鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及其抗震性能研究

登封電廠集團(tuán)有限公司 陳東玲

河南省農(nóng)村科技開發(fā)中心 蘇永濤

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及其抗震性能研究

登封電廠集團(tuán)有限公司 陳東玲

河南省農(nóng)村科技開發(fā)中心 蘇永濤

鋼骨混凝土（Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC）結(jié)構(gòu)是指在鋼骨周圍配置鋼筋，并澆注混凝土的結(jié)構(gòu)。由于在鋼筋混凝土中增加了鋼骨，鋼骨以其固有的強(qiáng)度和延性，以及鋼骨、鋼筋（箍筋和縱筋）、混凝土3部分使鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)具備了比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力大、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點。因此，近年來國內(nèi)外對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)及其抗震性能開展了許多研究。本文，筆者將對一些研究內(nèi)容作以簡單介紹。

一、鋼骨混凝土構(gòu)件形式與設(shè)計理論

鋼骨混凝土構(gòu)件根據(jù)鋼骨的形式可分為實腹式和空腹式兩大類。實腹式鋼骨主要有工字鋼、槽鋼及H型鋼等。空腹式鋼骨是由角鋼構(gòu)成的空間桁架式的骨架。

實腹式鋼骨混凝土構(gòu)件具有較好的抗震性能，而空腹式構(gòu)件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同。在日本阪神地震中，空腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)破壞的事例很多。因此，目前在抗震結(jié)構(gòu)中多采用實腹式鋼骨混凝土構(gòu)件，而對鋼骨混凝土框架梁中的型鋼，宜采用充滿型實腹型鋼。充滿型實腹鋼骨的一側(cè)翼緣宜位于受壓區(qū)，另一側(cè)翼緣位于受拉區(qū)。

從20世紀(jì)50年代起，國外對SRC構(gòu)件性能、計算模型、計算和分析方法及簡化計算等方面做了大量工作，提出了許多風(fēng)格各異的理論和方法。以蘇聯(lián)為代表的極限強(qiáng)度理論認(rèn)為，在SRC構(gòu)件變形較大時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，已不能保證型鋼與混凝土共同工作，進(jìn)一步有日本和英美為代表的允許應(yīng)力強(qiáng)度理論，即日本的疊加強(qiáng)度理論和英美的彈性設(shè)計方法。

在我國，冶金工業(yè)部1998年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》。建設(shè)部于2001年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。以上兩個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBJ9-87）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ11-89）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ10-89）而制定。

二、鋼骨混凝土構(gòu)件計算理論

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算可以分為以下3種。

1.按平截面假定，采用極限強(qiáng)度設(shè)計方法，按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行計算。即認(rèn)為型鋼與鋼筋混凝土能夠成為一個整體且變形一致，共同承受外部作用，將型鋼離散化為鋼筋，并用鋼筋混凝土的公式進(jìn)行計算其強(qiáng)度。按該法計算時，少數(shù)構(gòu)件偏于不安全，同時由于沒有考慮鋼骨和混凝土之間的黏結(jié)特性，剛度不隨荷載大小而變化，這是不符合實際的。此方法的主要代表國家為前蘇聯(lián)。

2.參數(shù)折算的鋼結(jié)構(gòu)計算方法。按鋼結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行計算，即將鋼骨混凝土柱用具有修正的屈服強(qiáng)度、彈性模量和回轉(zhuǎn)半徑的鋼構(gòu)件代替，然后按鋼構(gòu)件計算公式進(jìn)行彎矩和軸力下的承載力計算。對于構(gòu)件的抗剪承載力不進(jìn)行專門計算，而是通過對箍筋的構(gòu)造規(guī)定加以滿足。此方法的主要代表國家為美國以及歐洲。

3.疊加計算方法。在日本規(guī)范中，對于空腹式鋼骨混凝土構(gòu)件按鋼筋混凝土方法進(jìn)行計算。對于實腹式鋼骨混凝土構(gòu)件的計算，不考慮鋼骨和混凝土之間的共同作用，并假定鋼骨不發(fā)生局部屈曲，分別計算鋼骨部分和鋼筋混凝土部分的承載力和剛度，然后疊加，其計算結(jié)果偏于保守。

三、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的影響因素

盡管各國的鋼骨混凝土構(gòu)件的計算理論有很大不同，但在對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究中則都參考了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論。自從20世紀(jì)50年代以來，很多國家進(jìn)行了大量的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗研究。研究表明，影響鋼骨混凝土抗震性能的主要因素為剪跨比、軸壓比、配箍率、含鋼率以及鋼骨的截面形式等。

1.剪跨比的影響。剪跨比對抗震性能的影響主要有兩方面：一是剪跨比對鋼骨混凝土柱破壞形態(tài)的影響。二是剪跨比對鋼骨混凝土柱抗剪承載力的影響。

2.軸壓比的影響。大量試驗結(jié)果表明，軸壓比對鋼骨混凝土柱的破壞形態(tài)、承載力和滯回特性均有明顯影響。隨著軸壓比的增大，延性系數(shù)、極限位移轉(zhuǎn)角、耗能能力3項指標(biāo)均減小，在高軸壓比情況下，柱的剛度退化明顯。因此，軸壓比是影響鋼骨混凝土柱抗震性能最重要的因素之一。

3.用鋼量的影響。鋼骨含鋼率是指截面中鋼骨面積與構(gòu)件有效截面面積（鋼骨部分的面積與鋼筋混凝土部分的面積之和）之比。鋼骨含鋼率取值的范圍，各國規(guī)范并不一樣。日本的規(guī)范最大含鋼率定為13.3%，美國規(guī)范取20%。在我國《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定框架柱受力型鋼的含鋼率不宜小于4%，且不宜大于10%?！朵摴腔炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》規(guī)定鋼骨混凝土構(gòu)件的含鋼率不小于2%，也不宜大于15%。試驗表明，在一定范圍內(nèi)，用鋼量越大的鋼骨混凝土柱，抗震性能越好。

4.配箍率的影響。大量試驗研究表明，在其他因素相同的條件下，鋼骨混凝土柱的位移延性系數(shù)隨配箍率的提高而增加。箍筋的主要作用是可以保證鋼骨、鋼筋、混凝土三位一體工作，防止鋼骨保護(hù)層混凝土縱向劈裂剝落，直接參與鋼骨混凝土柱的抗剪力荷載，提高其抗剪承載力。

5.鋼骨形式的影響。鋼骨截面形式不同，鋼骨的抗彎模量不同，即鋼骨本身的抗彎承載力不同。同時，造成鋼骨與混凝土的黏結(jié)面積不同，兩者之間的黏結(jié)性能也不同。而且，試驗表明，鋼骨翼緣和腹板能夠?qū)炷撂峁┯行У丶s束，增強(qiáng)混凝土的變形能力，改善兩者的共同工作。