羅聞捷

同濟(jì)大學(xué) 上海 200092

引言

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)（SRC結(jié)構(gòu)）是鋼與混凝土組合成的結(jié)構(gòu)形式。具備了比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)；與鋼結(jié)構(gòu)相比具有防火性能好，結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性好，節(jié)省鋼材的優(yōu)點(diǎn)。SRC結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于世界各地。1918年，日本的內(nèi)田祥山設(shè)計(jì)了世界上第一座SRC結(jié)構(gòu)大樓。在歐美，達(dá)拉斯的第一國際大廈（72層）等均采用了SRC外框架+內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。在我國，80年代后以金茂大廈為代表的眾多400米以上超高層建筑幾乎都采用了巨型SRC柱或SRC核心筒墻等形式。

1 型鋼混凝土的研究現(xiàn)狀

SRC結(jié)構(gòu)最初是利用混凝土對(duì)鋼骨的保護(hù)作用，起到耐久耐火的作用。對(duì)SRC構(gòu)件性能進(jìn)行大量的研究是從20世紀(jì)50年代開始的。蘇聯(lián)的SRC理論堅(jiān)持極限強(qiáng)度理論，認(rèn)為鋼與混凝土完全共同工作，并認(rèn)為在極限狀態(tài)下型鋼達(dá)到完全屈服狀態(tài)；歐美對(duì)SRC結(jié)構(gòu)的研究是從配空腹式角鋼骨架開始的。20世紀(jì)60年代，Bondnal提出了描述柱工作性能的強(qiáng)度理論；以東京大學(xué)的平井善勝、仲雄尾等研究小組的理論實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，日本建筑學(xué)會(huì)于1958年制定了以累加強(qiáng)度為基本體系的《鋼骨混凝土規(guī)范》。我國自80年代起對(duì)SRC結(jié)構(gòu)開展了廣泛的研究，包括受彎、受壓構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的受力性能、軸壓比限制、構(gòu)件的徐變與收縮、抗震承載力等，并通過模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)、擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，深入研究了靜力動(dòng)力特性和分析方法。

2 美國規(guī)范的設(shè)計(jì)方法

美國的SRC規(guī)范主要包括：ACI編制的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》ACI 318-14；AISC編制的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》AISC-LRFD 99和ANSI/AISC 360-10；NEHRP編制的FEMA P-1050這三類。

ACI 318規(guī)范將型鋼視為等值的鋼筋，然后再以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行SRC構(gòu)件的設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足變形協(xié)調(diào)和內(nèi)力平衡等基本問題，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜。另外，因完全采用了混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)方法，其適用性值得探討。AISC規(guī)范采用極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將鋼筋混凝土部分轉(zhuǎn)換為等值型鋼，再按純鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算時(shí)需要考慮型鋼與混凝土之間的剪力傳遞。NEHRP規(guī)范整合了ACI 318規(guī)范和AISC-LRFD規(guī)范的內(nèi)容。在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，折中考慮了混凝土黏粘結(jié)力的影響，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，采用單一階段設(shè)計(jì)，主要以結(jié)構(gòu)材料發(fā)揮塑性變形能力為依據(jù)，采用靜力或動(dòng)力設(shè)計(jì)方法，解決了前兩本規(guī)范缺乏抗震設(shè)計(jì)的問題。

3 歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)方法

歐洲的SRC設(shè)計(jì)規(guī)范原本散落在各國規(guī)范中，隨著歐盟的建立，1985年共同制定了歐洲組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN 1994。另外，蘇聯(lián)的《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》（CИ3-78）也是SRC領(lǐng)域的重要規(guī)范之一。

