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摘要：型钢—混凝土组合结构由于其承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，已越来越多地应用于各种超常规结构中，例如：大跨结构、地震区的高层建筑和超高层建筑，文章分析了型钢混凝土构件施工过程并对其施工阶段的受力性能进行分析。
关键词：型钢混凝土；梁构件；受力性能；施工工艺
型钢—混凝土结构即以型钢、钢筋、混凝土三种材料协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构，其截面组成是型钢全部被包在混凝土内部。由于其承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，已越来越多地应用于大跨结构和地震区的高层建筑以及超高层建筑。因型钢—混凝土结构在我国的应用较晚，理论研究和施工经验都相对较少。
一、型钢混凝土结构的类型及特点
（一）型钢混凝土组合结构的类型
型钢—混凝土组合结构构件主要是在混凝土中配置型钢，也配有构造钢筋及少量受力钢型钢混凝土结构可以分为实腹式和空腹式。实腹式型钢可由型钢或钢板组成，常用的截面型式有工、H、L、T、王等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢面组成。空腹式比实腹式节省材料，在20世纪初期应用较多；而实腹式则具有更好的延性，尤其其抗震性能显著，各国从20世纪70年代开始普遍采用实腹式。
（二）型钢混凝土组合结构的特点
1．材料利用充分：型钢—混凝土构件即是使钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能。
2．抗震性能良好：外包混凝土对型钢有较强的约束作用，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。
3．经济合理：与全钢结构相比，型钢混凝土结构可节约1/3左右的钢材；同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。
4．施工便捷：型钢—混凝土结构中的型钢因本身具有相当大的承载能力，可以不受混凝土浇灌的影响，自身形成钢结构。
二、型钢混凝土柱梁施工工艺
（一）型钢混凝土梁、柱的制作加工
1．下料：对原材料进行材质证明检验和外观复验。对板材找方，标出中心线四边划线。各边余出50mm，以便检验刨后的最终尽寸。用半自动切割机进行切割，为防止切割变形，割长缝时，气焊先割进200mm，在骑缝中点焊连接板，控制好后再气割。所需的安装坡口及组对时电焊坡口全部用刨边机进行刨边加工，这是保证焊接质量的关键工序之一。
2．钻孔工艺：自下而上，画出构件中心线，以中心坐标标高尺寸为起点，标出孔位中心线，所有孔距按基准线用通长尺杆画孔位点，严禁用划规或尺子逐段标注。
3．焊接工艺：（1）焊接准备工作。焊条事先在现场的烘干箱内烘干，当班未用完的焊条焊剂应按规定重新烘干。施焊前，应检查焊机运行是否正常。进行焊件预热，预热采用氧一乙炔烘枪加热，而后用表面测温表进行表面测温，待温度达到100～150℃时，应立即进行施焊工作。（2）型鋼焊接。工字型钢截面采用一次组对成型，整体焊接。具体作法是将气割下料的两块翼缘板和一块腹板放置于拼装胎架上，拼成工字形载面。用角钢点焊，作为临时支撑，最后通过对称点焊形成工字形钢截面。在未施焊的工字截面两端加引弧板，焊接完成后，将拼装好的工字截面用吊车吊出胎架，置于工作台上进行船形埋弧焊接。
4．质量标准：（1）外观检查：焊缝金属表面焊波应均匀，不得有裂纹、夹渣、焊瘤、焊穿、弧坑和针状气孔；咬口深度不超过1.5mm，累计总长度不得超过焊缝长度的10%。钢材表面不应有明显的凹陷和损伤表面，划痕深度不宜大于1.5mm。（2）偏差控制：块体、切割误差不大于1.5mm；对接间隙允许偏差1.0mm。边缘高差不大于3.0mm；钻孔的相邻孔距偏差不大于住0.5mm，其任意的相邻孔距不大于1.0mm。埋弧自动焊的焊丝和焊剂应匹配；焊条焊剂要按照规定烘烤，焊剂要干燥，无尘土、杂质。
