现代组合结构和混合结构研究的部分新进展

摘要

组合结构(Composite Structures)和混合结构(Mixed Structures)是目前结构工程领域研究和应用的热点话题之一。组合结构一般是指由两种或两种以上材料组合而成的结构，如常见的钢-混凝土组合板、组合梁，型钢混凝土（SRC），钢管混凝土（CFST)和FRP（Fiber Reinforced Polymer）约束混凝土等。混合结构一般是指由不同材料的结构构件混合而成的结构或结构体系，如常见的钢-混凝土混合剪力墙结构和钢或钢管混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙混合结构体系等。组合结构和混合结构是人们更为充分地考虑结构的安全性、耐久性、和谐性，以及良好的可施工性等综合因素的必然产物。合理设计并应用组合结构和混合结构符合现代建筑结构发展和建设节约型社会的需要，有利于最大限度地实现建筑投入经济性与结构性能有效性的统一。组合结构构件和混合结构工作的实质在于其组成材料或结构构件之间的组合作用或协同互补，由于这种相互作用，既使组合结构和混合结构具有一系列优越的力学性能，同时也导致其力学性能的复杂性，因此，如何准确地了解这种相互作用的“效应”是该领域研究的关键问题。近年来，作者领导的课题组针对一些具体的组合结构和混合结构对象进行了较为细致的理论分析和试验研究，不仅希望这一问题在理论上得到透彻解决，而且更希望能进一步提供便于实际应用的实用设计方法或建议。众所周知，建筑结构材料和建筑结构的高性能化是组合结构的重要发展方向之一，在这样的背景下涌现出不少新型组合结构构件类型。本文首先论述了一些新型组合结构构件的力学性能和工作特点，具体对象包括采用高性能混凝土或高强钢材的钢-混凝土组合柱、薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管约束混凝土、FRP 约束钢管混凝土、钢管再生混凝土、不锈钢管混凝土等。此外，还介绍了其它一些组合结构构件力学性能的研究结果，如钢管混凝土叠合柱和FRP-混凝土-钢管组合结构构件的滞回性能等。梁-柱连接节点是框架结构受力的关键部位，深入认识建筑框架结构中梁-柱连接节点的力学性能，是进行有关结构体系性能化设计的重要前提和基础。本文论述了钢管混凝土柱-钢梁连接节点、钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点和钢管约束混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点的试验和理论研究结果。单层单跨框架是框架结构体系最基本的组成单元，任何复杂的多层多跨框架结构建筑大都是单层单跨框架的组合或叠加，因此，研究单层单跨框架的力学性能，是进行多层、多跨框架以及空间框架结构体系力学性能研究的基础。本文还论述了钢管混凝土平面框架的工作机理及有关计算方法。一种提高钢筋混凝土剪力墙延性的有效方法是将其和钢构件进行组合，形成钢-混凝土混合剪力墙结构。本文介绍了带组合柱边框的钢筋混凝土混合剪力墙结构抗震性能的最新研究结果。目前，钢管混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙混合结构体系在实际工程中开始得到应用，但对该类混合结构体系设计理论的研究尚不多见。本文介绍了两个高层钢管混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙混合结构体系模型的模拟地震振动台试验研究结果及相关理论分析结果。本文最后阐述了曲线形钢管混凝土结构的力学性能及其承载力实用计算方法。