鋼骨混凝土在地震區的應用概述

花雙陸 徐利軍

0 引言

近年來,我國的土木工程結構朝著大跨、重載、高聳和承受惡劣條件的方向發展,這無疑推動了一批新型結構的出現。在這些新型結構中,一種與傳統的普通混凝土不同的鋼骨混凝土廣泛使用,因此對鋼骨混凝土的研究也必將受到越來越多的重視。

1 鋼骨混凝土的定義[1]

鋼骨混凝土結構(Steel Reinforced Concrete)是指在鋼筋混凝土內部配置鋼骨的組合結構,簡稱SRC結構。埋置的鋼骨可分為實腹式和空腹式,實腹式可由型鋼或鋼板焊成,空腹式則由綴板、綴條連接角鋼、槽鋼組成。空腹式在日本和前蘇聯都曾大量使用,但制作費用高。實腹式制作簡便、承載力大,近年日本和西方國家普遍使用。

2 鋼骨混凝土的特點及應用[2]

由于混凝土中配置了鋼骨,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揮,所以SRC結構在具備鋼與混凝土組合結構節約鋼材、提高混凝土利用率、降低造價、抗震性能好、施工方便等優點的同時還具有良好的防火、耐腐蝕性能。在SRC結構中,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,增加了結構和構件的延性,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,增加了結構及構件的抗震性能。與鋼筋混凝土結構相比,由于配置了鋼骨,使構件的承載力大大提高,從而有效地減小了梁柱截面尺寸,尤其是抗剪承載力提高和延性加大,可顯著改善抗震性能;與鋼結構相比,鋼骨混凝土構件的外包混凝土可以防止鋼構件的局部屈曲,提高構件的整體剛度,顯著改善鋼構件平面扭轉屈曲性能,使鋼材的強度得以充分發揮。

基于鋼骨混凝土的優點,其應用范圍很廣,目前主要在以下工程領域應用:橋梁工程、高層建筑、混凝土制品、水利水電工程、港口和海洋工程、隧道及地鐵結構工程,以及諸如礦井、軍事防護等其他工程。

3 鋼骨混凝土在地震區使用時的研究

3.1 鋼骨混凝土在國內外的研究[3]

日本建筑學會SRC結構分會于1958年制定了以累加強度為基本體系的SRC結構規范,1963年做了第一次修訂。1975年以確保SRC構件的延性為目的對SRC規范進行了第二次修訂。日本建筑學會于1987年對SRC結構規范進行了第三次修訂,修訂后的SRC規范由允許應力設計法和極限狀態設計法兩部分組成。日本建筑中短柱應用較為廣泛,因而很少研究長柱。近年日本學者針對實腹式SRC構件進行了大量低周往復加載的試驗研究。日本建筑學會經過四次修訂,于2001年形成了新的鋼骨混凝土結構設計規范。

1951年前蘇聯電力建設部出版了SRC結構設計規范,該規范是以空腹式鋼骨的梁和柱及框架結構為主要對象的設計規范,沒有設置箍筋和鋼筋。1978年前蘇聯又出版了“勁性混凝土結構設計指南CN3-78”,這是由前蘇聯混凝土結構研究所編制,該規范與1951年規范有較大的不同,這次實腹式鋼骨混凝土結構為主要內容,它強調必須設置縱向鋼筋和箍筋,它反映前蘇聯在SRC結構方面的研究成果和應用實踐。

20世紀50年代初,我國從蘇聯引進SRC結構。20世紀60年代后由于鋼材緊缺而停止了SRC結構的使用。20世紀 80年代后,隨著我國建筑業的迅猛發展,SRC結構又一次在我國興起。在我國,西安建筑科技大學在1985年和1986年分兩批進行了32個鋼骨混凝土短柱抗震性能的試驗研究,1989年又進行了12根內含工字鋼的鋼骨混凝土柱的試驗,進行了非線性全過程分析[4]。此外,其他科研單位,如中國建筑科學研究院、清華大學和東南大學等也對鋼骨混凝土結構進行了開拓性的研究工作,并取得了較多的研究成果。近些年,趙世春進行了 23根鋼骨混凝土柱和3根混凝土柱在單調及往復循環荷載作用下的試驗,結果發現,鋼骨混凝土柱的破壞形式不同于混凝土柱,其具有較強的抗震能力。賈金青利用14根剪跨比為2.0的試件對鋼骨高強混凝土短柱的抗震性能進行了試驗研究,表明試件的延性隨軸壓比的增大而降低,配箍率高的試件其延性變形能力和承載能力也較大,并提出滿足一定延性的鋼骨高強混凝土短柱軸壓力系數限值。李俊華進行了23個鋼骨高強混凝土柱的低周反復加載試驗,結果表明,在最大水平荷載后,不管承載力衰減的快慢,其滯回曲線都基本上收斂于工字鋼純鋼柱的滯回曲線,體現了鋼骨混凝土優越的抗震性能。

3.2 影響鋼骨混凝土抗震性能的因素[5,6]

