摘 要：组合结构的使用已经广泛，其中钢与混凝土的组合结构是最为常见的结构形式，而且相当成熟，已经自成独立的结构体系。在我国，组合结构仍属新的结构形式，随着大量建筑物的兴建，组合结构作为新兴结构得到越来越广泛的采用，应用前景越来越好。所以，对钢与混凝土组合结构的结构形式及性能特点有一定的了解是很有必要的。本文就这些方面对不同的组合结构形式展开介绍。
关键词：钢与混凝土组合结构，结构概念，特点
Abstract: The composite structure has been used widely, then steel and concrete composite structure is the most common type and quite mature, so it has become the independent structure system. In our country, the combination of structure is still a new structure form with the construction of large number of buildings,combination structure, as an emerging structure, will more and more widely used, and the application prospect will be better. Therefore, the combination of steel and concrete struction of different structure form will be introduced.
Keywords: steel and concrete composite structure ，design concept ，characteristics
1 概述
组合结构是指由两种以上性质不同的材料组合成整体，并能共同工作的构件。组合结构体系也将成为继传统的四大结构体系（钢结构、钢筋混凝土结构、木结构和砌体结构）以后的第五大结构体系。因此，对组合结构有一个基本的了解是必不可少的。而钢与混凝土组合结构是目前建筑业应用最为广泛的组合结构，在此，我们对钢与混凝土组合结构做一个简单的介绍，了解其不同的结构形式以及特点。
钢与混凝土组合结构的主要类型包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、方钢管混凝土结构以及钢与混凝土组合剪力墙结构等等。下面我们对不同的结构类型做具体的介绍，了解它们的种类、特点、应用范围及基本的计算原理。
2 压型钢板与混凝土组合板
2.1 组合板的概念
压型钢板是将厚度为0.7~2mm的薄钢板压制成带凹凸肋及各种槽纹的波形板，在压型钢板上浇筑混凝土，使其与压型钢板组合在一起，整体共同工作，形成组合板。(见图2.1)
图2.1 压型钢板与混凝土的组合连接
2.2 组合板的特点及应用范围
组合办的特点是受压性能好，刚度大的混凝土主要分布在受压区，受拉区由压型钢板承受，使不同性质的材料发挥出其各自的性能，受力合理。同时，由于压型钢板的工厂化，减少了模板钢筋的制作、安装工作，使得组合板的施工速度快，加快了施工进度，从而得到建设者的特别青睐。
组合板可以用作楼面板、屋面板与工业厂房中的操作平台板等，目前已广泛应用于高层、超高层建筑当中。
2.3 组合板的计算理论简介