EN 1994規(guī)范與CИ3-78規(guī)范均假定型鋼與混凝土完全交互作用，按變形協(xié)調(diào)的方法考慮，構(gòu)件截面僅有一個(gè)對(duì)稱軸，將型鋼與混凝土均按矩形應(yīng)力塊理論考慮，采用極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。顯然這種做法偏于不安全，因?yàn)樵趯?shí)際工作中，靠近中和軸處的型鋼應(yīng)力圖與簡(jiǎn)化應(yīng)力圖有較大差異，型鋼完全達(dá)到屈服狀態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的。另外計(jì)算公式未考慮型鋼與混凝土間的黏結(jié)滑移作用，按此計(jì)算得到的構(gòu)件承載能力偏大。

4 日本規(guī)范的設(shè)計(jì)方法

日本建筑學(xué)會(huì)在1958年頒布了《鋼骨鋼筋混凝土計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及其說明》（AIJ-SRC規(guī)范），目前的最新版本為2014年版，另外還有《鋼骨鋼筋混凝土建筑配筋指南及其說明》，組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等多本相關(guān)規(guī)范。

AIJ-SRC規(guī)范涉及了梁、柱、節(jié)點(diǎn)、剪力墻等結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、承載力計(jì)算及抗震設(shè)計(jì)等，內(nèi)容翔實(shí)完整。特別是抗震設(shè)計(jì)部分，對(duì)于高烈度區(qū)設(shè)計(jì)有較大參考價(jià)值。規(guī)范采用二次設(shè)計(jì)法，一次設(shè)計(jì)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，二次設(shè)計(jì)以極限強(qiáng)度驗(yàn)算保證有水平承載能力。這種方法主要是以強(qiáng)度疊加法為理論基礎(chǔ)，忽略了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)握裹力?？傮w而言，日本的計(jì)算方法較為保守。

5 我國規(guī)范的設(shè)計(jì)方法

我國規(guī)范編制起步較晚，現(xiàn)行規(guī)范為冶金部的《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（YB9082-2006），和建設(shè)部的《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ138-2016）。

我國的JGJ 138規(guī)范和YB9082規(guī)程包括了型鋼梁、型鋼柱、梁柱連接節(jié)點(diǎn)、剪力墻等構(gòu)件部分的內(nèi)容，其中JGJ138-2016規(guī)范增加完善了抗震等級(jí)、抗震調(diào)整系數(shù)等抗震措施及抗震工況計(jì)算，并添加了鋼管混凝土、鋼板剪力墻、鋼與混凝土組合梁、組合樓板等方面的內(nèi)容，較為完善，為目前國內(nèi)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主流的參考規(guī)范。

YB9082規(guī)程借鑒了日本規(guī)范，采用了簡(jiǎn)單的強(qiáng)度疊加方式，而JGJ 138規(guī)范則更多借鑒蘇聯(lián)規(guī)范，采用比對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法計(jì)算構(gòu)件的抗壓抗彎強(qiáng)度。

6 結(jié)束語

由上述分析可知，各國的SRC規(guī)范按設(shè)計(jì)理念大多可分成三大類型：

一是鋼結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，即在SRC結(jié)構(gòu)中將鋼筋混凝土部分轉(zhuǎn)化為相當(dāng)?shù)男弯?，如美國AISC-LRFD和NEHRP規(guī)范。

二是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，即將SRC結(jié)構(gòu)的型鋼受拉部分視為鋼筋，然后利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，如CИ3-78、EN-1994、ACI 318及我國JGJ 138規(guī)范，采用這種方式的規(guī)范偏經(jīng)濟(jì)。

三是強(qiáng)度疊加觀點(diǎn)，即將型鋼與鋼筋混凝土分開計(jì)算，然后進(jìn)行強(qiáng)度疊加，如AIJ-SRC及我國YB9082規(guī)范。采用這種方式的規(guī)范偏保守。

鑒于SRC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的使用范圍、研究基礎(chǔ)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，美國NEHRP規(guī)范和日本AIJ-SRC規(guī)范較為全面和系統(tǒng)。建議在安全等級(jí)、重要性高的SRC結(jié)構(gòu)中優(yōu)先使用日本規(guī)范或YB9082規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)安全等級(jí)、重要性較低的普通SRC結(jié)構(gòu)采用JGJ 138規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。