超高層型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、前言

近年來，我國以及世界范圍內(nèi)的地震災(zāi)害給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失，這就需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提出更高的要求。普通的高層超高層建筑結(jié)構(gòu)受限于構(gòu)件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)抗震等因素影響，已基本脫離傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，廣泛采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的研究成果和大量的工程實(shí)踐均表明，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)符合我國國情，具有良好的抗震性能和較好的經(jīng)濟(jì)性，在高層及超高層結(jié)構(gòu)中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

二、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱SRC(Steel Reinforced Concrete)，主要是由型鋼混凝土構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。由型鋼和混凝土組合而成的構(gòu)件稱為型鋼混凝土構(gòu)件，混凝土包裹型鋼，箍筋加以約束，配置少量縱筋的混凝土構(gòu)件，其中按型鋼的布置方式分實(shí)腹式型鋼混凝土和空腹式型鋼混凝土，如圖2.1所示。目前使用比較廣泛的為實(shí)腹式型鋼。

圖2.1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)截面形式

(一)型鋼混凝土構(gòu)件優(yōu)點(diǎn)

與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土構(gòu)件具有以下特點(diǎn)：①由于構(gòu)件中配置型鋼為主，型鋼混凝土構(gòu)件相較于鋼筋混凝土構(gòu)件擁有較大的剛度與較高的承載力，在截面尺寸相同的情況下，型鋼混凝土構(gòu)件承載能力遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土構(gòu)件，故而在高層超高層結(jié)構(gòu)中，型鋼混凝土構(gòu)件能夠較大地減小構(gòu)件截面，為結(jié)構(gòu)節(jié)約更多的使用空間的同時(shí)獲取更多的經(jīng)濟(jì)效益；②型鋼混凝土構(gòu)件的延性相較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較大提高，加之其構(gòu)件承載能力高，故而具有較好的抗震性能和耗能能力；③型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工速度較快，型鋼骨架可直接承受施工荷載，施工過程中模板可懸掛于型鋼骨架上，不需支撐，可節(jié)約大量施工時(shí)間；同時(shí)型鋼骨架可可在混凝土未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前作為支撐繼續(xù)上層結(jié)構(gòu)的施工，縮短工期時(shí)間，節(jié)約施工成本。

(二)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

①承載能力高。當(dāng)型鋼混凝土構(gòu)件與RC構(gòu)件的截面面積相等時(shí)，前者的承載能力比后者高出一倍以上；②整體穩(wěn)定性較好。跟鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼被混凝土包裹，約束了型鋼的側(cè)向變形，失穩(wěn)、局部屈曲等不利現(xiàn)象可以被有效防止，從而整體穩(wěn)定性較好；③剛度大。由于型鋼混凝土構(gòu)件含鋼率遠(yuǎn)大于RC構(gòu)件配筋率，當(dāng)型鋼混凝土構(gòu)件與RC構(gòu)件的截面面積相等時(shí)，型鋼混凝土構(gòu)件的剛度明顯大于RC構(gòu)件；④耗能性能好。型鋼混凝土柱在反復(fù)荷載作用下，其耗能性能較好，可以從滯回曲線所圍的面積大且飽滿看出。

三、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

國外在較早之前就對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究工作。歐洲是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)的地方，雖然對(duì)SRC結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如日本那樣廣泛。1904年，在英國，出于提高結(jié)構(gòu)建筑物中鋼柱耐火性能的目的，采用混凝土包裹鋼柱，在世界上SRC柱因此誕生。隨后，歐美各國對(duì)SRC結(jié)構(gòu)的研究由此拉開序幕。Burr于1908年做了空腹式型鋼混凝土柱的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土的外殼能使柱的強(qiáng)度與剛度明顯提高。歐美國家應(yīng)用SRC結(jié)構(gòu)克服了鋼結(jié)構(gòu)需經(jīng)常維護(hù)、易銹、防火性能差、易腐蝕等弱點(diǎn)。考慮到SRC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，地震多發(fā)的日本大力發(fā)展SRC結(jié)構(gòu)是因?yàn)槠淅诮Y(jié)構(gòu)抗震，具有良好的延性和耗能性能。

我國型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)主要是根據(jù)蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法將其局部應(yīng)用于工業(yè)廠房。20世紀(jì)80年代初，西安建筑科技大學(xué)與北京冶金建筑研究總院首先開始研究與推廣型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。此后，西南交通大學(xué)等許多高校與科研單位開始對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量系統(tǒng)的研究。西安建筑科技大學(xué)系統(tǒng)研究了各種配鋼形式的型鋼混凝土梁、柱、節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件的基本性能，在進(jìn)入90年代后又進(jìn)行了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)與模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，深入研究了結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能與地震作用下的分析方法。在進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究之后，我國在此基礎(chǔ)上制定了一套完整的型鋼混凝土土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，成為國際上研究型鋼混凝土最為廣泛深入的國家之一。

四、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層的相關(guān)問題

目前普通高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的高承載力、耐火性好和延性好等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用，但就超高層建筑而言，采用SRC結(jié)構(gòu)仍存在一些問題值得研究和探討。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以有效的減小構(gòu)件的截面面積，當(dāng)應(yīng)用于超高層建筑中時(shí)，型鋼混凝土柱經(jīng)濟(jì)合理適用高度的問題值得學(xué)者們進(jìn)行研究和探討。同時(shí)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)本身受柱含鋼率、構(gòu)件截面形式、軸壓比等方面的影響，部分學(xué)者就型鋼混凝土應(yīng)用于高層建筑是對(duì)于抗震性能的貢獻(xiàn)受上述因素的進(jìn)行了研究，得出的相對(duì)合理的一些結(jié)論，但應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)方面的研究還相對(duì)較少，有待作進(jìn)一步的研究。

五、結(jié)語

型鋼加在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，且型鋼的延性和它的固有強(qiáng)度都較好,混凝土包裹型鋼共同工作使型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)具備了較明顯的優(yōu)勢(shì)。與普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)具有剛度大、承受荷載的能力強(qiáng)、抗震性能大的優(yōu)點(diǎn)。與純鋼結(jié)構(gòu)比較而言，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的防火性能較好，局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)整體性及穩(wěn)定性均較好，最主要的是能降低造價(jià)。有目的性地研究此類組合結(jié)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化和改善結(jié)構(gòu)抗震性能具有極其顯著的意義，為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)，可以較好的促進(jìn)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及發(fā)展。