鋼骨混凝土構件的受力性能研究綜述

謝文光

摘 要：本文基于對國內外鋼骨混凝土結構的研究，介紹了鋼骨的發展和特點，以及鋼骨和混凝土的共同工作，梁、柱構件的斜截面和正截面的受力性能、剛度裂縫、抗震性能和其他相關的計算理論，介紹了適用于中國技術應用的梁力節點的力學性能以及彩色梁節點的試驗研究，分析了鋼骨混凝土施工技術在中國的應用。

關鍵詞：鋼骨混凝土；梁柱；梁柱節點；受力性能抗震能力

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）04-0194-02

隨著國民經濟的飛速發展和人們對建筑美學要求的不斷提高，大型建筑和摩天大樓建設在城市建設中迅速興起，并已成為現代大都市的重要標志。由于傳統混凝土結構構件的尺寸巨大，鋼結構的成本高，使得鋼骨凝土鋼結構具有在各種大型項目中廣泛使用的獨特優勢。

1 混凝土構件概述

鋼骨混凝土（SRC）結構是在鋼框架周圍放置鋼框架，并鋪設混凝土的結構。鋼骨有兩種類型，實腹式和空腹式。實腹式鋼骨混凝土站點具有更好的抗震性能，空腹式鋼骨混凝土具有與普通鋼筋混凝土幾乎相同的構件。因此，SRC的實腹式目前廣泛用于地震結構中，固定鋼主軸可以直接焊接，并組裝在鋼板或鋼棒上。

SRC元件的內部鋼結構和外部實體具有恒定的垂直載荷，并且通過這兩個結構之間的調整可以改善結構的性能。與鋼結構相比，SRC構件的外部混凝土可以防止鋼構件局部收縮，提高鋼構件的整體硬度，并顯著改善鋼構件的平面扭轉性能。與純鋼結構相比，SRC結構最多可節省50%的鋼材料。另外，鋼骨混凝土可改善結構完整性和耐火性。在歐美國家，SRC結構的第一個開發因素是基于對防火安全和鋼結構維護的考慮。與鋼筋混凝土結構比較，特別是實腹式SRC構件，大大提高了構件的承載能力、受剪切破壞時的脆性，增強了結構的抗地震性能。因此，SRC結構在日本被廣泛使用。但是，SRC強度結構非常復雜，必須在技術設計階段進行仔細審查，否則該項目將很難實施。1950年代，從蘇聯引入中國的混凝土結構與SRC結構有關。

鋼骨可以承受特定建筑物負荷。第二次世界大戰后，鋼骨被用來承受建筑負荷，以促進恢復和重建，加快建筑速度。1949年，前蘇聯建筑科學技術學院研究編制了《多層房屋勁性鋼筋混凝土建筑物的初步技術條件（BTY 03-49）》。在1950年，進行了更全面的實驗研究，制定了《蘇聯勁性鋼筋混凝土結構設計準則（CM3-78）》。在1920年，西方國家工程設計人員覆蓋了混凝土鋼柱，以滿足鋼結構的耐火性要求。最初，設計為覆蓋鋼的混凝土柱鋼桿。自1940年以來，他們確定了外部混凝土對改善鋼骨耐久性的作用。考慮到低硬度后，采用鋼柱法。在1920年，日本開始在多個項目中引入SRC結構。1923年，東京一個30米高的SRC建筑引起了日本工程界的注意，因其在大地震中遭受了較小破壞。日本1951年開始對SRC結構進行了全面的系統研究，1958年建立了混凝土鋼材標準項目。自1987年以來，揭示了相對完整的原則和程序。由于日本是地震多發地，這是日本持續研究和開發SRC結構的原因。

SRC結構在日本廣泛用于有效的抗地震建筑。對于中國SRC結構中使用的大量鋼材，在1980年之前就沒有使用過，而且尚未進行研究。隨著1980年以后中國建筑行業的進一步發展，SRC結構引起了中國工程界越來越多的關注，開始更系統的研究。經過長期的研究和開發，中國冶金工業部于1998年首次參照日本有關鋼骨混凝土的《勁性混凝土的鋼結構建筑規范YB9082-97：E6》標準進行了冶煉。