（二）钢柱梁安装、钢筋绑扎施工
施工流程：放线→安装钢柱→预先套柱箍筋→安装钢梁（梁外箍先套在梁内）→柱钢筋穿孔、绑扎→钢梁上梁筋绑扎，部分梁筋与钢柱焊接→钢梁下梁筋绑扎，部分梁筋与钢柱焊接→钢梁两侧腰筋绑扎→箍筋焊接。梁筋要求用对称交叉的焊接方法，以减少影响，确保钢构件的安装精度。
（三）混凝土施工
型钢混凝土结构内有钢结构，且四周钢筋围绕，混凝土浇筑及振捣时死角区较多，易造成混凝土不密实，柱混凝土浇筑过程中从型钢柱四周均匀下料，分层投料高度在50cm左右，每根柱采用4根振捣捧振捣至顶。梁混凝土浇筑方法是工字钢梁下翼缘板以下从钢梁一侧下料，用振捣器在工字钢梁一侧振捣，将混凝土从钢梁底挤向另一侧，待混凝土高度超过钢梁下翼缘板100mm以上时改为两侧两人对称振捣，以确保钢梁底部混凝土密实。钢梁腹板两侧的混凝土由两侧同时对称下料，对称振捣，待浇至上翼缘板100mm时再从梁跨中开始下料浇筑。从梁的中部开始振捣，逐渐向两端延伸，至上翼缘板下的全部气泡从钢梁两端及梁柱节点位置穿钢筋的孔中排出为止。
（四）支撑加固及模板拆除与养护
1．支撑加固：由于型钢梁自重较大，除本层支撑系统应满足各类荷载要求外，还应对其下楼层相应的梁采取一定的加固
措施。
2．由于型钢梁跨度、高度均较大，故对拆模时间作出规定：底模从浇筑完毕起28d，且强度达到100%后方可拆除；侧模浇筑后7d开始拆卸固定梁外侧的螺栓，浇水养护14d（4次/d）。外侧模板起保温保湿作用，防止混凝土因收缩温差而产生裂缝。
三、型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算
（一）型钢与混凝土共同工作
型钢混凝土结构中，型钢与外包混凝土能否协调变形是两者共同工作的条件。实验表明，设有剪力键的梁型钢上翼缘与混凝土交接处均无明显的纵向裂缝，直到破坏时，型钢与混凝土的变形基本一致。而对未设剪力键的梁，其中型钢与混凝土之间的协调变形主要受型钢与混凝土之间的粘结强度、箍筋的间距等因素的影响。当外包混凝土中配置一定箍筋，型钢混凝土构件在破坏阶段衰减很小，具有较大的延性和较好的耗能能力；而当配箍较少时，外包混凝土在破坏阶段会产生较大范围的剥落，从而导致承载力产生较大的衰减。此外，增加配箍率可以防止粘结破坏。
（二）浇筑混凝土后型钢混凝土梁正截面受力性能计算
采用矩形截面梁的计算，一般可分为中和轴在型钢腹板中通过和中和轴不通过型钢两种情况。但常用的型钢混凝土结构都属于中和轴在钢腹板中通过，本次仅对中和轴在钢腹板中通过这一工况。
h为梁截面高度，hs为型钢截面高度，b为截面宽度，ar、ar'可分别表示受拉钢筋重心至受拉区边缘和受压钢筋重心至受压区边缘的距离，as、as'试分别表示型钢下翼缘至受拉区边缘及型钢至受压区边缘的距离，tw为型钢腹板厚度，t为型钢翼缘高度，As、As'分别表示受拉钢筋与受压钢筋的截面积，Es、Ess分别表示钢筋及型钢的弹性模量。
εs'=
εcu，εs=
εcu，根据力的平衡重新计算受压区高度，
其中：
a=（fcmb+0.5tw-1）εcuEss，
b=（As+As'）εcuEs+（b=as'tw+bt-twt）εcuEss，
c=（arAs-ar'As'-hAs）εcuEs
+[0.5twas'2-（b-tw）2（as'+h-as）+h2+2ash+as2]εcuEss
对中和轴取矩，可得极限弯矩：
Mu=
εcuEss+
εcuEss
+
εcuEsAs+
εcuEsAs'+
εcuEss
+
εcuEss+fcm
承载力计算应有M≤Mu。
四、结论
