专家解读 | 清华大学樊健生教授为您解读高性能双钢板混凝土结构研究与应用
编者按
近年来，工程结构大型化和复杂化的发展需求日益凸显，亟需发展高性能土木工程结构以及与其相适应的新型工程结构材料、结构形式、分析手段、设计方法和试验装备等。为此，在中国科协“2021年度全国学会期刊出版能力提升计划”的支持下，《建筑结构学报》组织了“高性能工程结构”专题。本期聚焦于该专题的新型组合结构方向，特邀清华大学樊健生教授为您解读高性能双钢板混凝土结构研究与应用。
高性能双钢板混凝土结构研究与应用
1.
研究背景
除钢-混凝土组合梁和钢管混凝土柱是目前工程上应用最广泛的两种组合结构形式之外，将钢板通过有效的连接方式使其与混凝土共同工作，还可以形成满足墙、板、壳等二维或三维构件需求的双钢板混凝土组合结构。本文中简述了近年来双钢板混凝土结构的主要研究进展与工程应用情况，重点关注其在高层建筑、沉管隧道、大跨度桥梁桥塔等领域中的发展。
2.
研究与应用领域一：高层建筑剪力墙结构
双钢板混凝土结构在高层建筑剪力墙中应用较早，近年来又发展了以下多种具有代表性的新形式。
2.1 外包多腔钢板混凝土剪力墙
外包多腔钢板混凝土剪力墙采用缀板连接件和加劲肋相结合将剪力墙截面划分为多个腔体，具有以下优势：1） 钢板间横向拉结措施可加强钢板对混凝土的约束作用，使得高强混凝土的应用成为可能；2）构造简单，钢结构运输安装方便，外侧钢板在施工阶段兼做模板；3）有效避免混凝土裂缝外露。
相关低周往复加载试验结果表明：达到承载力之前未发生钢板屈曲，钢板与内填混凝土能够协同工作，表现出良好的承载力、刚度以及滞回性能、延性和耗能能力，对应于85%最大荷载的极限位移角为1/80~1/54，平均为1/66。
图1 外包多腔钢板混凝土剪力墙
2.2 短肢多腔钢-混凝土组合剪力墙
短肢多腔钢-混凝土组合剪力墙由多腔钢管和混凝土组成，多腔钢管可采用H型钢、冷弯槽钢或钢板拼焊而成，并设计成一字形、T形和L形等截面，具有以下优点：1）多腔钢管可有效约束内部混凝土，承载力高、延性好、耗能能力强；2）住宅结构中可根据建筑功能需求采用不同截面形式，避免柱角外露；3）减小构件截面尺寸，增加建筑使用空间；4）钢管可作为模板和施工中的承载骨架。
相关轴压、压弯和低周往复加载试验与数值模拟结果表明：截面轴压承载力高于多腔钢管和混凝土承载力的简单叠加，高于相同参数的矩形钢管混凝土；压弯受力状态下呈现整体弯曲破坏，受压区钢管出现明显的局部屈曲，内部混凝土压溃；当L形或T形截面单肢宽厚比较大时，对于长细比较大的构件，压弯荷载作用下单肢会出现平面失稳；屈服时层间位移角小于1/300，破坏时弹塑性层间位移角超过1/50，满足规范要求。
图2 短肢多腔钢-混凝土组合剪力墙
2.3 钢筋桁架加劲钢板混凝土剪力墙
钢筋桁架加劲钢板混凝土剪力墙由钢筋桁架、薄钢板、混凝土和边缘约束构件组成，具有以下优点：1）相对传统双钢板墙，用钢量明显降低；2）水平荷载下充分利用加劲薄钢板的受剪性能；3）抗火性能显著提高，通过合理设计可实现免防火涂料；4）钢筋桁架加劲钢板平面外刚度大，施工便捷，使用阶段钢筋桁架能有效防止钢板过早屈曲；5）钢筋桁架钢板可在工厂内机械化生产，薄钢板表面可设置镀锌涂层以达到防腐效果。
相关轴压、低周往复加载试验和数值分析结果表明：其屈曲荷载主要取决于焊点距厚比；钢筋桁架加劲钢板开缝后的弹性屈曲荷载相比于不开缝显著提高，且对墙的竖向承载力贡献很小；与RC墙相比，轴压承载力提高幅度有限，但延性提高约40%；受剪承载力显著提高，破坏模式由脆性剪切破坏转变为受弯破坏。
图3 钢筋桁架加劲钢板混凝土组合剪力墙
2.4 工程应用
珠海横琴国贸大厦主楼地上44层，主体结构屋顶高188.64 m。内筒采用L形和一字形两种截面的多腔钢-混凝土组合剪力墙代替传统RC剪力墙，底部墙体厚度为650mm，钢板厚度为30mm，较RC剪力墙厚度减小了35%，显著增加了使用面积。
三峡电竞馆平面尺寸较大，柱距达到约16m，同时看台和观景平台悬挑尺寸较大，在看台上空有直径98m的屋面，综合考虑上述各方面特点，整体选用了钢框架-多腔钢-混凝土组合剪力墙结构体系。
图4 珠海横琴国贸大厦施工照片
图5 三峡电竞馆施工照片
3.