2 鋼骨與混凝土的共同工作

SRC結構是兩者鏈接的前提，無論是調整變形的鋼骨還是外部的混凝土。如果固定手柄由外部混凝土組成，則可以看出，在出現故障時SRC元件的承載能力低，柔韌性也不高。

SRC組件的箍筋在切割方面可能會有重大改進，需要進行調整。箍筋布置的目的是鎖定混凝土的外部，以免過早磨損引起的過度磨損。此外，提高懸停速度有助于防止磨損。在相同的循環載荷下，將SRC熱滯曲線與不同比例的鋼進行比較。SRCZ3試件的喇叭口小、粘合力差，損壞的混凝土尺寸大，多鉤SRCZ5試件的損壞不是由嚴重的膠粘劑破壞和承載能力而引起的。此外，可以看出，SRCZ3的靈活性大大提高。該測試表明，鋼骨和混凝土對于 SRC模具零件可以正常工作。如果外部混凝土零件配備了多個縱向加勁，則應力分布部分，可以導致嚴重滲入外部混凝土破壞階段，進而消除鋼結構的塑性變形。對于SRC增強復合材料的要求，根據“增強型國家結構規則”因SRC的不同，需要確保將外部混凝土和鋼骨框架聯系在一起，以確保建設的靈活性。

3 鋼骨混凝土柱的受力性能

3.1 鋼骨混凝土柱的軸心受壓承載力

在1950年之前，歐洲僅對鋼柱使用混凝土密封，因此在設計中未考慮其對承載柱的壓力。根據Faber和Stevens等人的實驗研究發現，考慮到鋼柱的強度和施工方法，混凝土的外層可以有效地改善鋼柱的承載力，減輕外部混凝土的影響。1960年代，Basu和SomerviUE等根據大量實驗和計算提出了一種回路曲線的概念。根據 Robertson回路曲線，回路曲線由軸向壓縮的SRC柱提供支持力。1970年，Virdi DoMing-9J引入了相對延遲的概念，以改進Basu-Somerville定律，并解釋了SRC柱和SRC柱的凈柱鋼與設計方法的內在聯系，回路曲線對應于純鋼柱。

3.2 鋼骨混凝土柱的壓彎承載力

根據歐洲標準，相對較薄的概念太過于簡單，無法計算SRC柱壓縮柱的承載力。但是在計算彎曲和撓曲能力時，會同時在軸向計算中設計幾何非線性和不等式，可以直接給出強度和彎矩之間的關系，但需要指定4個參數。某些計算更為復雜，彎矩越大，則誤差越大。對于鋼制截面柱，不僅增加了其構件的剛度，而且還提高了彎曲和彎曲框架的能力，從而顯著提高了鋼截面參與框架彎曲和彎曲的能力，改進水平為30%。在地震期間，由于水平結構的增加和梁鉸鏈的形狀而使框架柱成為框架結構承接載荷的主要因素，因此在柱端部的軸向強度和彎矩會急劇增加。即使在發射彎曲的壁后也會發生這種情況，這不僅需要出色的支柱框架抓地力，還需要很高的強度和硬度，因此結構的不足會受到支柱強度不足或橫向運動過度的影響。顯然，混凝土鋼柱具有更加優異的抗沖擊性。

如上所述，考慮到SRC元件鋼筋的特定結構要求，鋼骨結構和外部混凝土可以進行調整，直到達到最終載荷為止。因此，可以使用與SRC構件在正常部分和帶有RC構件的平坦部分中的柔韌性相同的原理進行計算。計算的基本假設如下：一是電壓部分的分布對應于預期的平面部分；二是選擇適當的固體應變率；三是采用鋼骨與混凝土的彈塑性彎曲的理想關系；四是不要考慮混凝土梁的強度；五是沒有局部的鋼裂紋。

根據日本學者若林氏提出的可塑性理論下界解，超金屬法更加簡單、實用，并且容易被工程師接受，以計算常壓和彎曲狀態下SRC構件的承載力。SRC元件在水平平衡位置的一般橫向彎曲能力可以通過鋼和RC組件的重疊來表示。