本文通过对型钢混凝土梁柱构件施工工艺的研究，分析了施工阶段型钢混凝土梁正截面受弯承载力。 并对型钢混凝土梁进行了有限元分析，分析了型钢混凝土梁在施工阶段的承载能力和变形性能，对目前的工程应用有着一定的意义。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：型钢混凝土；梁构件；受力性能；施工工艺
型钢—混凝土结构即以型钢、钢筋、混凝土三种材料协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构，其截面组成是型钢全部被包在混凝土内部。由于其承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，已越来越多地应用于大跨结构和地震区的高层建筑以及超高层建筑。因型钢—混凝土结构在我国的应用较晚，理论研究和施工经验都相对较少。
一、型钢混凝土结构的类型及特点
（一）型钢混凝土组合结构的类型
型钢—混凝土组合结构构件主要是在混凝土中配置型钢，也配有构造钢筋及少量受力钢型钢混凝土结构可以分为实腹式和空腹式。实腹式型钢可由型钢或钢板组成，常用的截面型式有工、H、L、T、王等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢面组成。空腹式比实腹式节省材料，在20世纪初期应用较多；而实腹式则具有更好的延性，尤其其抗震性能显著，各国从20世纪70年代开始普遍采用实腹式。
（二）型钢混凝土组合结构的特点
1．材料利用充分：型钢—混凝土构件即是使钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能。
2．抗震性能良好：外包混凝土对型钢有较强的约束作用，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。
3．经济合理：与全钢结构相比，型钢混凝土结构可节约1/3左右的钢材；同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。
4．施工便捷：型钢—混凝土结构中的型钢因本身具有相当大的承载能力，可以不受混凝土浇灌的影响，自身形成钢结构。
二、型钢混凝土柱梁施工工艺
（一）型钢混凝土梁、柱的制作加工
1．下料：对原材料进行材质证明检验和外观复验。对板材找方，标出中心线四边划线。各边余出50mm，以便检验刨后的最终尽寸。用半自动切割机进行切割，为防止切割变形，割长缝时，气焊先割进200mm，在骑缝中点焊连接板，控制好后再气割。所需的安装坡口及组对时电焊坡口全部用刨边机进行刨边加工，这是保证焊接质量的关键工序之一。
2．钻孔工艺：自下而上，画出构件中心线，以中心坐标标高尺寸为起点，标出孔位中心线，所有孔距按基准线用通长尺杆画孔位点，严禁用划规或尺子逐段标注。
3．焊接工艺：（1）焊接准备工作。焊条事先在现场的烘干箱内烘干，当班未用完的焊条焊剂应按规定重新烘干。施焊前，应检查焊机运行是否正常。进行焊件预热，预热采用氧一乙炔烘枪加热，而后用表面测温表进行表面测温，待温度达到100～150℃时，应立即进行施焊工作。（2）型鋼焊接。工字型钢截面采用一次组对成型，整体焊接。具体作法是将气割下料的两块翼缘板和一块腹板放置于拼装胎架上，拼成工字形载面。用角钢点焊，作为临时支撑，最后通过对称点焊形成工字形钢截面。在未施焊的工字截面两端加引弧板，焊接完成后，将拼装好的工字截面用吊车吊出胎架，置于工作台上进行船形埋弧焊接。
4．质量标准：（1）外观检查：焊缝金属表面焊波应均匀，不得有裂纹、夹渣、焊瘤、焊穿、弧坑和针状气孔；咬口深度不超过1.5mm，累计总长度不得超过焊缝长度的10%。钢材表面不应有明显的凹陷和损伤表面，划痕深度不宜大于1.5mm。（2）偏差控制：块体、切割误差不大于1.5mm；对接间隙允许偏差1.0mm。边缘高差不大于3.0mm；钻孔的相邻孔距偏差不大于住0.5mm，其任意的相邻孔距不大于1.0mm。埋弧自动焊的焊丝和焊剂应匹配；焊条焊剂要按照规定烘烤，焊剂要干燥，无尘土、杂质。