1)剪跨比的影響,一方面剪跨比對柱的破壞形態具有顯著影響,隨著剪跨比由小變大,鋼骨混凝土柱會發生剪切斜壓破壞、剪切粘結破壞和彎曲型破壞,破壞時,延性隨著剪跨比的增大而提高。另一方面,剪跨比也影響柱的抗剪承載力,一般抗剪承載力隨著剪跨比的增大而減小,但是當剪跨比大于一定的值時,剪跨比對承載力的影響將不明顯。

2)軸壓比的影響,已有的試驗結果表明,在水平荷載下,柱的變形能力隨軸壓比的增大而減小,在高軸壓比的情況下,延性和耗能能力降低明顯。因此,為保證鋼骨高強混凝土柱具有較好的延性和耗能性能,需對其軸壓比大小進行限制。但是究竟應該將軸壓比限制在何種水平,這需要進行理論和試驗研究后才能確定。

3)配箍率和箍筋形式的影響,鋼筋混凝土柱在相同軸壓比的情況下,位移延性系數隨配箍率的提高而增大。根據已有的試驗,鋼骨混凝土柱的位移延性系數也隨配箍率的提高而增大,因此配箍率對鋼骨混凝土柱的抗震性能具有一定的影響。螺旋箍筋和復合箍筋能對核心混凝土提供更強的約束,因此采用螺旋箍筋和復合箍筋的構件的延性系數更高,抗震性能更好。

4)含鋼量的影響,鋼骨的含鋼量是指內埋鋼骨面積與構件全截面面積之比。已有的試驗結果表明,用鋼量越大的鋼骨混凝土柱,其抗震性能越好。但是,鋼骨混凝土柱的含鋼量也要有一定的限制。各國對鋼骨混凝土構件中的用鋼量均有所規定,美國鋼結構學會規定鋼骨混凝土構件中的用鋼量不得小于4.0%,否則按鋼筋混凝土構件計算;日本規范則將8.0%作為鋼骨混凝土構件中用鋼量的上限。從我國的工程應用來看,用鋼量的浮動范圍較大,從2.5%～7.0%不等。

5)混凝土強度的影響,混凝土強度對柱的抗震性能有顯著影響,隨著混凝土強度等級的增加,其立方體抗壓的峰值應變大而極限應變小,應力—應變曲線的下降段陡,脆性性質明顯。因此,隨著混凝土強度的提高,鋼骨混凝土柱的延性越來越小,抗震性能越來越差。

3.3 鋼骨混凝土抗震性能研究存在的問題

1)由于成本以及試驗條件等原因,目前針對鋼骨混凝土整體結構的試驗研究還很少,并且針對該類構件和結構的恢復力模型也多是借鑒了鋼筋混凝土結構的恢復力模型。因此有必要研究該類構件和結構的恢復力模型,尤其是雙向地震作用下結構和構件的恢復力模型。

2)在結構體系方面,實際工程中往往要求部分采用鋼骨混凝土構件,部分采用鋼筋混凝土構件或鋼構件的混合體系,這就必須了解這種混合體系的工作行為,解決好不同性質構件的連接過渡。

3)研究表明,鋼骨混凝土構件在承受80%極限荷載之后,鋼骨和混凝土之間將產生較大的相對滑移,變形不能協調一致,因此有必要研究該類構件在地震荷載作用下的粘結滑移問題,并建立相應的粘結—滑移分析模型。

4)在地震荷載作用下,節點的受力狀態非常復雜,處于壓彎剪扭復合受力狀態,但目前對鋼骨混凝土梁柱構件節點所進行的試驗不夠,應加強這一方面的研究。

5)混凝土強度對柱的抗震性能有顯著影響,但是到目前為止,對鋼骨高強混凝土柱的研究卻并不多見,已有的成果也只是集中在混凝土強度等級為C60和C70的鋼骨混凝土柱,對混凝土強度更高(如C80)的鋼骨混凝土柱的研究則還很少。

4 結語

鋼骨混凝土具有較好的抗震性能,但鋼骨混凝土的抗震性能中的很多問題還沒有研究清楚,如何在地震區合理使用鋼骨混凝土是今后工程領域的一個研究方向。

[1]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京:科學出版社,2004.

[2]薛建陽.鋼與混凝土組合結構[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

[3]賈金青,趙國藩.鋼骨高強混凝土短柱力學性能[M].大連:大連理工大學出版社,2006.

[4]吳平川,張令心,楊克勇.鋼骨混凝土結構抗震研究綜述[J].世界地震工程,2007,23(4):13-18.

[5]郭子雄,楊 勇,王妙芳.型鋼混凝土結構性能抗震設計研究展望[J].哈爾濱工業大學學報,2005,37(sup):14-18.

[6]賈金青.鋼骨高強混凝土短柱及高強混凝土短柱力學性能的研究[D].大連:大連理工大學,2000.

[7]葉列平,方鄂華.鋼骨混凝土構件的受力性能研究綜述[J].土木工程學報,2000,33(5):1-12.