根據可塑性理論，從軸向力分布獲得的指狀物的柔韌性總是比有效解決方案更小、更安全。因此，在技術實踐中，設計人員可以根據某些規則來分配軸向力，而不必擔心不安全項目的后果。迄今為止，日本的相關研究人員已經提供了一種簡單的軸向力分配原理，即簡單的超金屬定律。設計一種簡單分散作用力方法的結果是安全的，并且避免產生不必要的浪費。基于上述原理，中國研究人員提出了一種精確方法，而不是通過一種簡單的疊加方法來分配軸向力，應用于鋼截面對稱固定部分。

必須考慮flex的長期影響，在中等長度和長度的SRC鋼筋中，日本常使用嵌套方法。這不僅很好解釋，而且計算非常簡單。而歐洲直接考慮了幾何雜質和物理不均勻性，給出了軸向力矩和彎曲力矩之間的關系。這個概念雖然看似相對簡單，但是在計算過程中需要確定4個參數，要復雜得多。

3.3 鋼骨混凝土柱的受剪性能

SRC柱的位移破壞過程與RC柱明顯不同。盡管已充分腐蝕，但RC色譜柱截留通常構成明顯差異。在基于Web的固定式SRC柱中，很難形成大的裂紋，并且有一定的受剪性能。SRC框架柱和RC柱在循環荷載下的受剪性能的比較中可以看出SRC框架柱的磁滯曲線具有輕微的主軸形狀，并且充滿了磁滯曲線，而RC框架柱的磁滯曲線具有明顯的后鉗位和最大位移，受剪性能將大大降低。目前，在世界其他國家，計算混凝土鋼柱切割量的方法并不相同，大型研究機構根據自己的測試結果進行了許多相關計算。通過對比，這些計算之間的主要區別：一是考慮到壓縮比對剪切壓縮能力的影響；二是網狀鋼剪切值的差異。研究表明，軸向力n≤0.5適用于切削。當n>0.5時，軸向壓力以上的高度會不利于立柱的位移，若立柱發生位移，位移截面也會降低。承受剪切應力的混凝土鋼柱的抗剪強度也很難通過軸向壓縮比來實現。

根據數據分析，可以重點考慮作用壓縮比的影響。計算混凝土框架要點，至少要處理兩個影響因素：一個是網格的剪切強度，另一個是兩側的塑性剪切強度。如果立柱的承載能力由腹板抗剪承載力決定，則會從抗剪鋼截面中釋放出來。如果剪切強度是由兩種塑料的彎矩決定，則橫截面為鋼，另外，還可以假定剪切曲線是根據受剪切壓力破壞的網格網計算的。切割SRC色譜柱與RC色譜柱有很大不同，即使有足夠的侵蝕，RC柱仍會被壓碎，但在網絡SRC柱中很難形成固定的邊坡裂紋，并且破壞過程緩慢而明顯。 SRC框架柱的磁滯曲線略微呈螺旋狀，RC框架柱的磁滯曲線上的剪裁和滿載在重復荷載下非常明顯。

3.4 鋼骨混凝土柱的抗震性能

多項實驗研究表明，即使在剪切破壞方面，舊的模型也比RC框架柱具有更好的抗震性能。與RC柱一樣，軸向壓力比大，磁滯回線面積小，能量效率低。同時，隨著循環次數的增加和變形的加大，具有較大軸向壓力比樣品的承載能力會更小。因此，對于SRC，還必須限制其軸向壓力比。根據國內外實驗研究表明，當N/N0> 0.4-0.5時，SRC柱的地震活動明顯降低。該測試還表明，影響SRC熱柔韌性的主要因素是RC組件的作用壓縮。實驗研究表明，鋼筋混凝土零件的軸向強度在損傷階段可以傳遞給鋼制零件。另外，在長期載荷下，隨著混凝土的發展，RC部件的軸向強度會逐漸移向鋼部件，但該領域的研究尚未完成。

4 結語

近年來，混合結構部件的使用逐漸增加，并且鋼筋混凝土已成為可以很好遷移的混合結構系統的重要部分，并逐漸轉變為混合支撐系統。同時，連接問題是混合施工的重要環節，需要進一步研究。未來，中國高層建筑的發展將主要使用鋼骨混凝土結構，尤其是勁性鋼骨混凝土結構。因此，有必要加強對該領域的研究和應用。

參考文獻：

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（責任編輯：李凌峰）