组合板的计算是按照施工和使用两个阶段来设计计算的。在施工阶段，压型钢板作为浇筑混凝土的底模，进行承载力计算和挠度计算，采用的是弹性设计方法，不考虑混凝土的抗弯刚度，荷载的取值采用标准值；其中，承载力能力计算只需正截面满足要求，在变形计算中，对于不满足变形要求的组合板，应采取加临时支撑等措施来减小该阶段压型钢板的变形。
在使用阶段，混凝土达到设计强度，应按照组合结构来计算，采用的是塑性设计方法，截面刚度采用换算截面法，荷载取值应改为采用设计值；组合板的承载力计算包括正截面受弯计算、斜截面受剪计算及交界面的纵向水平剪切粘结计算，另外需要注意的是，使用阶段的变形计算应考虑两阶段的变形效应之和。
3 组合梁
3.1组合梁的概念及组成
型钢作为梁的腹板、混凝土作为梁的翼缘组合在一起，共同工作构成T型或倒L型组合梁。混凝土与型钢之间用剪切连接件可靠连接。
组合梁主要由钢梁、混凝土翼缘板和剪切连接件，一般还会设置板托，可以增大量截面。钢材会采用槽钢型（见图3.1）、工字钢和蜂窝型（见图3.2）
图3.1 槽钢组合梁结构 图3.2 蜂窝型组合梁结构
3.2 组合梁的特点及应用范围
同组合板，组合梁的受力合理，能充分发挥其受压性能的特点，而且下面的钢梁在混凝土的约束下，避免了钢梁受压时发生整体和局部屈曲的特点；另外，施工时可省去模板，提高了施工速度；由于组合梁相对于钢筋混凝土重量轻，这对地震区建筑具有重要意义，也是其突出特点。综合上述几点优越处，组合梁被广泛应用于桥梁、工业房屋与高层、超高层民用建筑中。
3.3 组合梁的计算理论简介
组合梁截面的承载力计算理论有两种，一种是弹性理论法，一种是考虑截面塑性发展的塑性计算理论。这两种理论的应用范围也略有差别，且在挠度计算时均应采用弹性理论方法。另外，组合梁的计算也应按二阶段受力进行计算。
按弹性理论计算时，首先应确定组合梁截面特征，计算有效宽度、惯性矩和弹性抵抗矩；这部分计算比较复杂，在整个计算过程中具有很重要的作用。接下来的计算就相对简单，施工阶段按照钢结构理论进行，包括受弯、受剪承载力计算，在使用阶段，则按照组合结构计算，也包括受弯、受剪承载力计算，但是要注意有时需要考虑长期荷载作用，故要考虑混凝土徐变的影响。
一般情况下，当钢梁截面属于纤细截面，是按弹性理论计算，而当其属于密实截面时，由于不至于板件局部屈曲而影响承载力，可以按照塑性理论设计。其中组合梁截面特征计算和施工阶段计算都同弹性理论设计，在使用阶段，进行正截面受弯、斜截面受剪承载力计算时，则不同于弹性理论，相比较而言应该简单点。
组合梁还包括剪切件、托板等部分，这些计算也有多种设计法。另外，对部分组合梁还需进行稳定性计算和变形计算，这些都需要满足要求，所以对于组合梁的计算内容很多，需要考虑完整。
3 型钢混凝土结构
3.1 概念
在混凝土中配置型钢或以配型钢为主的结构称为型钢混凝土结构。这种结构同钢筋混凝土结构相比，不在配置钢筋及箍筋，同组合板、组合梁相比，它可以作柱，又可以作梁，也可以作墙与筒体，应用范围更为广泛。不同形式配钢的混凝土柱见图4.1。
图4.1 型钢混凝土构件
3.2 结构特点及应用范围
由于在混凝土中配置了整体的型钢骨架，因此其强度、刚度、延性大大提高，显著改善了结构的抗震性能，也减小了构件的截面面积，增大了建筑层高和建筑使用面积。还有，由于型钢被混凝土包裹，避免了钢结构的防火、防腐蚀性能差的缺点，同时克服了钢结构容易失稳的弱点。另外，型钢混凝土结构的工厂化程度高，钢结构可以当做模板使用，因此大大方便了施工，加快了施工进度。
