關于鋼骨混凝土結構抗震的研究分析

程銘 廉志顯

【摘要】鋼骨混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結構是在鋼筋混凝土內部埋置型鋼或焊接鋼構件而形成的一種組合結構。主要有梁、柱、墻、板等組合構件，截面可以為實腹式和空腹式兩種。本文首先闡述了鋼骨混凝土結構的特點，對鋼骨混凝土結構抗震進行了研究分析，最后論述了鋼骨混凝土的工程應用。

【關鍵詞】鋼骨混凝土；結構抗震；特點；應用

盡管鋼骨混凝土構件和結構在我國高層及超高層建筑中應用得越來越多，到目前為止，國內外對其研究的成果多集中于構件的強度、剛度研究，少量體系研究，并不系統完善，至今未形成一套完整的抗震設計理論和可供設計人員參考使用的抗震規范或規程，因此對這種結構和構件的抗震性能和設計方法的研究是一個急迫而有意義的課題。以下就鋼骨混凝土結構抗震進行研究分析，以供參考。

1、鋼骨混凝土結構的特點

在鋼骨混凝土結構中，鋼骨與外包鋼筋混凝土形成整體，共同承擔荷載的作用，可以充分利用各自優點，其受力性能優于這兩種結果的簡單疊加。

1.1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，從而有效的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。此外，鋼骨架本身具有一定承載能力，可以利用它承受施工階段荷載，將模板懸掛在鋼骨架上，省去支撐，有利于流水作業，縮短施工工期。

1.2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，顯著改善鋼構件出平面扭轉屈曲性能，使鋼材的強度得以充分發揮。采用鋼骨混凝土結構，一般可比純鋼結構節約鋼材達50%以上。

1.3外包混凝土增加了結構的耐久性和耐火性，鋼骨混凝土結構比鋼結構具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結構的變形和振動。

1.4具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結構的變形；

2、鋼骨混凝土結構抗震的研究分析

2.1鋼骨混凝土結構試驗研究。目前針對鋼骨混凝土整體結構的動力試驗研究還較少。陸續開展了SRC-RC柱-RC梁混合體系的彈塑性試驗、RC柱-鋼梁和SRC柱-鋼梁低周往復試驗、SRC框架振動臺試驗。從實測的框架在各級荷載作用下的層間恢復力曲線可知，滯回曲線較為飽滿，始終未出現類似RC結構中的捏攏、主筋粘結破壞及滑移等現象，證明了這種框架具有較大的延性和較強的耗能能力。

2.2鋼骨混凝土構件試驗研究。日本是對鋼骨混凝土結構研究與應用較多的國家，到1985年，鋼骨混凝土結構的建筑面積占建筑總面積的62.8%，10～15層高層建筑中鋼骨混凝土結構的建筑物幢數占總數90%左右。鋼骨混凝土結構在幾次大地震中經受了考驗，充分展示了它的優越抗震性能。日本早在上世紀二十年代就展開了針對SRC結構的研究，五十年代以后，促成了以累加強度為基礎的SRC規范的產生。隨著對SRC構件抗震性能了解的逐步深入，多次修訂了SRC結構規范。1968年日本十勝沖近海地震后修改SRC結構規范要求停止使用缺乏配格構式型鋼的SRC構件，并建議使用實腹式型鋼。我國自20世紀70年代開始，對鋼骨混凝土結構進行了一系列研究，西安建筑科技大學、中國建筑科學研究院、清華大學和東南大學等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。陸續開展了SRC柱和RC柱在單調及往復荷載試驗、高強混凝土（SRHC）短柱抗震性能試驗、異形截面鋼骨混凝土柱和圓形截面鋼骨混凝土柱的抗震性能試驗、聯肢鋼骨剪力墻及鋼骨混凝土核心筒的偽靜力試驗、鋼骨混凝土剪力墻的抗震性能試驗等。其它國家針對SRC構件進行的研究主要SRC構件的循環往復荷載試驗、SRC柱受彎-扭聯合作用下的擬靜力試驗等。

