勁性型鋼混凝土結構理論與設計方法

彭韶歡

該文簡要地介紹了型鋼泥凝土組合結構。綜合國內外有關資料總結了型鋼泥凝土在國內外研究和應用以及設計方法，對需要進一步開展的研究工作進行了探討。

型鋼混凝土（SRC）結構是以型鋼為鋼骨并在型鋼周圍配置鋼筋和澆筑混凝土的埋入式組合結構體系，這種結構體系在日本稱之為鋼骨混凝土結構（Steel Reinforced Concrete）。在英、美等西方國家稱之為混凝土包鋼結構（Steel Encased Concrete），在前蘇聯則稱之為勁性鋼筋混凝土結構。這類結構主要用來構成建筑物的梁和柱，主要用于高層建筑結構中，特別是應用于抗震設防地區的高層建筑結構中。內含型鋼可分為實腹式和空腹式兩大類：實腹式型鋼通常采用由鋼板焊接拼制成或直接軋制而成的工字型、口字型、十字型截面。空腹式型鋼一般由綴板或綴條連接角鋼或槽鋼而成。空腹式型鋼由于制作簡便、承載力大，以及良好的抗震性能，目前被廣泛采用。

型鋼混凝土結構在日本的應用和研究

SRC結構在日本應用較早，應用極為廣泛，相關研究和試驗也在國際上處于領先地位。20世紀20年代，日本在一些工程中開始采用SRC結構。1930年以前，日本的SRC結構以鋼骨為主要配筋，鋼筋只是輔助性的。從1930～1970年，日本的SRC結構以空腹式鋼骨為主要形式；1970年以后，日本的SRC結構則以實腹式鋼骨為主。1964年以前SRC結構主要應用在6～10層的建筑物上，1964年以后開始應用到超高層建筑上。根據統計：1981～1985年間，6層以上的建筑物中，采用SRC結構的棟數占總棟數的45.2%，采用SRC結構的棟數占總面積的62.8%。截止到目前，SRC結構的工程應用日益廣泛，它與鋼結構、木結構、和RC結構并列為四大結構之一。

19世紀20年代，日本就開始做SRC結構的有關試驗。1928年齊田時太郎做了軸心受壓柱試驗，1929年檳田捻做了偏心受壓柱試驗，1932年內藤多仲做了梁柱節點試驗，1937年棚橋做了梁的試驗。1951年日本建筑學會成立了SRC結構分會，開始對SRC結構進行了全面系統的研究。1958年第一次制定了《鋼骨混凝土結構設計標準》，并前后進行了三次修訂，基本上形成較為完整的設計理論和方法。

型鋼混凝土結構在歐美的應用和研究

SRC結構在歐美的應用雖不及在日本廣泛，但是歐美應用SRC結構的時間更早。歐美國家的工程技術人員最初是為了滿足鋼結構的防火要求，在鋼結構外包上混凝土，稱為混凝土包鋼結構。1902年加拿大學者Mackay進行了混凝土內埋型鋼的空腹式SRC梁的試驗，認為混凝土與型鋼具有協同工作的性能。1908年Burr做了空腹式SRC柱的試驗，發現混凝土外殼使柱的強度明顯提高。但是，在很長的時間內，混凝土包鋼結構仍按照普通鋼結構設計，并不考慮混凝土外殼對構件強度和剛度的提高。19世紀40年代后，歐美國家的工程技術人員開始意識到外包混凝土對提高剛度的有利作用，在考慮折算剛度后仍按照普通鋼結構設計。美國在《鋼筋混凝土房屋建筑規范》（ACI318～89）中有“組合受壓構件”的專門規定。英國在《英國標準BS5400》（1978～83）規程中也列有SRC柱的技術規定。折算剛度法一直沿用，并編入1985年歐洲統一規范EC4《組合結構》。

型鋼混凝土結構在東歐國家的應用和研究

前蘇聯在二次世界大戰后，為了加快恢復重建，采用了大量的SRC結構。1951年蘇聯電力建設部出版了勁性鋼筋混凝土結構設計規范，主要是關于空腹式鋼骨混凝土梁和柱以及框架結構的設計規定，但是鋼骨混凝土構件中沒有設置柔性鋼筋和箍筋。1978年蘇聯混凝土結構研究所編制了（勁性混凝土結構設計指南》（CN3-78），它是以實腹式SRC構件為主要內容，強調必須設置柔性鋼筋和箍筋。對SRC梁的正截面計算根據中和軸不經過型鋼、經過型鋼和經過型鋼翼緣3種情況而定。對SRC柱采用將型鋼折算成等效混凝土，由此求其偏心距增大系數。在計算臨界荷載時，考慮荷載偏心距，柱子長細比，荷載作用時間等影響。

型鋼混凝土結構在我國的應用和研究

50年代初，我國從前蘇聯引進了SRC結構，內蒙古電廠的主廠房和鞍山鋼鐵公司的沉鐵爐基礎是由前蘇聯設計，由我國施工的SRC結構，后來由于片面追求節省鋼材，其應用只限于少量工業廠房和特殊結構，并于60年代末，這種結構幾乎停止使用。80年代后，隨著我國建筑業迅猛發展，SRC結構又一次在全國興起。北京的國際貿易中心和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是SRC結構；北京香格里拉飯店高24層，其柱子為型鋼混凝土柱，而梁采用組合梁；北京燕莎中心、大連渤海大酒店以及上海的金茂大廈等都采用了型鋼混凝土結構。其中金茂大廈是目前我國采用SRC結構的最高建筑物。但總體來說，SRC結構在我國應用相當有限。

我國對型鋼混凝土的研究起步較晚，自20世紀80年代才開始對型鋼混凝土結構進行較系統的研究。西安建筑科技大學與原冶金部建筑研究總院最早開始研究。1986年國家計委工程建筑國家標準規范重點科研項目“混凝土結構設計規范第四批科研課題”將“型鋼混凝土結構性能及方法”列為研究課題之一，組成專門研究課題組，進行了一系列的試驗研究，并負責編寫技術規程。經過多年的試驗研究和工程實際應用，參考日本的SRC結構設計標準，1998年冶金工業部頒發了我國第一部型鋼混凝土結構行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》（YB9082-97）。

型鋼混凝土現有設計方法簡介

目前國內外型鋼混凝土結構計算理論主要有三種：

基于鋼結構的計算方法并考慮外圍混凝土作用。這種方法主要是歐美國家采用。適用于用鋼量較大的情況。

基于鋼筋混凝土結構的設計方法，認為型鋼和混凝土共同工作的。前蘇聯采用這種方法。

疊加方法。即將型鋼部分和鋼筋混凝土部分承載力疊加。日本主要采用這種方法。現有的不同理論各有千秋，有待于進一步發展。在我國，《鋼骨規程》采用簡單疊加方法；《型鋼規程》采用基于鋼筋混凝土結構的設計方法。

針對型鋼混凝土結構的研究與應用現狀，筆者認為應進一步研究的課題有：SRC結構的動力性能，特別是抗震性能；型鋼初應力以及混凝土徐變對SRC結構性能影響：節點性能；高性能SRC結構力學性能；可靠度；SRC結構粘結強度；SRC在樁基中的應用；型鋼輕骨料混凝土組合構件性能。目前我國高層發展迅速，建筑體型和建筑功能越來越復雜，而我國大部分的沿海經濟發達地區均為要求進行抗震設防的地區。由于SRC結構具有良好的抗震性能和較高的承載能力，SRC結構在我國有著非常廣闊的發展和應用前景。