型钢混凝土结构在我国的应用和研究

摘　要:结合《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138 - 2001) ,对型钢混凝土组合结构的特点、在我国的应用及研究作了整体的综述,简要介绍了容许应力法、一般极限状态计算法和概率极限状态计算法。型钢混凝土组合结构值得推广和应用。

关键词:型钢混凝土;结构特点;应用;计算方法

中图分类号:TU528. 59 　　　　文献标识码:A 文章编号:1004 - 6429(2008) 02 - 0150 - 02

型钢混凝土结构是由混凝土包裹型钢做成的,也是钢与混凝土组合的一种新型结构。过去,我国对这种结构的名称叫法不一致,有的称之为劲性钢筋混凝土结构,有的称之为钢骨混凝土结构。2002 年建设部发布了《型钢混凝土组合结构技术规程》,将型钢混凝土组合结构(Steel Reinforced Concrete Com2posite Structure) 定义为混凝土内配置轧制型钢或焊接型钢和钢筋的结构,简称SRC 结构。型钢混凝土可以做成多种构件,更能组成各种结构,它可代替钢筋混凝土结构和钢结构应用于各类建筑和桥梁结构中。

1 　型钢混凝土结构的特点

1. 1 　自重轻,构件截面小

由于型钢混凝土构件中的型钢可不受钢率的限制,它的承载力可以达到同样外形钢筋混凝土构件承载力的一倍以上,因而可以减小构件截面,尤其是对高层和大跨度建筑物,可以减轻自重,增大建筑物层高和使用面积,提高经济效益。

1. 2 　节约钢材,经济效益好

型钢混凝土结构与全钢结构相比,可节约1P3 左右的钢材,同时克服了钢结构防锈、防腐蚀、防火性能较差、需经常性维护等弱点。型钢混凝土结构中的型钢在混凝土未浇灌前自身已形成钢结构,具有相当大的承载能力。施工中可以将混凝土的模板悬挂在型钢上,而不必为模板另设支柱,因而减少了支模板的劳动力和材料,也不必等待混凝土达到一定强度就可以继续施工上层,使工期大为缩短。

1. 3 　受力合理,强度高,延性好

型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能,钢筋混凝土与型钢形成整体,共同受力。型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高,这种结构在地震作用下具有很强的抗震性能,这在日本多次大地震中已得到了充分的验证。另外,它的耐久性、耐火等级等方面亦较钢结构和钢筋混凝土结构优越。

综上所述,型钢混凝土结构是一种很有发展前途的结构,应充分加强对它的研究和应用。

2 　型钢混凝土结构在我国的应用

20 世纪50 年代初,我国开始从前苏联引进了型钢混凝土结构,主要用于工业厂房,如包头电厂主厂房、鞍山钢铁公司的沉铁炉基础等。20 世纪80 年代后,型钢混凝土结构开始应用于高层、超高层建筑中。如北京长富宫饭店,地上25 层,地下3层,高88 m ,地下部分至2 层范围为型钢混凝土结构,上部为钢框架结构;上海瑞金大厦27 层,由型钢混凝土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架组成,其中1～9 层为型钢混凝土结构;北京香格里拉饭店,地上26 层,地下2 层,总高82. 75 m ,结构形式为框架—剪力墙体系,其框架柱均采用了型钢混凝土结构柱;还有上海金贸大厦,地上88 层,地下3 层,总高度420. 5m ,国内第一,世界第三,其主体结构采用了核心筒加圈复合巨型柱的方案,其巨型柱是由H 型钢、钢筋和高强混凝土复而成。正是由于具有良好的力学性能,型钢混凝土组合结构在高层建筑中的应用日益广泛。

型钢混凝土结构除应用于高层建筑及一些特殊结构外,在桥梁工程上的应用也已从局部构件发展到桥梁整体结构。预应力型钢混凝土结构由于自身所特有的低容重P强度比、刚度大、截面利用率高、施工方便等优点,成为最具竞争力的一种结构形式。因此,尽管型钢混凝土结构在桥梁工程中的应用时间不是很长,但已经得到了迅速发展,比如万县长江大桥、杭州市钱江四桥等。

3 　型钢混凝土结构的研究

SRC 结构比钢结构和钢筋混凝土结构具有许多优点,因而在工程中得到了广泛的应用,引起了研究者极大关注,从而使SRC 结构的研究步步深入。欧美上世纪初就开始对SRC 柱进行了研究,对SRC 梁研究从加拿大开始,相继在英国、美国、日本及前苏联等国家也开始了研究。

