型鋼混凝土結構的抗震性能

鄭涌林

型鋼混凝土結構是把型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨立的結構形式,也是鋼與混凝土組合的一種新形式,其中也配有構造鋼筋及少量受力鋼筋,是由混凝土、鋼骨和鋼筋3種材料組成的組合結構。2001年我國第一部JGJ 138-2001型鋼混凝土組合結構技術規程頒布執行,并將型鋼混凝土組合結構定義為混凝土內配置軋制型鋼或焊接型鋼和鋼筋的結構[1]。型鋼混凝土結構構件根據其截面配鋼的形式可分為實腹式型鋼和空腹式型鋼兩大類。空腹式型鋼比較節約鋼材,但制作費用較高,抗震性能相對于實腹式型鋼較差,因此目前應用不多[2]。

1 型鋼混凝土組合結構性能特點

1.1 型鋼混凝土結構和鋼結構相比具有的優點

1)良好的耐久性和耐火性:型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質侵蝕,防止鋼材銹蝕等作用,提高了結構的耐久性;由于混凝土結構較鋼結構具有良好的耐火性能,克服了鋼結構耐火性能方面的缺陷。2)受力性能好:普通的鋼結構構件常具有受壓失穩的弱點,而型鋼混凝土結構構件內的型鋼因周圍混凝土的約束,型鋼受壓失穩的弱點得到了克服。3)節約鋼材:由于以混凝土和型鋼共同承擔荷載,使型鋼混凝土成為節約鋼材的一個重要手段。

1.2 型鋼混凝土結構和鋼筋混凝土結構相比具有的優點

1)承載力高:由于含鋼率的限制,鋼筋混凝土結構的承載力難以滿足多層或高層建筑的要求。型鋼混凝土結構中的型鋼可以不受含鋼率的限制,所以型鋼混凝土結構構件的承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構件的承載力1倍以上,因而可以減少構件的截面,增加使用面積和凈高,其經濟效益是可觀的。

2)施工周期短:型鋼混凝土中的型鋼具有相當大的承載能力,可將模板固定在型鋼上,省去模板的支撐柱,減少了支模板的人工和材料;此外,型鋼混凝土建筑的施工不必等待混凝土達到一定強度就可以繼續施工上層,從而縮短了施工周期。

3)抗震性能好:由于型鋼的設置,其延伸性比鋼筋混凝土結構有明顯提高,因此在大震中此種結構呈現出較好的抗震性能。

2 型鋼混凝土柱

2.1 型鋼混凝土柱的軸壓比

軸壓比是影響鋼筋混凝土框架柱延性的主要因素,抗震規范規定框架柱軸壓比n=N/fcA必須滿足限值要求。型鋼混凝土柱中的型鋼分擔了混凝土所承擔的較大軸力,由此降低了框架柱混凝土的軸壓比。在地震作用下,型鋼混凝土柱在保證其承載力的同時充分發揮混凝土及構件的變形能力,具有較高的延性。

2.2 型鋼混凝土柱的強度和剛度

框架柱是框架結構中最重要的承重構件,在地震力作用下,框架柱不但要有較高的延性,而且還要具有較高的強度和剛度。對于型鋼混凝土柱,型鋼不但增加了構件的剛度,而且由于型鋼參加了框架柱的抗彎、抗剪工作,從而使框架柱的抗彎與抗剪能力有了明顯的提高。

2.3 型鋼混凝土柱的抗剪承載力計算

分析型鋼混凝土柱抗剪承載力的方法比較常用的有兩種:累加強度理論和極限平衡理論。累加強度理論的主要依據是型鋼和混凝土之間的粘結力很小,其抗剪承載力是型鋼和鋼筋混凝土兩部分抗剪承載力的疊加;極限平衡理論則取柱子的極限破壞狀態作為計算圖式,利用隔離體的極限平衡條件可求得構件極限抗剪承載力。

2.4 型鋼的側向失穩和柱子的剪切粘結破壞

防止型鋼側向失穩和柱子剪切粘結破壞可采取以下措施:1)加密箍筋以加強混凝土的側向約束;2)采用寬翼緣型鋼或局部加強型鋼與混凝土之間的粘結;3)采用高強度型鋼以保證不先于縱筋屈服;4)在型鋼側面加焊抗剪銷釘,型鋼兩側加焊鋼板,以防止型鋼與混凝土之間產生粘結滑移。

3 型鋼混凝土結構梁柱節點

節點是連接梁和柱的關鍵部位,根據結構形式的不同,型鋼混凝土梁柱節點的形式主要有3種:1)鋼筋混凝土梁—型鋼混凝土柱的連接;2)型鋼混凝土梁—型鋼混凝土柱的連接;3)鋼梁—型鋼混凝土柱的連接。型鋼混凝土梁柱節點內含型鋼,型鋼腹板參與工作,增加了一個重要的抗力因素,加之翼緣框對核心區混凝土的約束作用,使節點抗裂度和極限承載力都高于普通混凝土梁柱節點。剪切破壞是型鋼混凝土結構節點破壞的主要形態[3],以下分別介紹幾種方法:

文獻[4]規定:在地震作用組合下,梁柱節點受剪應滿足:

其中,括號內第一項表示混凝土的抗剪能力,δj為節點形式系數;第二項表示箍筋抗剪能力;第三項表示型鋼腹板抗剪能力;第四項表示軸壓力對抗剪有一定的提高作用。

我國梁柱節點專題組根據課題組所做的36個型鋼混凝土節點的試驗結果,在文獻[5]中提出節點受剪承載力建議公式:

西安建筑科技大學在文獻[6]中,建議型鋼混凝土節點的抗剪承載力計算公式表示為混凝土、箍筋、型鋼腹板和型鋼翼緣四項抗剪能力的疊加:

從形式上比較以上的節點抗剪承載力計算公式,共同點在于都考慮了混凝土、箍筋和型鋼腹板的承載力,并且考慮了軸壓力對節點抗剪能力的提高。不同點在于計算混凝土的抗剪能力時,各種因素如節點的位置、梁柱的約束、軸壓力和翼緣框等對混凝土受剪的影響計算方式不同。

4 結語

型鋼混凝土組合結構充分利用兩種材料的優勢,可以較好實現建筑使用功能、結構抗震性能和結構經濟指標三者之間的協調統一,可在高層建筑、橋梁、大跨房屋結構等方面廣泛應用,具有良好的經濟效益和社會效益。隨著科研工作的深入,計算理論的進一步完善,如果能有針對性地推廣應用型鋼混凝土組合結構,對我國高層建筑的發展、優化和改善結構抗震性能,都將具有極其重要的意義。

[1] JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合結構技術規程[S].

[2] 劉維亞.型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3] 薛建陽,趙鴻鐵,楊 勇.型鋼混凝土節點抗震性能及構造方法[J].世界地震工程,2002(2):61-63.

[4] YB 9082-97,鋼骨混凝土結構設計規程[S].

[5] 梁柱節點專題組.勁性鋼筋混凝土梁柱節點性能及受剪承載力[A].混凝土研究報告選集(3)[C].北京:中國建筑工業出版社,1994.

[6] 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京:科學出版社,2001.