摘要：型钢混凝土组合结构是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构型式。型钢、钢筋、混凝土三位一体地工作使型钢混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。同时，与钢结构相比，具有防火性能好，抗腐蚀能力强，结构局部和整体稳定性好，节省钢材的优点。型钢混凝土组合结构在民用建筑里已应用较多，而在工业厂房里应用甚少，结合轻工行业制浆造纸、制盐等厂房中设备荷载较大的情况，若采用型钢混凝土组合结构，可有效减小梁、柱截面，使得厂房使用净高和使用都能得到较大改善。本文以本人之前参与的广州新图书馆项目为例，浅谈型钢混凝土组合结构的实际应用和有待进一步研究的问题。
关键词：型钢混凝土；组合结构；钢筋混凝土；工业厂房
前言
随着国民经济的不断发展，各种工程项目不断出现，建筑造价、建筑体量不断增大，人们对建筑空间的要求也越来越高，各种大跨度、异形的建筑形式也相继出现。为满足实现建筑、工艺等专业的功能和要求，需要结构能寻求出更合理、更安全、更经济的的结构形式。而型钢混凝土组合结构作为一种极具魅力的组合结构形式，具有其他结构所不具有的独特优点，并且日益广泛的应用于各类建筑中。凡是能适用钢结构和钢筋混凝土的各种结构体系，都可以运用型钢混凝土组合结构。
1 工程概况
广州新图书馆位于广州市未来的文化和商务中心珠江新城，占地面积2.1万平方米，建筑面积达10万平方米。是世界上最大的城市公共图书馆之一。新馆以“美丽书籍”为设计理念，独特的“之”字优雅体造型将成为广州的文化新地标、城市的新景观。广州新图书馆地上10层，地下2层，建筑高度约为50m，为相互倾斜的双塔楼框架连体结构，建筑外形呈平面圆弧形，见图1、图2。工程抗震烈度为7度，设计基本加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。新图书馆的设计单位是日本株式会社日建设计和广州市设计院联合体，主设计师是日本设计大师宫川浩。本人有幸与中南大学教授一起参与本工程的第三方仿真计算分析。
本人采用MIDAS软件进行了仿真计算分析，由于结构的复杂性，采取第三方软件ANSYS作进一步的计算校核，见图3、图4、图5。广州新图书馆采用了不同材料组成的框架结构体系，包括钢结构、矩形钢管混凝土柱、型钢混凝土框架结构，钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级：框架柱C50~C60，首层梁、板C40，2层及以上结构梁板C30。
图1广州新图书馆西面效果图 图2 广州新图书馆俯视图
图3 midas有限元模型轴测图 图4 导入ANSYS软件后广州新图书馆有限元模型
2型钢混凝土构件的主要问题
2.1材料参数的确定
在MIDAS、3D3S软件中，可直接定义型钢混凝土或钢管混凝土的组合截面，而在ANSYS软件中，保持劲性混凝土梁柱截面几何形状不变，根据截面惯性矩等效的原则，可采用劲性混凝土梁柱刚度数据定义梁柱单元实常数，如图6所示。
对于型钢混凝土构件而言，由于构件中型钢所占比重较大，在将组合材料等效成单一材料时，不能忽略型钢的作用。所以采用如下方式计算等效后的混凝土构件弹性模量Ee及密度ρe：
其中Ec为混凝土弹性模量，Ac为混凝土净截面面积，Es为型钢弹性模量，As为型钢截面面积；ρc为混凝土密度，ρs为型钢密度。
图 5 型钢混凝土构件截面定义图
2.2收缩徐变效应分析的参数选择与实现方法
型钢混凝土构件和钢管混凝土构件是协同受力状态，所以混凝土的收缩徐变对于两种材料受力情况影响很大。由于ANSYS软件为通用有限元软件，对于混凝土收缩徐变效应不能直接加以考虑，必须通过对程序的二次开发才能够考虑收缩徐变效应。通过ANSYS软件提供的APDL语言，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004），计算混凝土的收缩徐变参数。