型钢混凝土结构根据其配置的型钢不同分为两大类，配角钢骨架的空腹型钢混凝土结构，由于强度、刚度、延性均较差，一般用于中小型建筑，对于配置实腹钢的型钢混凝土结构，则适用于大型、高层、超高层、大跨、重载的建筑，尤其是地震区的建筑物。
3.3 型钢混凝土结构的计算理论简介
型钢混凝土构件中，型钢与混凝土的粘结力较小，滑移较大，对强度、变形及裂缝均有影响，不可忽略，尤其是再配置实腹钢的型钢混凝土结构计算时，应当考虑粘结滑移的影响。由于粘结滑移的影响，对配置实腹钢的型钢混凝土构件而言，平截面假定已经不再成立，但是进行梁柱正截面承载力能力计算时，可以采用修正的平截面假定与减小了的混凝土极限压应变来考虑粘结滑移的影响，这样使计算大为简化。
首先，来说明梁的两种类型的计算理论。配置实腹钢的型钢混凝土梁正截面受弯计算时根据中和轴位置不同，分为三种情况，因此计算时应先由x值判断属于何种情况，然后按照相应的应力图形进行计算。配置角钢骨架的空腹式型钢混凝土梁，本身具有较大的强度与刚度，并对核心混凝土约束较好，相比于钢筋混凝土结构，强度、刚度及延性有显著的改善；在强度计算时，可以通过试验用一强度提高系数来考虑正截面承载能力的提高，这样计算比较简单实用。
其次，型钢混凝土梁柱剪切性能受诸多因素影响，其中剪跨比与轴压比的影响明显。剪切破坏主要有三种破坏形态，由于粘结滑移的影响，容易发生剪切粘结破坏。通过试验，去三种破坏形态中剪切强度较低的破坏形态作为梁柱剪切强度的计算依据而得出型钢混凝土梁柱斜截面剪切承载能力计算公式。
再者，由于偏心距是影响型钢混凝土柱的强度的主要因素，有大偏心和小偏心受压，按照这两种破坏形态各自的应力图得出型钢混凝土柱正截面承载能力的计算公式。节点时连接框架梁柱的关键部位，受力复杂，应当十分重视节点的计算和构造，尤其是地震区的建筑物。
4 钢管混凝土结构
4.1 概念
在型钢混凝土结构、配螺旋箍筋的混凝土结构及钢管结构的基础上出现与发展了钢管混凝土结构，在钢管中浇灌混凝土形成的一种结构。根据形状可以分为圆形、方形、矩形和多边形。
4.2 特点及应用范围
相对于钢筋混凝土柱柱子截面较小，扩大了使用空间，减轻了自重，降低了地基基础的造价，经济效果显著，作为受压构件，其承载力可以达到钢管和混凝土单独承载之和的1.7~2.0倍；其次，钢管混凝土柱具有良好的塑性和抗震性能，因为该柱在循环荷载作用下的滞回曲线饱满，具有良好的吸能能力；再者，钢管混凝土柱制作简单，施工便捷，可大大缩短工期；还有耐火性能的优越性也是其重要的特点。
钢管混凝土结构除用于多高层民用建筑、公共建筑和工业厂房以及桥梁中外，也经常用于各种设备支架、塔架、通廊与贮仓支柱等各种构筑物中。
4.3 设计理论和分析方法
钢管混凝土柱主要用作受压构件，我们需要了解下圆形和矩形钢管混凝土柱的轴心受力性能、纯弯性能、压弯性能的设计方法。目前，关于钢管混凝土柱的行业规程有三部：《钢管混凝土结构设计与施工规程》、《钢—混凝土组合结构设计规程》和《矩形混凝土柱结构技术规程》，每个规程都详细介绍了计算方法。
圆形钢管混凝土柱的受压性能优于矩形钢管混凝土柱，承载力提高更多，经济性更好，故建筑师更愿意采用矩形钢管混凝土柱。
至于节点的设计，分为工业厂房中格构式钢管混凝土柱柱端节点、上下柱段变截面节点、柱脚节点的设计和构造要求，高层建筑中园钢管混凝土梁柱刚接节点、铰接节点和柱子对接接头的设计和构造要求，以及矩形钢管柱与钢梁和现浇钢筋混凝土梁连接的形式、构造要求等。
5 钢与混凝土组合剪力墙
5.1 概念
