鋼骨混凝土組合結構發展與減震理論基礎

田林林　李秋明　周彪

摘要：針對鋼骨混凝土組合結構在現今土木工程中的重要性，探索其國內外的發展，由于城市化的建設，對建筑的高度和跨度要求，因此結構的消能減震能力是研究人員更為關注的。減震是結構被動控制之一，減震設計理論基礎是發展和完善抗震的依據。結構受到地震能量破壞時對能量的分配和吸收是合理安裝減震裝置的依據。本文只是簡單的介紹SRC發展和減震相關知識。

關鍵詞：鋼骨混凝土組合結構；消能減震；被動控制；理論基礎

前言

隨著經濟快速發展，城市化進程與建筑技術的進步，超高層大跨度已經成為建筑結構的發展主要方向之一。由混凝土包裹的鋼骨混凝土結構（SRC），充分發揮了鋼與混凝土兩種材料的特點。鋼骨混凝土組合結構是在鋼筋混凝土內部埋置型鋼或焊接鋼構件的鋼骨混凝土結構與鋼筋混凝土結構共同作用而形成的一種組合結構。鋼骨混凝土結構主要有梁、柱、墻、板等組合構件。

近幾年國內外科學研究者從結構材料和安裝減震裝置來提高整體建筑的抗震能力，從經濟和使用為出發點看取得了很大進步。減小地震災害的根本途徑就是要提高建筑物的抗震性能。本介文紹了鋼骨混凝土組合結構，國內外發展及其特點，著重介紹對組合結構的減震消能理論基礎。

一、鋼骨混凝土組合結構的國內發展

在我國，20世紀50年代就開始有鋼骨混凝土結構應用，但當時主要是根據蘇聯的設計方法將鋼骨混凝土結構應用于工業廠房，比如包頭電廠的主廠房就是由前蘇聯技術人員設計、我國工程人員施工建成的早期鋼骨混凝土結構。這一時期的鋼骨混凝土結構主要以空腹式為主，且不配縱筋和箍筋。我國對鋼骨混凝土結構的系統研究是從20世紀80年代開始的。

由此可見，近年來，隨著我國多高層建筑的迅速發展，鋼骨混凝土組合結構在工程中己經得到了一些應用，并已初步顯示出其對多、高層建筑在大跨度、大荷載情況下的設計優化，對改善結構抗震性能、減小構件截面尺寸、提高建筑的綜合經濟指標等方面的巨大潛力。

二、鋼骨混凝土組合結構的工程應用

由于鋼骨混凝土組合結構充分發揮了鋼骨混凝土與鋼筋混凝土兩種結構的優點，因而在高層及超高層建筑中得到了廣泛應用，例如香港中銀大廈由貝聿銘合營建筑事務所設計。棱鏡形建筑，高76層。采用空間桁架體系作為支撐體系，承受兩個方向的側向力和全部重量。為使空間桁架系統連續，沒有采用三維鋼結構焊接節點，而是將其澆筑在鋼筋混凝土角柱中，形成一個整體。澆筑在鋼柱周圍的混凝土作為建立傳遞機構，平衡各桁架的偏心。

三、鋼骨混凝土組合結構減震理論基礎

1.鋼骨混凝土組合結構減震研究發展

傳統的建筑抗震設計依據是以規范中的設防烈度為依據[1]，采用了建筑結構自身的剛度性能、強度性能和耗能能力來抵抗地震作用，減緩或減弱地震能量。根據傳統觀念國內為已經使建筑結構本身得到了很高的發展，鋼骨混凝土結構就是很好的應用，提高了建筑結構的剛度、強度、和延性等性能，來達到了結構的減震作用。

但實際上依賴建筑自身和建筑基礎消耗地震作用能量，會使建筑結構自身受到嚴重損耗更嚴重導致結構的扭曲坍塌。

1995年，趙世春，黃雄軍，夏招廣[2]對1榀單跨兩層的由 SRC 梁和柱組成的框架進行擬動力試驗。試件按照“弱柱強梁”設計，著重研究這種薄弱框架的抗震性能。結果表明，SRC 框架的滯回曲線比較飽滿，捏攏現象不明顯，耗能能力較強； Kazuhiro等[3] 進行了鋼筋混凝土柱-鋼梁和鋼骨混凝土柱-鋼梁的單榀單層框架低周往復加載試驗， 觀察了破壞特征。

