鋼骨混凝土結構及其抗震性能研究

登封電廠集團有限公司 陳東玲

河南省農村科技開發(fā)中心 蘇永濤

鋼骨混凝土結構及其抗震性能研究

登封電廠集團有限公司 陳東玲

河南省農村科技開發(fā)中心 蘇永濤

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

一、鋼骨混凝土構件形式與設計理論

鋼骨混凝土構件根據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成的空間桁架式的骨架。

實腹式鋼骨混凝土構件具有較好的抗震性能，而空腹式構件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構件基本相同。在日本阪神地震中，空腹式鋼骨混凝土結構破壞的事例很多。因此，目前在抗震結構中多采用實腹式鋼骨混凝土構件，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翼緣宜位于受壓區(qū)，另一側翼緣位于受拉區(qū)。

從20世紀50年代起，國外對SRC構件性能、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，提出了許多風格各異的理論和方法。以蘇聯為代表的極限強度理論認為，在SRC構件變形較大時，應力應變關系已進入彈塑性狀態(tài)，已不能保證型鋼與混凝土共同工作，進一步有日本和英美為代表的允許應力強度理論，即日本的疊加強度理論和英美的彈性設計方法。

在我國，冶金工業(yè)部1998年頒布了行業(yè)標準《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》。建設部于2001年頒布了行業(yè)標準《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》。以上兩個行業(yè)標準均是依據國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GBJ9-87）、《建筑抗震設計規(guī)范》（GBJ11-89）、《混凝土結構設計規(guī)范》（GBJ10-89）而制定。

二、鋼骨混凝土構件計算理論

鋼骨混凝土結構構件的計算可以分為以下3種。

1.按平截面假定，采用極限強度設計方法，按鋼筋混凝土結構理論進行計算。即認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行計算其強度。按該法計算時，少數構件偏于不安全，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。

2.參數折算的鋼結構計算方法。按鋼結構理論進行計算，即將鋼骨混凝土柱用具有修正的屈服強度、彈性模量和回轉半徑的鋼構件代替，然后按鋼構件計算公式進行彎矩和軸力下的承載力計算。對于構件的抗剪承載力不進行專門計算，而是通過對箍筋的構造規(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件按鋼筋混凝土方法進行計算。對于實腹式鋼骨混凝土構件的計算，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，其計算結果偏于保守。

三、鋼骨混凝土結構抗震性能的影響因素

盡管各國的鋼骨混凝土構件的計算理論有很大不同，但在對鋼骨混凝土結構的抗震性能研究中則都參考了鋼筋混凝土結構理論。自從20世紀50年代以來，很多國家進行了大量的鋼骨混凝土結構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、極限位移轉角、耗能能力3項指標均減小，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《型鋼混凝土組合結構技術規(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%。《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》規(guī)定鋼骨混凝土構件的含鋼率不小于2%，也不宜大于15%。試驗表明，在一定范圍內，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面積不同，兩者之間的黏結性能也不同。而且，試驗表明，鋼骨翼緣和腹板能夠對混凝土提供有效地約束，增強混凝土的變形能力，改善兩者的共同工作。