2.3鋼骨混凝土框架節點試驗研究。日本1952年即對SRC框架節點開展試驗研究，提出了一種能夠反映節點主要受力特征的滯回模型，其假定節點由四個單元模型構成，最后通過疊加每個單元模型的恢復力特征得到節點的滯回特征，理論結果與試驗結果吻合較好。我國西安建筑科技大學最早在1985年和1986年進行SRC節點的試驗。隨后的研究主要有，SRC節點低周荷載試驗，SRHC柱與SHC梁框架邊節點試驗和SRHC框架節點低周荷載試驗研究。在試驗研究基礎上，考慮了節點配箍率、含鋼率和軸壓比對節點延性、耗能和強度、剛度退化等影響。

2.4鋼骨混凝土構件和結構非線性分析。組合梁柱構件的非線性分析模型多采用桿系模型。將桿中間設置為線彈性彈簧，兩端采用非線性彈簧來模擬，構件的非線性變形完全集中于末端彈簧，通過合理選取末端彈簧的彎矩-曲率關系，該模型可以描述構件復雜的滯回關系。為了計算混合結構體系的彈塑性性能，非線性彈簧有基于空間屈服面模型，即P-MX-MY的形式、考慮鋼骨與混凝土之間的粘結滑移形式、退化三線型模型M-恢復力模型、四折線型M-恢復力模型描述。纖維模型是近年來流行的方法，直接將模型建立在分布截面的纖維上，直接從材料的本構關系出發得到結構的非線形性能，可以考慮軸力-雙向彎矩之間的耦合作用。針對SRC結構而言，由于其由兩種材料組成，它的非線性也就直接來源于鋼和混凝土這兩種材料的非線性和相互之間的粘結滑移。另一種方法是將SRC柱分為鋼筋混凝土和鋼骨兩部分，其中的鋼筋混凝土部分采用桁架-拱力學模型，鋼骨部分沿其斷面和長度進行細分，選取合適的混凝土、鋼筋和鋼骨的恢復力模型之后，將兩部分分別得到的荷載-位移滯回曲線進行疊加用于鋼骨混凝土柱的滯回曲線。

目前國內外在鋼骨混凝土結構的非線性分析中廣泛采用的是桿系模型和方法，包括靜力彈塑性分析和動力彈塑性分析。SRC結構彈塑性分析中，梁柱構件多采用集中塑性鉸模型、考慮軸力-彎矩耦合的三維空間模型等，鉸模型本構多為簡化的多線性模型。

3、鋼骨混凝土的工程應用

由于鋼骨混凝土充分發揮了鋼與混凝土兩種材料的優點，其在高層及超高層建筑中得到了廣泛的應用，鋼骨混凝土結構具有良好的力學性能，早就得到了廣大結構工程師的重視，特別是在一些多震的發達國家和地區。美國：休斯頓得克斯商業中心大廈，79層，305m高，均采用鋼骨混凝土外框架一鋼骨混凝土內筒結構；休斯頓海灣大樓，52層，221m高，采用鋼骨混凝土柱一鋼梁框架結構。其它地區：香港中銀大廈，72層，363m高，下部為鋼骨混凝土結構，上部為鋼結構；悉尼愷特斯中心，198m高，采用鋼筋混凝土內筒、型鋼混凝土剛性懸掛內部樓層、型鋼混凝土外柱結構；新加坡財政部大樓，55層，242m高，型鋼混凝土核心筒結構。

隨著我國高層建筑的迅速發展，鋼骨混凝土結構的應用將越來越廣泛。近年來我國興建了很多帶有SRC構件或結構的高層建筑，如北京香格里拉飯店，柱子均為鋼骨混凝土柱；北京長富宮飯店，地下部分和地上兩層均為SRC結構；上海瑞金大廈，1至9層為鋼骨混凝土結構；國內最高的建筑上海金茂大廈采用鋼-鋼骨混凝土-鋼筋混凝土混合結構，核心筒為鋼筋混凝土結構，四邊幾根大柱為鋼骨混凝土柱，角柱為鋼柱。

4、結束語

我國是一個多地震國家，絕大多數為地震區，甚至位于高烈度區，而SRC結構抗震性能好，在強地震區推廣使用這種結構體系有著非常重要的現實意義。

參考文獻：

[1]劉大海，楊翠如.型鋼、鋼管混凝土高樓計算和構造[M].北京中國建筑工業出版社，2003.

[2]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京：科學出版社，2001.

[3]李俊華.低周反復荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.