4 0 4 新型钢二混凝土组合壳结构性能研究王增春1 ，董石麟1 ，滕锦光2 ，王汉廷2( 1 上海交通大学上海2 0 0 0 3 0 ：2 香港理工大学香港九龙)攘要：本文介绍一种新型的钢混凝土组合壳体，以改革传统的钢筋混凝土壳屋面，避免在曲面的成型过程中造成大量的模板、支撑和人工的浪费。该种新型体系技术核心是将大量标准化的钢模板通过螺栓连接形成底壳作为混凝土施工时的模板使用：当混凝土成型后，钢板底壳与混凝土形成组合壳体共同来承受自重和外荷载，钢板底壳又代替混凝壳体的钢筋起作用。文章介绍了此种新型组合壳体系的特点，在施工阶段和服役阶段的力学行为并探讨了半刚性节点行为对其的影响。关键词：组合结构、壳、螺栓节点中圈法分类号：T U 3 7 8 7S T U D YO NT H ES T R U C T U R A LP R O P E R - T I E So FS T E E L - C o N C R E T E C o M P o S I T ES H E L LR o o FS Y S T E MZ C W a n g l ，S L D o n g l ，J G T e n 9 2 ，H T W o n 9 2( S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0 ，C h i n a ；2 T h eH o n gK o n gP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y H o n gK o n g ，C h i n a )A b s t r a c t ：S t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t es h e l lr o o f s ( C o m s h e l lr o o f s ) a r ef o r m e db yp o u r i n gc o n c r e t eo nat h i ns t i f f e n e ds t e e lb a s es h e l lw h i c hs e r v e sa sb o t ht h ep e r m a n e n tf o r m w o r ka n dt h et e n s i l es t e e lr e i n f o r c e m e n t T h et h i ns t e e lb a s es h e l l c o n s t r u c t e db yb o l t i n gt o g e t h e ro p e n t o p p e dm o d u l a ru n i t sc o n s i s t i n go fab a s ep l a t ew i t hs u r r o u n d i n ge d g ep l a t e s i sas t e e ls h e l lw i t ht h i ns t i f f e n e r si nb o md i r e c t i o n s T h en e ws y s t e mr e t a i n sa l lt h eb e n e f i t so ft h i nc o n c r e t es h e l l s b u te l i m i n a t e st h en e e df o rt e m p o r a r yf o r m w o r ka n dm i n i m i s e st h er e q u i r e df a l s e w o r k I n t e n s i v er e s e a r c hi Sc u r r e n t l yb e i n gc o n d u c t e db yt h ea u t h o r s0 nt h eb e h a v i o u ra n dd e s i g no ft h e s ec o m p o s i t es h e l lr o o f s T h i sp a p e rp r o v i d e sad e s c r i p t i o no ft h i sn e ws t r u c t u r a ls y s t e ma n das u m m a r yo fc u r r e n tr e s e a r c ho nt h ev a r i o u sp o s s i b l ef a i l u r em o d e so ft h i ss y s t e m K e y w o r d s ：C o m p o s i t eC o n s t r u c t i o n ，S h e l lr o o f s ，B o l tc o n n e c t i o n1 引言钢筋混凝十壳屋面结构具有不需要任何中间支撑就能覆盖较大的空间的优点，是普通框架体系无法比拟的。因此它r 泛应用于体育场馆、车站机场等公共建筑和大型仓储建筑中。但是，由丁混凝十壳屋面外形是空间曲面，施J ：时需要大量的模板和支撑，比较耗工：耗料，在劳动力成本不断提升的背景下，如果没有实现施工技术的革新以达到节省施工成本的目的的话，传统的钢筋混凝十壳面将面临逐步淘汰出局的命运。在这方面，一个成功的技术突破是B i n i s h e l l 穹顶，该体系是由B i n i提出并申请技术专利，迄今为止在2 3 个国家建造了约1 5 0 0 多个椭圊型钢筋混凝穹项，在不需要模板和支撑情况下，一般_ 个1 2 米- - 4 0 米直径的穹顶，只需6 0 1 2 0 分钟即可施工成型，与传统的模板施：【相比，其速度和经济性是惊人的。