關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)形式;鋼骨混凝土;抗震性能

 

    現(xiàn)在的建筑主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu),由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)投資巨大、可以建造高層建筑,所以往往都建在經(jīng)濟繁榮、人口密集的大、中城市,而這些城市又大都處于地震區(qū)。一旦它們在遭受強烈地震作用下發(fā)生倒塌破壞,不但會造成難以預料的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失,而且會對社會的穩(wěn)定、經(jīng)濟的繁榮帶來負面的影響。隨著對建筑功能的要求越來越高,建筑的平面布置和豎向體型日益復雜,使得結(jié)構(gòu)的布置在豎向、平面以及剛度方面都出現(xiàn)了許多不規(guī)則的結(jié)構(gòu),這樣就造成了結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應極為復雜,對地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能適應現(xiàn)代建筑發(fā)展的需要,新的結(jié)構(gòu)形式隨之不斷涌現(xiàn)。

近年來,在國內(nèi)外出現(xiàn)了一種新的結(jié)構(gòu)形式- 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),并已應用在工程之中。如上海的金茂大廈等。通過對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)多年的工程實踐、試驗研究及理論分析,這種介于鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)日益受到了人們的重視。

 

    鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是指在鋼筋混凝土內(nèi)部配置鋼骨的組合結(jié)構(gòu),簡稱SRC(Steel Reinforced Concrete) 結(jié)構(gòu)。SRC 結(jié)構(gòu)的特是在混凝土內(nèi)配置鋼骨,這些鋼骨可以是扎制的,也可以是焊接的。在大型建筑中經(jīng)常配置焊接的鋼骨,可以根據(jù)構(gòu)件截面大小、受力特點,考慮到受力的合理性,靈活選擇焊接鋼骨各個板件的寬度和厚度。所配置的鋼骨的形式有角鋼、工字鋼、寬翼緣工字鋼、雙十字鋼、雙槽鋼、十字型鋼、箱型方鋼管等。由于配置了鋼骨,使得鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能都得以充分的發(fā)揮,所以SRC 結(jié)構(gòu)在具備鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材、提高混凝土利用率、降低造價、抗震性能好、施工方便等優(yōu)點的同時還具有良好的防火、耐腐蝕性能。因為這種結(jié)構(gòu)具有廣闊的應用前景,故促使人們對這種結(jié)構(gòu)進行了深入的研究。

 

    在SRC 結(jié)構(gòu)中,鋼骨與高強混凝土之間相互約束,使各自的強度得到了提高,增加了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性,從而改善由于高強混凝土本身延性差而帶來的不利于抗震的脆性特性,增加了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能。在高烈度地震區(qū)的高層或超高層建筑中若采用單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),整個結(jié)構(gòu)的延性實際上已經(jīng)達不到“大震不倒”的要求,若采用鋼結(jié)構(gòu),勢必增加許多工程造價。

 

    國內(nèi)外工程實踐證明,SRC 結(jié)構(gòu)同鋼結(jié)構(gòu)相比,節(jié)省鋼材、單位承載力高、剛度大、抗疲勞、抗腐蝕性能好、安全度高?？晒?jié)約鋼材50 %左右,每平方米造價可降低10 %～40 %。同時由于結(jié)構(gòu)剛度的增加,可減少結(jié)構(gòu)側(cè)移1/ 3～1/ 2 ;同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,在用鋼量相同時,強度提高。

 

    SRC 結(jié)構(gòu)的使用是從20 世紀初期始于歐美的,但當時僅僅是利用混凝土對鋼骨的保護作用,起到耐久、耐火的作用。對SRC 構(gòu)件的性能進行大量的研究是從20 世紀50 年代開始的。很多學者在計算模型、計算和分析方法及簡化計算等方面做了大量的工作,提出了許多適合本國實情的理論和方法,概括起來主要有三種:

 

    (1) 前蘇聯(lián)的計算理論是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計算方法, 以極限強度理論為設計依據(jù),認為鋼骨與混凝土是完全共同工作的,這與實際情況略有出入,試驗證明前蘇聯(lián)的計算方法在某些方面偏于不安全;

 

    (2) 歐美的計算理論是基于鋼結(jié)構(gòu)的計算方法,以允許應力強度理論為設計依據(jù),考慮混凝土的作用,在試驗基礎上將試驗曲線進行修正,突出反映在組合柱的計算上;

 

    (3) 日本的計算理論是建立在疊加理論基礎上的方法,是以允許應力強度理論為設計依據(jù),認為SRC 結(jié)構(gòu)的承載能力是鋼骨與鋼筋混凝土兩者承載能力的疊加,經(jīng)過比較,日本的計算方法偏于安全。

 

