;特殊的组合桁架、外包钢混凝土结构还适用于跨度较大的大、中型工业厂房。

2) 工程实例港珠澳大桥基础工程采用沉管灌注桩基础, 是在一个大钢管里浇筑具有高强度、耐海水氯盐和各种微生物腐蚀性能的超强混凝土, 属于钢-混凝土组合结构, 大桥主体工程全长约29.6km;海底隧道长约6.7km, 采用沉管隧道技术, 主体工程和海底隧道部分分别采用大量的钢和混凝土2种材料;人工岛的岛体承重结构采用直径较大的钢圆筒和毛石斜坡堤组合结构。就其土建部分的路基路面而言, 就是把钢板与混凝土板组合形成一个整体, 从而共同承受荷载。港珠澳大桥的用钢量非常大, 相当于几十个埃菲尔铁塔的用钢量, 所以港珠澳大桥又称为钢桥。

1) 在国外, 钢-混凝土组合结构大量应用始于第二次世界大战结束后。由于战争造成各种房屋大量破坏, 为加快建设速度, 人们发明了最初的组合结构。1970年以后, 欧美、日本等世界发达国家根据本国理论试验与实际应用研究成果, 制定了与本国国情相适应的设计与施工技术规范。在此后的几十年里, 钢-混凝土组合结构在欧美日等国家迅速发展, 特别是在高层、超高层建筑和大跨度跨河或跨海大桥中的应用非常广泛。

2) 我国建国初期的工业基础薄弱, 生产力相对落后, 对钢-混凝土组合结构的技术研究和应用较晚, 改革开放后尤其是近10年来, 钢-混凝土组合结构在我国发展迅速, 快速进入大跨度桥梁和高层与超高层建筑领域, 我国对现有的规范还在不断改进和趋于完善。钢-混凝土组合结构由于受力合理、材料利用较充分、建筑垃圾回收率 (重复利用率) 较高、稳定性好、抗风性、抗震性好、施工方便且速度快、自重较轻等特点, 将在大跨度桥梁结构、高层与超高层建筑及对抗震有特殊要求的建筑物或构筑物中被广泛应用, 在未来的建筑市场拥有巨大的发展空间。

进入新时代, 现代科学技术的不断发展与进步将进一步推动对未来新型组合结构形式的发展研究。作为一名研究钢-混凝土组合结构的学者, 笔者深深地感受到组合结构将会在未来朝着更加经济合理化、资源节约化、人工智能化方向发展, 将在服务于住房与城市及基础设施建设方面发挥巨大作用。此外, 由于组合结构自身可回收再用率较高的特点, 与住建部所倡导的促进建筑资源全面节约与提高可重复利用性相一致, 在未来的建筑业市场发展中所占的比重会越来越高。