对于C30混凝土而言，取如下基本参数：
则根据规范F.1条和F.2条可以分别计算收缩系数和徐变系数：
2.3型钢混凝土组合结构的特点
型钢混凝土构件重复利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力。型钢混凝土构件的承载力可以搞出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上，也就是说，相同荷载下，型钢混凝土构件的截面可以缩小一半，这对建筑空间的使用率和楼层净高都大有裨益。除此之外，还有以下其他特点：
1）抗震性能好：型钢有良好的延性和耗能性能，外包混凝土结构对型钢又有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高型钢骨架的整体刚度和抗扭能力。
2）综合经济效益好：与全钢结构相比，型钢混凝土结构可节约30%左右的钢材，同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差的弱点；与传统钢筋混凝土结构相比，构件截面尺寸小，结构重量轻，从而降低房屋造价。
3）施工周期短，施工方便：施工时，型钢骨架可作为临时支撑承担上部施工荷载，替代脚手架，缩短施工工期。
3现轻工设计院对钢-混组合结构的应用
3.1组合楼板
组合楼板是本人设计过程中采用比较多的形式，它由钢承板（DECK PLATE）通过栓钉与上部混凝土楼面相结合，多用于钢框架结构，且对于楼面刚度要求比较的单体。施工方便，底部钢板即为底模，且具有较强的刚度。见图6。
图 6 钢-混组合楼板示意图
3.2埋入式钢柱脚
埋入式柱脚也是钢框架设计过程中采用较多的形式，它一般是由箱型钢柱埋入基础或承台，并在其中灌入混凝土，相似于钢管混凝土组合结构，具有较强的刚度，可做为上部结构的固定约束端。见图7。
图 7 埋入式柱脚大样
3.3需继续探索的方向
我们CEC轻工行业以制浆造纸、制盐、家电食品等项目为主，对于大型设备，荷载可达成百上千吨，此种情况下，结构设计往往采取不断加大钢筋混凝土梁柱截面的方式以满足计算要求，时常出现高达两三米的梁、边长一两米的混凝土柱。这对厂房的空间使用及净高极为不利，且外观视觉效果过于笨重。若采用型钢混凝土组合结构，可有效减小梁、柱截面，使得厂房使用净高和外观都能得到较大改善。同时，腐蚀性问题也因为外包混凝土而解决。另外，对于一些建筑高度较大的无腐蚀的钢框架结构，结构设计经常苦于钢柱长细比的要求难于满足，或者结构位移角难以满足，而只能加大钢柱截面，使得钢柱应力比很小，很不经济。若采用钢管混凝土结构，在钢柱里灌注混凝土，可以大大增强钢框架的刚度，从而减小钢柱截面，提高经济性。我想，这些都是以后可以去实践应用的方向。
4 结论
通过对之前参与的广州图书馆项目的理解，本人认为型钢混凝土组合结构有其独特的特点，结合了钢筋混凝土结构和钢结构双方的优点，可以用于我们的制浆造纸、制盐等行业。同时，型钢混凝土粘结滑移性能的研究、组合截面构件的疲劳性能、连接节点的构造分析与处理仍然是需要不断研究和实验探索的。随着科研工作的进一步完善，实际应用的不断推广，我想，型钢混凝土组合结构在工业建筑领域会有很大的应用和发展。
参考文献：
[1]《组合结构设计规范 》JGJ 138-2016，2016
[2]《钢结构设计标准》GB50017-2017
[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）
[4]浅述型钢混凝土结构的特点及应用，四川建筑科学研究 2004
[5]广州新图书馆施工过程仿真分析，土木 工程学报，2010
论文作者:余宽,彭著
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/8
标签：型钢论文; 混凝土论文; 组合论文; 结构论文; 截面论文; 构件论文; 广州论文; 《基层建设》2019年第18期论文;