型鋼混凝土框架結構的研究進展

曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

型鋼混凝土框架結構的研究進展

曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

介紹了型鋼混凝土框架結構的力學性能、數值分析和實驗結果以及國內的研究現狀，結合當前的研究特點總結了型鋼混凝土框架結構將來有待研究的問題，以進一步掌握型鋼混凝土的特性，為型鋼混凝土的應用提供理論基礎。

型鋼混凝土框架結構，研究，理論，數值模擬

0 引言

隨著經濟和社會的發展，建筑開始向著使用的多功能、結構更復雜、樓層更高的方向發展。根據建筑力學的知識，隨著樓層的增加，樓層所受荷載也會成倍增加，同時整個建筑受到的承載力逐漸增加。采用普通鋼筋混凝土的承載柱已經無法滿足高層建筑中的力學要求。隨著不同的混凝土結構的快速發展，型鋼混凝土結構作為一種新型的鋼混凝土結構，具有許多不同于其他混凝土的特點。型鋼混凝土結構具有力學性能優異、施工難度小、運輸方便等特點，所以型鋼混凝土結構已經廣泛應用于許多高層建筑結構中[1]。

型鋼混凝土結構是將型鋼與混凝土進行結合，將混凝土澆筑于型鋼的外圍，同時在澆筑過程中，再配有適量的橫向和縱向鋼筋，最后將混凝土、型鋼、鋼筋、箍筋形成有機的整體。根據相關的土建知識，型鋼混凝土結構根據配鋼樣式的不同，可以分為實腹式型鋼混凝土結構和空腹式型鋼混凝土結構。實腹式型鋼混凝土結構主要是將工字鋼或“H”鋼等與混凝土相結合。空腹式型鋼混凝土結構主要是將角鋼或槽鋼等與混凝土相結合。實腹式型鋼混凝土結構主要承受拉彎組合的承載結構。空腹式型鋼混凝土結構主要承受彎扭組合的承載結構。

型鋼混凝土結構具有承載力大、力學性能優異、施工難度小、運輸方便等特點。型鋼混凝土框架結構主要是由型鋼混凝土框架柱和型鋼混凝土框架梁組合而成。鑒于上述優點，型鋼混凝土框架結構廣泛應用于橋梁土建、石化電力、市政工程等領域，可以達到控制承載結構的幾何尺寸、提高承載力，更好地滿足工程實際需要的效果。型鋼混凝土框架結構的力學特性和工程優點主要是力在框架梁、框架柱、鋼筋以及它們交叉的節點之間相互傳遞而體現出來的，并不是單一的框架梁、框架柱以及鋼筋的力學特性所能夠反映的。在型鋼混凝土框架結構研究之前，首先應對型鋼混凝土框架結構的整體力學性能進行深入的研究，對國內外的研究現狀進行整體把握[2]。

1 型鋼混凝土框架結構的研究現狀

根據國家規范：GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[3]中規定，跨高比L/h≤5的簡支單跨梁或多跨連續梁被稱為深受彎構件，當梁的跨高比L/h≤2時，被稱為深梁；當梁的跨高比L/h>5時，被稱為淺梁；而當梁的跨高比2

2 型鋼混凝土框架結構的理論研究

白國良等[4]通過已有的實驗結果，建立了三種類型的實腹式型鋼混凝土梁正截面抗彎承載力計算公式和相應驗算條件及中和軸的界限值。通過對實腹梁的計算，得到了三種實腹式型鋼混凝土梁的受力判別條件，既總括了各種受力情況又便于設計應用。最后按照文中所得基本公式及適用條件，對12個實腹式型鋼混凝土梁進行計算，通過公式計算值與試驗結果相對比，得到的對比結果吻合較好。

邵永健等[5]研究了型鋼混凝土梁在受到剪力作用下，其斜截面的理論分析和計算方法，并根據所得到的理論計算公式與工程實例進行對比分析。文中基于工程實例，研究了33根試驗梁的試驗數據對型鋼混凝土梁的斜截面受到剪力作用下的計算公式。并采用結構可靠度分析的一次二階矩法，對型鋼混凝土梁的斜截面受剪承載力計算公式進行了可靠度分析。

型鋼混凝土框架結構作為重要的建筑結構構件，將混凝土的力學性能和型鋼的力學性能進行了很好的融合。查閱大量資料，總結得到國內外關于型鋼混凝土框架結構的力學特性的計算方法主要采用疊加法。而根據疊加法特性又可以分為一般疊加法[6]和簡單疊加法[7]兩種。對于一般疊加法，將混凝土的力學特性和型鋼的力學特性進行了耦合，綜合計算其力學性能，但是計算過程復雜。對于簡單疊加法，計算中沒有考慮混凝土和型鋼的耦合作用，而是單獨將混凝土的力學特性和型鋼的力學特性進行了簡單的線性疊加。鑒于以上的計算特點，一般疊加法的計算結果會更加準確，但計算結果過于繁瑣，可用于正式的計算。而簡單疊加法的計算過程簡單，可用于估算。周欽等[8]根據材料力學中的平面截面的假定，并忽略滑移變形，根據幾何模型的受力得到其變形協調方程，最后給出了型鋼混凝土梁截面形心處的軸心拉力Ns和型鋼混凝土梁截面形心處的彎矩Ms的計算公式為：

(1)

其中，Ns0為型鋼在初始時刻的軸心拉力，Ns0=fsA；Ms0為型鋼在初始時刻的彎矩，Ms0=fsWs。

Ms=(1-αs)Ms0

(2)