（二）钢柱梁安装、钢筋绑扎施工
施工流程：放线→安装钢柱→预先套柱箍筋→安装钢梁（梁外箍先套在梁内）→柱钢筋穿孔、绑扎→钢梁上梁筋绑扎，部分梁筋与钢柱焊接→钢梁下梁筋绑扎，部分梁筋与钢柱焊接→钢梁两侧腰筋绑扎→箍筋焊接。梁筋要求用对称交叉的焊接方法，以减少影响，确保钢构件的安装精度。
（三）混凝土施工
型钢混凝土结构内有钢结构，且四周钢筋围绕，混凝土浇筑及振捣时死角区较多，易造成混凝土不密实，柱混凝土浇筑过程中从型钢柱四周均匀下料，分层投料高度在50cm左右，每根柱采用4根振捣捧振捣至顶。梁混凝土浇筑方法是工字钢梁下翼缘板以下从钢梁一侧下料，用振捣器在工字钢梁一侧振捣，将混凝土从钢梁底挤向另一侧，待混凝土高度超过钢梁下翼缘板100mm以上时改为两侧两人对称振捣，以确保钢梁底部混凝土密实。钢梁腹板两侧的混凝土由两侧同时对称下料，对称振捣，待浇至上翼缘板100mm时再从梁跨中开始下料浇筑。从梁的中部开始振捣，逐渐向两端延伸，至上翼缘板下的全部气泡从钢梁两端及梁柱节点位置穿钢筋的孔中排出为止。
（四）支撑加固及模板拆除与养护
1．支撑加固：由于型钢梁自重较大，除本层支撑系统应满足各类荷载要求外，还应对其下楼层相应的梁采取一定的加固
措施。
2．由于型钢梁跨度、高度均较大，故对拆模时间作出规定：底模从浇筑完毕起28d，且强度达到100%后方可拆除；侧模浇筑后7d开始拆卸固定梁外侧的螺栓，浇水养护14d（4次/d）。外侧模板起保温保湿作用，防止混凝土因收缩温差而产生裂缝。
三、型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算
（一）型钢与混凝土共同工作
型钢混凝土结构中，型钢与外包混凝土能否协调变形是两者共同工作的条件。实验表明，设有剪力键的梁型钢上翼缘与混凝土交接处均无明显的纵向裂缝，直到破坏时，型钢与混凝土的变形基本一致。而对未设剪力键的梁，其中型钢与混凝土之间的协调变形主要受型钢与混凝土之间的粘结强度、箍筋的间距等因素的影响。当外包混凝土中配置一定箍筋，型钢混凝土构件在破坏阶段衰减很小，具有较大的延性和较好的耗能能力；而当配箍较少时，外包混凝土在破坏阶段会产生较大范围的剥落，从而导致承载力产生较大的衰减。此外，增加配箍率可以防止粘结破坏。
（二）浇筑混凝土后型钢混凝土梁正截面受力性能计算
采用矩形截面梁的计算，一般可分为中和轴在型钢腹板中通过和中和轴不通过型钢两种情况。但常用的型钢混凝土结构都属于中和轴在钢腹板中通过，本次仅对中和轴在钢腹板中通过这一工况。
h为梁截面高度，hs为型钢截面高度，b为截面宽度，ar、ar'可分别表示受拉钢筋重心至受拉区边缘和受压钢筋重心至受压区边缘的距离，as、as'试分别表示型钢下翼缘至受拉区边缘及型钢至受压区边缘的距离，tw为型钢腹板厚度，t为型钢翼缘高度，As、As'分别表示受拉钢筋与受压钢筋的截面积，Es、Ess分别表示钢筋及型钢的弹性模量。
εs'=
εcu，εs=
εcu，根据力的平衡重新计算受压区高度，
其中：
a=（fcmb+0.5tw-1）εcuEss，
b=（As+As'）εcuEs+（b=as'tw+bt-twt）εcuEss，
c=（arAs-ar'As'-hAs）εcuEs
+[0.5twas'2-（b-tw）2（as'+h-as）+h2+2ash+as2]εcuEss
对中和轴取矩，可得极限弯矩：
Mu=
εcuEss+
εcuEss
+
εcuEsAs+
εcuEsAs'+
εcuEss
+
εcuEss+fcm
承载力计算应有M≤Mu。
四、结论
本文通过对型钢混凝土梁柱构件施工工艺的研究，分析了施工阶段型钢混凝土梁正截面受弯承载力。 并对型钢混凝土梁进行了有限元分析，分析了型钢混凝土梁在施工阶段的承载能力和变形性能，对目前的工程应用有着一定的意义。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看