我国从20 世纪50 年代开始应用型钢混凝土结构,但研究起步较晚。到了80 年代初中国才有组织的进行对SRC 结构的系统研究,全国许多单位对型钢混凝土结构构件(包括梁、柱、节点等) 的承载力、刚度、裂缝以及延性进行了试验,依据试验结果进行了有关设计理论与计算方法的研究。1997 年参照日本规程,原冶金部编制并颁发了《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082 - 97) ,2002 年建设部又颁发了《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138 - 2001) 。我国现采用的SRC 结构计算方法是根据《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138 - 2001) 基于钢筋混凝土结构的计算方法,不同之处是对型钢承载力的考虑。

目前,型钢混凝土结构的试验研究正从一般的梁、柱局部构件试验研究分析,发展到对各种复杂的节点构造、大比例全结构模型的试验研究(如型钢混凝土框架弹塑性地震反应试验研究、型钢混凝土桩基承台抗冲击性能的试验研究等) 及型钢__混凝土粘结滑移性能的研究、保护层的弹塑性屈曲分析等。

3. 1 　型钢混凝土梁、柱及梁柱节点的研究

试验证实,型钢混凝土梁和柱的滞回曲线面积远远大于条件相同的普通钢筋混凝土梁和柱的滞回曲线面积,说明前者的抗震性能要比后者优越得多。

型钢混凝土结构节点的试验研究较片面,工程中与型钢混凝土柱配合使用的大都仍为钢筋混凝土,梁中钢筋较多,与柱中型钢交叉,且柱中型钢形式多样,构造十分复杂,节点的试验大都根据具体的工程,集中在钢筋混凝土梁与型钢柱的连接构造和节点承载力上,缺乏系统性;型钢混凝土梁与型钢混凝土柱的连接节点试验研究大都集中在节点的破坏形态和承载力上,对节点的构造和应力传递机制的研究还不够深入,且试件梁、柱内大都采用轧制Ⅰ型,不能适应柱内多样的型钢形式;钢梁与型钢混凝土柱连接节点的试验研究则较少,不利于型钢混凝土组合结构在超高层、大跨建筑中的应用和发展;另外,我国目前还需要对采用高强度混凝土的型钢混凝土梁柱节点的性能、结构过渡层中型钢混凝土柱与钢结构柱或钢筋混凝土柱的连接构造以及柱脚部位的连接构造等进行深入的研究。

3. 2 　计算理论的研究

综观各国对型钢混凝土结构所采用的计算理论主要可以分为三种类型:以美国为代表的基于钢结构的设计方法;日本规范采用的叠加方法;前苏联采用的基于钢筋混凝土结构的设计方法。我国建设部颁布实施的《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138 - 2001) 则基于钢筋混凝土结构的计算方法。SRC结构计算理论和其他结构体系一样有容许应力计算法、一般极限状态计算法和概率极限状态计算法。

容许应力计算法要求结构在使用期间任何一点的应力不得超过其容许应力,结构构件应力弹性理论求得。它与客观实际的差异在于作为SR 结构的材料并非是完全的弹性体,而且它不能表达出结构的承载能力。在计算过程中无论是外荷作用还是材料的强度、截面尺寸等都不能反映出客观随机变量,因此不能科学地表示出结构的安全度。

一般极限状态计算法是以构件上某一截面上的承载能力或某种结构的承载能力为依据,以材料强度、截面尺寸及荷载各分项为随机变量,用概率论或数理统计学来分析。而它只能表达各分项的可靠度,不能表达整个公式的可靠度。

以概率理论为基础的极限状态设计法,以可靠指标度量结构构件的可靠度。它将一个结构构件的抵抗力R 与它所承受的作用S 之差( R - S) 作为一个随机变量来进行概率分析,因而能够对结构构件的可靠性在度量上给出比较科学的回答。

如果以Z = R - S 作为一个随机变量来进行概率分析,假设R 和S 两个独立的随机变量都是正态分布,则它们的差Z = R - S 也是正态分布,如图1 所示。若变量R 的平均值为值的大小决定结构构件的失效概率,同时也决定了可靠度。我国正是按照以上设计理论编制的行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》。例如其中SRC 结构梁柱节点的受剪承载力公式为:

显然概率极限状态计算法是比较科学和先进的计算理论。21 世纪是SRC 结构构件概率极限状态计算法推广的时代。

4 　结束语

正是由于型钢混凝土结构具有良好的力学性能,在高层建筑和桥梁结构中的应用也日益广泛。但总的说来,型钢混凝土结构在我国的应用还处于起步阶段。随着科研工作的深入,计算理论的进一步完善,如果能有针对性地推广应用型钢混凝土组合结构,对我国高层建筑的发展、优化和改善结构抗震性能,都将具有极其重要的意义。

参考文献

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