其中,fs為型鋼的標準抗拉設計強度；A為型鋼的截面面積；Ws為型鋼截面慣性矩。

此計算方法與《型鋼規程》[9]相比簡單易操作。與試驗結果相吻合，計算精度滿足規范要求。

3 型鋼混凝土框架結構的實驗研究

國內學者除了研究其理論外，還對型鋼混凝土框架結構進行了試驗研究，并取得了許多有益成果。蔡健等[10]在進行7根大比例尺寸型鋼混凝土梁試件的試驗研究基礎上，主要對箱形型鋼混凝土梁中的型鋼和混凝土的相互作用、相互影響的力學性能進行了初步研究，并討論了混凝土和型鋼的耦合方式對型鋼混凝土梁的力學特性的改善。研究結果得出，箱形型鋼混凝土梁的抵抗彎曲的力學性能很容易得到改善和提高，但是對于其抵抗剪力的力學性能還需要進一步的研究。

預應力型鋼混凝土梁也是工程領域應用很廣泛的一種結構。但是目前國內外對預應力型鋼混凝土梁進行的試驗研究卻鳳毛麟角，徐杰等[11]研究了型鋼混凝土及預應力型鋼混凝土梁之間不同的力學性能，分別對8根預應力型鋼混凝土梁和6根普通型鋼混凝土梁進行了載荷對比實驗。

4 型鋼混凝土框架結構的數值模擬研究

隨著計算機的發展，有限元等數值方法成為研究混凝土結構性能的一種重要手段，通過有限元軟件可以得到不同結構在不同載荷作用下的力學響應。根據計算結果可以獲得結構在不同階段的應力應變、變形機理等力學性能，同時也可以分析混凝土結構的非線性問題。孫文君[12]基于混凝土的損傷模型，采用ABAQUS軟件對型鋼混凝土梁的非線性問題進行了分析，針對一箱形型鋼混凝土梁實驗的幾何模型進行數值分析，并將數值模擬結果與實驗結果進行對比分析得出數值模擬結果的數據與實驗結果的數據相吻合。

任瑞等[13]為研究配槽鋼骨架型鋼混凝土梁的受扭性能，采用有限元分析方法對8個配槽鋼骨架的型鋼混凝土梁在純扭作用下的受力情況進行了研究，并將數值模擬結果與實驗結果進行對比分析得出數值模擬結果的數據與實驗結果的數據相吻合。探討了型鋼混凝土梁在不同因素下受到扭轉作用而產生不同的力學性能。研究結果得到了試件受到扭轉作用下，試件隨著混凝土強度的增大而增大，隨著箍筋間距的增大而減小，隨著綴條間距的增大而減小的結論。

5 型鋼混凝土框架結構需要解決的問題

型鋼混凝土框架結構在不同載荷下容易產生裂縫，如彎曲裂縫、剪切裂縫。裂縫的產生就是相當于一次力的卸載，對于承重結構，力的卸載是致命的。因此型鋼和混凝土還沒有充分發揮強度和剛度優勢時，力已經通過裂縫開始卸載，這在工程領域是完全不允許的。裂縫控制成為型鋼混凝土框架結構設計與施工過程中的重要問題之一。

目前對于型鋼混凝土框架結構的裂縫控制的研究還在起步階段，有關裂縫控制的研究還不是很完善，今后應該在抗震方面展開充分的研究，以提供合理的抗震設計參數，便于工程應用。

6 結語

本文對型鋼混凝土框架結構的研究現狀做了一定的總結，探討了型鋼混凝土框架結構有待研究的問題。

[1] 趙小芹.型鋼混凝土深受彎構件研究現狀與展望[J].江西建材,2014(9):1.

[2] 張芙蓉.型鋼混凝土框架結構的研究現狀與展望[J].建筑與文化,2011(10):116-117.

[3] GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

[4] 白國良,趙鴻鐵.實腹式型鋼混凝土梁抗彎承載力計算方法[J].西安建筑科技大學學報,1999,31(3):211-214.

[5] 邵永健,閻 石.型鋼混凝土梁受剪承載力的計算及其可靠度分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2006,22(4):579-583.

[6] 方鄂華,葉列平.鋼骨混凝土結構設計規程總則及應用[J].建筑結構,1999(7):17-21.

[7] 周起敬.鋼與混凝土組合結構設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1991.

[8] 周 欽,劉進朝.型鋼混凝土梁受彎承載力的簡化計算[J].甘肅科技,2008,24(9):130-131.

[9] JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合結構技術規程[S].

[10] 蔡 健,鄭 宇,楊 春，等.箱形型鋼混凝土梁的試驗研究[J].華南理工大學學報(自然科學版),2002,30(7):52-56.

[11] 徐 杰,傅傳國,戴 航,等.型鋼混凝土及預應力型鋼混凝土梁試驗研究[J].工程抗震與加固改造,2007,29(5):57-62.

[12] 孫文君.基于ABAQUS的型鋼混凝土梁三維非線性分析[J].福建建筑,2011(1):54-55.

[13] 任 瑞,薛建陽,陳宗平,等.槽鋼骨架型鋼混凝土梁受扭性能及有限元分析[J].建筑結構學報,2013,34(1):321-326.

Research project of steel reinforced concrete frame structure

QU Wei-wei

(TaiyuanResidentialGuaranteeCenter,Taiyuan030001,China)

The paper introduces mechanical performance, numerical analysis, experimental results and domestic research status of steel reinforced concrete frame structure, and summarizes steel reinforced concrete structure problems by combining with current research characteristics, to master the characteristics of steel reinforced concrete, and provide a theoretical basis for the application of steel reinforced concrete.

steel reinforced frame structure, research, theory, numerical simulation

1009-6825(2014)34-0044-02

2014-07-16

曲偉偉(1983- )，女，工程師

TU392.1

A