但是，由于技术限制，B i n i s h e l l 体系只能应用在穹顶中，无法应用于常见的圆柱桶壳。奉顼日出香港研究资助局( R G C ) 提供资助( 项融蟹：P o l y U5 0 S 9 9 9 )作肴简介：王增舂( 1 9 7 2 ) 翳浙 I ；i l i t 7 4 i , t , 讲师T 学l t l ：从事博成力结构研究( E m a i l ：z c w a n g s j t u e d u c n ) 滕镪光( 1 9 6 9 ) 鹦濒f L 疆燃人教投竹譬溥l ：从簪锎鳞梅，F R P 棚蚓研究 蕈有一c1 9 3 S ) 辫。灏，【杭州人。赣擐。巾镶T 穗藏院r b 城襄甓绷镄梅研究 上汉廷1 9 7 3 ) 辫J 拳f I 州入碡 ：磷究k 跌事空黼镐榆研究2 。结构体系4 0 5 T E N G 予1 9 9 9 年提出了C o m s h e l l 体系，其技术的核心是该体系由底部钢壳和上部现浇混凝士共同作用形成组合壳。钢壳由大量相同规格的钢模板通过螺栓拼装形成，它既是施工时的模板又是服役期的配筋。钢模板为带底板和四周侧板的开口方形钢盒子，为了形成曲面，侧板与底板带有一定的倾角，螺栓在侧板上连接。圈l 为底部钢壳的全形。作为一种新型钢混凝土组合结构，该体系可以适用于圆柱桶壳、穹顶以及拱桥，甚至作为微弯楼板使用。该体系有很多优点，其中最重要的一点是，它是有钢板和配筋混凝土两层材料组成。在施工阶段。下层的拼装式钢壳可以作为模板使用，配上一定数量的支撑它即可以承受上部的现浇混凝士重量和施工菏载，这样就节省了混凝十壳体施工过程中必须的模板。待混凝土建立强度后，两者形成整体，钢壳又作为了混凝土下部的增强钢材使用，不用拆模，既节省入力又不浪费材料。而钢模板可实现大量工厂化的生产和现场标准化的安装，能减少劳动力资源消耗。在构造上。侧板上的螺栓连接，既可传递组合壳每个模板单元间的弯矩和剪力，又可作为每个模板单元内混凝士和钢板闻协调应变的剪力销存在，一举两得。另外，侧板还能增加了钢壳的整体稳定性，防止了新鲜混凝土顺着壳面下滑。显然，这种新型结构体系具有合理性。C o m s h e l l 体系的先进性主要体现在充分地利用了底部的钢板，使它既作为施工时的模板，又作为组合结构的一部分在服役阶段起作用。固然，钢板的使用导致组合壳体的整体用钢率有一定的增加，但是考虑到决定混凝土壳体成本的很大一部分是施工时的模板成本和劳动力成本，显然还是具有其先进性的。而其它的先进性主要表现在：模板结构是相同规格的，因此可以做到工业化生产，这将提升建筑业的生产力水准，减低成本构成，易于运输和安装。面模板的拼装也可以做到绝大部分现场机械化作业。从结构本身来讲，由于钢模板的尺寸限制在0 5 n 卜1 5 m 之间，四周又有侧板对其起到加劲作用，提高了局部和整体的稳定强度。侧板和长螺栓又是一个很好的连接形式，特别是螺栓，它既可以作为传递拉应力起作用，又可以作为抗剪销起作用。施工阶段稳定分析图一、钢模和联结节点由于组合壳体是一种薪型结构体系为了研究其合理性，作者进行了一系列的实验研究和理论研究，以期全面地了解其整体性能。在施工阶段，此种结构体系是比较容易出现破坏的。主要原因有二：首先由于现浇混凝士和拼装钢壳没有形成整体，现浇混凝一_ ! ：是作为萄载而作用在比较单薄的4 0 6 拼装钢壳上面；其次，由于施l ：作业的程序问题，导致钢壳的受力不是均布的，而壳体的力学特点是它对局部的荷载相当敏感。正是基于上述原因，研究者曾先后对施哪介段拼装钢壳的破坏模式和结构性能进行了大量的实验研究。目前，进行的平面尺寸为1 5 mX2 3 m 的拼装钢壳的实验比较客观地反映了此类壳体在施工阶段所存在的问题。如图2 所示，钢壳的肋容易出现失稳，而整体失稳只有在肋板出现较大的变形后才出现。图2 、钢壳的失稳由于肋板的局部失稳具有后届曲特性，因此肋板的屈曲将不会导致整体马上失稳，但肋扳的屈曲失稳将导致整体承载力的削弱。但整体的失稳行为将导致壳体的倒塌这是非常危险的，需要引起足够的重视。两者有着相互影响，肋板的局部失稳将导致降低了整体失稳的强度。壳体的失稳强度主要取决予钢板的厚度，但是采用波纹状底板来取代平底板的经济性将更明显。4 服役期存在的问题一旦组合壳形成后，它所承受的荷载为自重、雪荷载、风荷载和地震荷载。由丁风荷载为向上作刖荷载，对结构是有利的，且壳体为扁壳，所以往设计过程中可以忽略。在有雪地l 叉= ，雪葡载楚一个对壳体来说比较敏感的荷载。而地震区，则地震荷载将会或为重要因素。由丁组合壳体趋一：次成型，所以在施，T ：期间，钢壳承受混凝士的自重，使其体内分布应力霸1 弯矩。在成型后撤除支撵时。混凝士才会与钢壳同时承受二次应力，以及其后的外部荷载。混凝十的徐变币l t 收缩将对锏壳的稳定产生不利影响。j对于组合壳，其节点的抗弯刚度直接影响了其整体稳定性能。图4 反映了有锚瑚长度( 拱A )和无锚固长度( 拱B ) 的拱在集中荷载作用下的变形。表明，节点的强度将影响整体的结构性能。而整体失稳对于整个组合壳体来说同样是很敏感的。为了比较全面地反映此类组合壳的整体性能，作者进行了两个不同的组合壳的整体试验。一个平面尺寸3 0 4 0 m 的组合壳在6 4 个均布荷载作用下的整体稳定实验，另一个平面尺寸1 5 2 2 3 m 的组合壳在4 个集中荷载作崩F 的熬体稳定实验( 图6 ) 。底板厚度为1 0 m m ，采用镀锌钢板；混凝土厚5 0 r a m 。试验表明：组合壳的整体性能与普通混凝土壳的性能相近，可采用普通钢筋混凝士壳的分析方法进行分析。s 结语图4 、不同节点形式的组合拱荷载拱冠变形曲线F i g u r e5 ：F a i l u r em o d eo fac o m p o s i t ea r c hF i g u r e6 ：F a i l u