2.組合結構的消能減震能量分析

鋼骨混凝土組合結構[4]減震研究主要是分析消能減震，其屬于被動控制的中的方法之一，是在建筑結構中斜撐、剪力墻、和斜拉鎖等非承重構件設計為消能結構，或者在結構中安裝阻尼裝置（粘滯阻尼器等）。

從式（1-1）可以看出，要想減弱結構在地震作用下的反應，可以有三個途徑：（1）可以改變結構的質量和剛度，來使結構的自振頻率改變 ；（2）增加結構自身的阻尼系數；（3）在結構上施加外部荷載或者輸入能量來提高結構的耗能效果。

四、建筑結構性能水平與性能目標

我國修正的抗震規范（GB50011）[7]將地震等級劃分為小震、中震和大震三重等級。性能水平是根據建筑物本身在受到可能遇到的地震破壞的預期嚴重毀壞或可接受的破壞極限。建筑物毀壞估計包括建筑結構承重構件和非承重結構構件的毀壞造成的一切后果。

美國各研究機構對性能的劃分條件不一致，但各差距也不大。美國SEAOC將其劃分為四個不同等級。四個性能水平等級為：

1.功能正常，建筑結構主體結構和非結構構件沒有受到嚴重毀壞，建筑結構可以正常使用。

2.可以使用，建筑結構主體構件沒有嚴重毀壞，保持地震之前的強度和延性，非結構構件受到毀壞，但經過修整可正常使用。

3.生命安全，建筑結構主體構件嚴重毀壞，剛度、強度和延性退化，但沒有到達坍塌的程度，非結構構件大部分失去功能，經過一段階段搶修才能居住。

4.防止倒塌，建筑結構主體構件和非結構構件毀壞嚴重，結構的強度、剛度和延性基本退化，很快達到倒塌程度，不能居住。

我國抗震規范是以地震破壞等級為標準，根據震后的大量數據和實際對建筑結構損害程度，把結構的性能水平劃分為五種：

4.1基本完好，承重構件完好，個別非承重構件輕微破壞，裝飾結構有部分毀壞一般不需修理即可繼續使用。

4.2輕微損壞，個別承重構件輕微裂縫，個別非承重構件破壞明顯，裝飾結構破壞嚴重，需要簡單修理可以繼續使用。

4.3中等破壞，多數承重構件輕微裂縫，部分明顯裂縫，非承重構件破壞嚴重，需要一般修理，對部分構件進行檢查，應用安全措施后可將就使用。

4.4嚴重破壞，多數承重構件嚴重破壞或部分倒塌塌應。要進行全方面的排險大修，危險部分拆除。

4.5倒塌，多數承重構件倒塌，需全部拆除。

我國抗震規范明確規定性能目標“兩階段設計，三水準設防”表明三個層次的性能目標：大震不壞、中震可修、大震不倒。對應的建筑地震設計采用抗震水準有低至高。對于不同環境和不能應用的建筑物合理規定性能目標來保證建筑結構在受到地震作用能保證財產和生命的安全，使性能化的抗震設計理念更全面的應用在實際工程。

五、結束語

本章介紹了鋼骨混凝土組合結構的國內為發展和實際應用，組合結構在未來的建筑的應用研究更為重要與迫切。對組合結構的減震消能控制研究[6]更有效的解決了建筑受到地震作用時主體結構的耗能壓力，采用被動控制是最有效、最普遍和經濟的方法。根據地震作用時地震能量在建筑結構中的消耗具體情況做了分析。在對減震消能研究前提下，介紹了抗規對抗震性能的設計方法和建筑性能目標的規定。

參考文獻：

[1]王亞勇， 戴國瑩.《建筑抗震設計規范》的發展沿革和最新修訂[J]. 建筑結構學報， 2010， 06：7-16.

[2]趙世春，黃雄軍，夏招廣. SRC 單跨兩層框架結構擬動力地震反應試驗研究[J].西南交通大學學報，1995，30（4）：360-367.

[3]白曉紅， 白國良. 新型鋼-混凝土組合結構的應用與展望[J]. 工業建筑， 2006， S1：521-527.

[4]聶建國， 陶慕軒， 黃遠 等. 鋼-混凝土組合結構體系研究新進展[J]. 建筑結構學報， 2010， 06：71-80.

[5]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， 05：1-12.

[6]楊昊明. 鋼與混凝土組合結構技術分析[J]. 科技創新與應用， 2015， 15：240.

[7]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.