    日本的SRC 結(jié)構(gòu)起源于1910 年時從歐洲傳入的一種護墻結(jié)構(gòu),它是用鋼骨作為骨架埋入石護墻的結(jié)構(gòu)。后來用鋼筋混凝土外包鋼骨代替鋼骨周圍的磚石,即是日本SRC 結(jié)構(gòu)的雛形。日本是多地震國家,特別重視SRC 結(jié)構(gòu)抗震性能的研究和工程應用。1921 年建成的30m 高的興業(yè)銀行是日本早期典型的全SRC 結(jié)構(gòu),它在關(guān)東大地震中幾乎沒有受到什么損害,引起了日本工程界的重視。內(nèi)藤多仲在1924 年發(fā)表的“鋼結(jié)構(gòu)震害調(diào)查” 一文中指出:層數(shù)較多的SRC 結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能且震害極小。自此,在日本,6 層以上的建筑物開始廣泛采用SRC 結(jié)構(gòu)并逐漸發(fā)展成為日本獨特的一種結(jié)構(gòu)體系。1950 年公布的日本建筑基本法,作為建筑行政指導方針,要求6 層以上的建筑物采用SRC 結(jié)構(gòu)。1953 年要求7 層以上、1970 年要求8 層以上建筑物采用SRC 結(jié)構(gòu)。在日本,SRC 結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并列為四大結(jié)構(gòu),到1985 年,SRC 結(jié)構(gòu)的建筑面積占總建筑面積的62. 8 % ,10～15 層高層建筑中SRC 結(jié)構(gòu)的建筑物幢數(shù)占總數(shù)的90 %左右。

 

    SRC結(jié)構(gòu)在日本的廣泛研究是從二戰(zhàn)后開始的,在戰(zhàn)后的修復中,SRC結(jié)構(gòu)建筑物不斷涌現(xiàn),由于建立設計方法的需要,促進了對結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)研究。1951～1956 年,東京大學生產(chǎn)技術(shù)研究所的平井善勝、若林實研究小組為研究SRC 結(jié)構(gòu)承載力,進行了SRC梁的彎曲、SRC 子的偏壓、SRC 梁、SRC 柱剪切、SRC 梁柱節(jié)點以及粘結(jié)等各種試驗。此外,東京大學的仲雄尾、高田周三研究小組進行了足尺寸梁的剪切及梁柱節(jié)點試驗。梅村魁研究小組進行了SRC柱偏壓試驗。以上研究基本是以空腹式SRC 構(gòu)件為主。以這些研究成果為基礎,日本建筑學會于1958 年制定了以累加強度為基本體系的《鋼骨混凝土規(guī)范》。1958 年規(guī)范制定以后,對SRC結(jié)構(gòu)的研究也基本告一段落,直到20 世紀60 年代, 在一次地震中發(fā)現(xiàn)許多鋼筋混凝土柱發(fā)生了剪切破壞,而SRC 結(jié)構(gòu)的損壞極其輕微,由此促進了對SRC 構(gòu)件的剪切性能的進一步研究,并取得了防止剪切破壞的措施。日本從1959 年開始生產(chǎn)H 型鋼,1960 年后,橫尾義貫、若林實等進行了以H 型鋼為鋼骨的SRC構(gòu)件的彎曲、軸心及偏心受壓、剪切及節(jié)點的試驗研究,證實了當時的《鋼骨混凝土規(guī)范》同樣適用于采用H 型鋼的SRC 構(gòu)件。1963 年,日本對1958 年《鋼骨混凝土規(guī)范》進行了第一次修改,修改后的內(nèi)容與第一版基本相同,只是對有關(guān)剪力計算條文給出了具體的計算公式,并在柱子部分的說明中給出了鋼骨和鋼筋為非對稱配置時的累加強度計算公式。

 

    1995 年,日本關(guān)西大地震倒塌和嚴重破壞的建筑物中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占55 % ,鋼結(jié)構(gòu)占38 % ,而SRC 結(jié)構(gòu)及其混合結(jié)構(gòu)僅占7 %。經(jīng)過分析表明,SRC 結(jié)構(gòu)的破壞主要為非埋入式柱腳及SRC 與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層等薄弱環(huán)節(jié)。目前,日本已成為對SRC 結(jié)構(gòu)研究和應用最多的國家。

 

    總而言之,國外關(guān)于SRC 結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有理論各有千秋,都不能成為一種成熟理論,有待于進一步發(fā)展和完善。

 

    眾所周知,長期以來我國的鋼產(chǎn)量一直嚴重不足,為了滿足大規(guī)模發(fā)展、建設的需要,自20 世紀50 年代起,我國就引進了前蘇聯(lián)的SRC 結(jié)構(gòu),如包頭電廠的主廠房和鞍山鋼鐵公司的混鐵爐基礎都是由蘇聯(lián)設計,我國施工建成的SRC 結(jié)構(gòu)。后來我國設計人員也按照蘇聯(lián)規(guī)范設計了一些SRC 結(jié)構(gòu),如鄭州鋁廠的蒸發(fā)車間。這個時期所用的都是空腹式SRC 結(jié)構(gòu),而且不配置鋼筋和箍筋,其應用僅限于少數(shù)工業(yè)廠房和特殊結(jié)構(gòu),沒有推廣到民用和公用建筑物中去。20 個世紀60 年代以后,由于片面強調(diào)節(jié)約鋼材,SRC 結(jié)構(gòu)應用就減少了。20 世紀80 年代初期,隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,SRC 結(jié)構(gòu)又一次在我國興起。如日本為我國設計的北京國際貿(mào)易中心和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是SRC 結(jié)構(gòu),北京24 層的香格里拉飯店則完全是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu),其柱子全部為SRC 柱。