研究与应用领域二：沉管隧道结构
3.1 受力性能与设计方法研究
隔舱式钢板混凝土沉管隧道结构具有以下优点：1）尺寸质量小，便于安装运输，减小航道疏浚量，减少环境污染；2）外包钢板可提升结构的抗冲击爆炸能力和防水性能；3）钢板充当浇筑模板，实现钢结构制作与混凝土浇筑的场地分离，使得场地选择更为灵活，节省造价；4）造型相对灵活，使得结构对于变截面、不同地质条件的适应性大大增强；5）易于采用浮态浇筑方式，从而避免陆上浇筑对干坞的占用以降低施工费用和加快施工进度。
图6 隔舱式钢板混凝土沉管隧道结构
相关受弯和受剪性能试验与理论研究表明：弯曲破坏由顶部混凝土压溃导致，试件延性较好，屈曲均发生在屈服后；当试件全长脱空达15mm时，承载力和延性下降较为明显，建议脱空限值宜小于5mm；剪切破坏以剪切斜压模式为主，由腹板屈服及混凝土斜向压溃控制；轴向隔板不处于纯剪状态；混凝土宽度与轴向隔板厚度是影响受剪承载力的主要因素；受剪承载力主要由组合桁架、腹板纯剪和翼缘销栓作用三部分构成。
图7 隔舱式钢板混凝土结构抗弯和抗剪性能试验
3.2 工程应用
深中通道工程沉管隧道段长5035 m，标准管节长度为165 m，横断面外廓尺寸为46.00 m×10.60 m，行车孔净高度为7.60 m，顶底板结构厚度为1.50 m，质量约7.6万吨。单个标准隔舱的尺度为3.5 m×3.0 m×1.5 m，内部浇筑约15 m3混凝土。
图8 深中通道钢板混凝土沉管隧道管节
4.
研究与应用领域三：大跨度桥梁桥塔结构
4.1 受力性能与设计方法研究
索塔作为大跨度桥梁中承担竖向荷载的主要构件，处在压弯状态，以承受轴力为主。钢-混凝土组合结构具有刚度大、经济性好的特点，能够有效提高索塔刚度。针对钢板混凝土索塔从界面连接和结构整体受力性能两个维度开展研究。
界面构造采用薄开孔板连接件，同时也起到对塔壁钢板加劲的作用，连接件主要发生钢板孔底撕裂和孔侧拉断两种破坏模式。选取索塔中处于受拉边缘及受压边缘的塔壁重新组合形成凸字形截面梁进行四点弯曲试验，结果表明: 受压侧钢板在屈服前不会因屈曲、滑移而降低其承载能力，受拉侧钢板与混凝土相对滑移很小，协同工作性能良好；钢板混凝土试件的力学性能优于相同含钢率的钢筋混凝土试件。
图9 钢板混凝土索塔结构示意
图10 薄开孔板连接件拉拔试验和塔壁弯曲试验
4.2 工程应用
南京长江五桥主桥索塔采用钢板混凝土结构。钢结构外壳在工厂加工制作，现场节段拼装。索塔内部钢筋采用工厂内定位、组装，省略了钢筋绑扎工序。索塔的施工速度达到了1.2m/d，远超混凝土索塔通常约0.7m/d的速度，同时现场人工数量也减少约2/3。
图11南京第五长江大桥钢板混凝土桥塔
5.