通过在钢板支撑周围浇筑的钢筋混凝土来防止钢板过早发生屈曲，使其保持在面内工作以获得良好的延性和耗能能力，这种剪力墙可视为钢板混凝土组合剪力墙的皱形，在上世纪90年代后，由钢板和混凝土两种材料共同构成的组合剪力墙开始兴起，混凝土主要采用现场浇筑，通过焊接于钢板上的栓钉使两种材料相互结合，这种结构称作组合剪力墙。根据混凝土板与钢板间的位置不同可分为钢板外包混凝土组合剪力墙和钢板内田混凝土组合剪力墙（见图5.1）。
图5.1 不同种类的钢板混凝土组合剪力墙
5.2 特点及适用范围
由于混凝土板的作用都是对钢板起到约束作用，尽量使之保持面内工作，因此组合剪力墙在往复荷载作用下具备饱满的滞回环，表现出优越的抗震性能；其次，剪力墙的工厂化，装配式施工，大大缩短了工期，而且组合剪力墙的截面相比于钢筋混凝土结构有很大的减小，提高了经济效益。
钢板与混凝土组合剪力墙由于具有优越的延性和耗能能力，是一种应用前景极佳的抗侧力构件，同时，其良好的耗能能力使得组合剪力墙适用于抗震区的建筑。
总而言之，与钢筋混凝土剪力墙相比，具有相同抗剪承载力的钢板混凝土组合剪力墙具有更大的抗剪刚度，而厚度和重量却明显减小，大大节省了使用空间，降低了基础造价，减小了地震作用；与钢板剪力墙相比，组合剪力墙具有更大的承载力，能够充分利用刚才的性能，具有更加稳定的延性和耗能能力，在地震作用下即便混凝土因开裂二造成严重破坏，但钢板却仍可继续使用，降低了维修的费用。此外，无论混凝土板采用现场浇筑还是工厂预制，钢板剪力墙均可在装配过程中提供刚度和稳定性，混凝土墙板的存在同时起到防火、保温盒隔音等作用，可减少后续工作量，降低施工成本。
5.3 钢—混凝土组合剪力墙的组成形式和应用
钢板混凝土组合剪力墙均为与框架梁、柱连接的四边连接组合剪力墙，尽管混凝土板最大程度地使钢板保持平面内工作，但钢板产生的附加轴力往往仍使框架柱先于其他构件发生破坏，进而造成整体结构承载能力的丧失。鉴于上述问题，哈尔滨工业大学的张素梅等学者于2006年提出仅与框架梁连接的两边连接钢板混凝土组合剪力墙。该种组合剪力墙由钢板和两侧的预制混凝土板组成，钢板通过高强螺栓或焊缝仅与框架梁相接，内嵌钢板则通过普通螺栓与预制混凝土板连接，为防止混凝土板因过早参与受力而破坏，钢板上预留的螺栓孔大于栓杆直径，同时混凝土板与框架梁间预留一定空隙。该种组合剪力墙不仅具有普通四边连接组合剪力墙的优点，而且避免了框架柱过早破坏，可在跨内灵活布置，有利于门窗、洞口的开设（见图5.2）。
图5.2 两边连接钢板混凝土组合剪力墙
此外，还可以通过调整钢板尺寸或墙板数量方便地调节结构的抗侧刚度和承载力，便于工程师在结构设计时对不同部位的结构刚度进行调整。对于开缝钢板剪力墙而言，尽管从原理上可以通过在钢板上开设竖缝的方式使开缝钢板尽量保持平面内工作，但开缝钢板剪力墙的屈曲模式相对复杂，在不能保证开缝钢板不会过早地发生整体屈曲的前提下，日本九州大学的Matsui、Hitaka等学者仍通过在开缝钢板两侧设置预制混凝土板的方式保证开缝钢板在平面内工作[55]，进而获得良好的耗能能力，该种剪力墙可称为“开缝钢板混凝土组合剪力墙”。
参考文献
[1] 赵鸿铁. 组合结构设计原理. 高等教育出版社，2005.
[2] 聂建国 樊健生. 广义组合结构及其发展展望. 建筑结构学报，2006.
[3] 马欣伯. 两边连接钢板剪力墙及组合剪力墙抗震性能研究. 中国知网，2009.
[4] 卢孝哲. 薄壁钢与混凝土组合结构研究现状. 建筑与结构设计，2008.
[5] 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构. 科学出版社，2001.