 

    我國對SRC 結(jié)構(gòu)的研究始于在20 世紀80 年代中期。鄭州工學院、西安建筑科技大學與原冶金部建筑研究總院最早開始進行研究,繼而西南交通大學、東北大學、重慶建筑大學、清華大學、哈爾濱建筑大學、東南大學、中國建筑科學院、沈陽建筑工程學院等高等院校、科研單位也展開了廣泛的研究。在這一時期, 重點研究了SRC 受彎構(gòu)件的正截面和斜截面的受力性能,并建立其正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力的計算公式,以及研究了徐變、收縮等問題;研究了SRC 構(gòu)件的抗裂性能,剛度和裂縫等性能,并建立其剛度和裂縫寬度計算公式;對于SRC 受壓構(gòu)件,探討了其受力性能,并建立了其軸心受壓、偏心受壓及抗震承載力的計算公式,以及討論了軸壓比的限值等問題。

 

    進入20 世紀80 年代末之后,各高等院校和科研單位又對SRC 節(jié)點的受力機理,抗震性能進行了探討,并建立了其受剪承載力的計算公式;對SRC 邊柱剪力墻的工作機理、破壞過程及抗震性能也進行了研究;對SRC 結(jié)構(gòu)中鋼骨與混凝土之間的滑移進行了探討。由于SRC 結(jié)構(gòu)具有強度高、剛性大、延性及耗能性能優(yōu)良等特性,由SRC 構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震能力。因此,西安建筑科技大學又進行了SRC 框架結(jié)構(gòu)的模擬地震振動臺試驗、擬動力試驗,深入研究了SRC 結(jié)構(gòu)的靜動特性與分析方法。在我國自己的試驗研究與理論研究的基礎上,初步形成了一套較完整的設計計算理論。1989 年曾提出了《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的設計建議》,1998 年在對SRC 梁、SRC 柱及其SRC 節(jié)點的基本力學性能、抗震性能和影響因素系統(tǒng)認識的基礎上,考慮日本規(guī)程,冶金部建筑總院主編并頒發(fā)了行業(yè)標準《鋼骨混凝土設計規(guī)程》( YB9082 - 97) 。2001 年,中華人民共和國建設部又頒布了行業(yè)標準《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(J GJ138 - 2001) , 并于2002 年1 月1 日實施。

 

    目前在工程應用中,混凝土的強度等級普遍采用高強度等級,因此改善結(jié)構(gòu)的延性就顯得尤為必要。從現(xiàn)有文獻來看,改善結(jié)構(gòu)的延性的方法主要有三種思路: (1) 加密箍筋; (2) 采用鋼骨高強混凝土結(jié)構(gòu); (3) 采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。眾所周知,加密箍筋雖然對高強混凝土構(gòu)件延性有所改善,但達到一定程度后效果并不顯著,同時給現(xiàn)場施工帶來了很大困難。鋼管混凝土是解決上述問題的較好方式,它能充分發(fā)揮混凝土和鋼管這兩種材料的性能,但同時也存在節(jié)點處理困難,用鋼量大和需要特殊防火處理等缺點。鋼骨高強混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼管混凝土和普通高強混凝土之間的一種結(jié)構(gòu)方式。在HSRC 結(jié)構(gòu)中,鋼骨與高強混凝土之間相互約束,使各自強度得到提高,并且因為鋼骨的存在,增加了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性,從而改善由于高強混凝土本身延性差而帶來的不利于抗震的脆性特性,增加了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能,特別是改善了用來發(fā)揮鋼骨高強混凝土結(jié)構(gòu)抗壓性能的受壓構(gòu)件延性。因此可以預見鋼骨高強混凝土結(jié)構(gòu)在工程中應用會越來越普遍。

 

    [ 1 ] 　羅福午. 土木工程概論[M] . 武漢:武漢工業(yè)大學出版社,2001.

    [2 ] 　周起敬,姜維山,潘泰華. 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設計施工手冊[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

    [ 3 ] 　劉之洋,王連廣,等. 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M] . 沈陽:東北大學出版社,2000.

    [ 4 ] 　趙鴻鐵. 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M] . 北京:科學出版社,2001.

    [ 5 ] 　池田尚治,李先瑞,耿花榮,等. 鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設計手冊[M] . 北京:地震出版社,1992 ,9.

    [6 ] 　冶金工業(yè)部北京建筑研究總院. 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)程[M] . 北京:冶金工業(yè)出版社,1998.

    [ 7 ] 　中國人民共和國建設部. 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(J GJ138 - 2001) [ S] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.