研究与应用领域四：防冰墙结构
双钢板混凝土组合防冰墙结构具有以下优势: 1) 水平面附近的曲面防冰墙可以抬升及分散浮冰，大幅降低冰荷载。2) 可预制加工，施工方便，满足极地工期短的要求。3) 相较于混凝土防冰墙，可防止混凝土剥落，减少支模材料及人工成本；相较于加劲肋钢板防冰墙，可减少用钢量，大幅提高刚度和自重、增加基底摩擦，并减少现场沉箱工作量。
图12 采用双钢板混凝土组合防冰墙极地自重式石油及天然气开采平台
相关平面和曲面冲剪性能试验与理论研究表明：局部面外冲切荷载作用下，破坏模式为核心混凝土冲剪破坏与上钢板沿局部荷载边际冲剪破坏；增加外包钢板厚度显著改善受剪承载力、弹性刚度及变形能力；曲率小于1.41时，增加曲率可改善受剪承载力；机械剪力连接件可显著提高面外冲剪承载力；曲面结构水平约束刚度对其受剪承载力及刚度影响显著。
图13 双钢板混凝土组合防冰墙面外冲剪破坏模式
6.
展望
钢板混凝土结构作为一种较为新颖的结构形式，具有优越的综合性能，有着非常广阔的应用前景，未来在核电工程模块化结构与建造、隧道工程组合衬砌、海洋工程组合平台等其他工程领域也有很好的研究和应用价值。其在理论和实践方面仍有需要深入研究和解决的问题，例如：不设内隔板的钢板混凝土组合结构的抗剪构造和设计方法；钢板屈曲对结构性能的影响；高强钢及超高性能混凝土的应用；钢板和混凝土长期变形不协调带来的问题及其对策；钢板与混凝土界面脱空的影响和检测方法；混凝土浇筑模拟与缺陷预测控制；钢板混凝土结构高效精细化数值模拟方法等。
参考文献
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特约供稿专家
清华大学 樊健生 教授 丁然 助理研究员 聂鑫 副教授 | 哈尔滨工业大学 郭兰慧 教授 | 天津大学 严加宝 教授
樊健生：博士，清华大学教授。主要从事钢-混凝土组合结构、结构计算分析研究。发表论文200余篇，授权发明专利19项，主编参编18部标准规范。获国家技术发明一等奖（排名2）、国家科技进步奖（创新团队，排名3）、国家科技进步二等奖2项（排名1、8）、科学探索奖。负责国家重点研发计划项目、基金委创新研究群体、重大项目课题、杰出青年基金等科研项目，获长江学者（2015年）、万人计划创新领军人才（2016年）。
丁然：博士，清华大学助理研究员。主要从事组合结构和新材料结构研究。发表论文50余篇，其中SCI论文25篇。参编《组合结构通用规范》等5部标准。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目和青年基金等项目。曾获国家科技进步奖（创新团队）（排名14）、国家科技进步二等奖（排名8）各1项。
聂鑫：博士，清华大学副教授。主要从事组合结构和混凝土结构、结构动力学、结构计算分析评估研究。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、国家重点研发计划课题、国铁集团重大项目等科研项目。曾获国家科技进步二等奖2项（排名2和3）、国家科技进步奖（创新团队）1项(排名5)、中国青年科技奖、茅以升桥梁青年奖、科学探索奖等奖励。
郭兰慧：博士，哈尔滨工业大学教授。主要从事新型组合结构构件与组合结构体系的研究。发表论文150余篇，其中SCI检索70余篇，授权发明专利12项，主编或参编6部标准或规程。主持国家自然科学基金、国家十三五重点研发项目子课题等共计20余项。获中国钢结构协会科学技术一等奖（排名1）、黑龙江省科技进步一等奖（排名5）等奖励。
严加宝：博士，天津大学教授。主要从事钢-混凝土组合结构、寒区及极地工程防灾减灾、高性能材料与结构研究。发表SCI一作/通讯论文100余篇，出版专著4部，主持国家自然基金2项，参编2部国家标准。入选全球Top2%职业生涯及年度学者，获得韩国钢结构协会-浦项制铁（POSCO-KSSC）最佳论文奖。
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《建筑结构学报》是中国科学技术学会主管、中国建筑学会主办的学术性期刊，创刊于1980年，至今已出版至第43卷。本刊被美国工程索引（EI）Compendex、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》、《中国科技期刊引证报告》等国内外数据库收录。
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