型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀綜述

摘要：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)由型鋼與混凝土共同組成，其性能要優(yōu)于型鋼與混凝土的簡單疊加。本文回顧了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在日本、歐美及中國的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土;抗震性能;框架結(jié)構(gòu)

0 引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)（SRC）指將型鋼內(nèi)置到鋼筋混凝土構(gòu)件當(dāng)中，由兩者共同承擔(dān)荷載的組合構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。型鋼混凝土構(gòu)件由鋼筋混凝土與型鋼兩部分共同組成，兩者優(yōu)劣互補(bǔ)，其性能優(yōu)于型鋼與混凝土兩者的簡單疊加。

對比鋼結(jié)構(gòu)，由于外包混凝土的存在，型鋼的整體剛度得以提高，防止鋼材過早產(chǎn)生屈曲，使得鋼材的性能發(fā)揮得更加充分，更有利于控制振動及變形。對比混凝土結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)置了型鋼，提高了構(gòu)件的抗剪承載力，抗震性能大為改善。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗震性能，國內(nèi)外對其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

1 國外型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展?fàn)顩r

在日本，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是比較重要且常用的結(jié)構(gòu)形式，興業(yè)銀行是日本早期典型的全SRC結(jié)構(gòu)。1978年仙臺市地震，該地區(qū)建有約300棟SRC建筑，地震后，雖然有的建筑中柱子產(chǎn)生了剪切斜裂縫，但主體結(jié)構(gòu)損傷較小[1]。1928年，齊時田太郎對軸心受壓柱進(jìn)行試驗(yàn);1932年，內(nèi)藤多仲對SRC梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn);1937年，棚橋諒進(jìn)行SRC梁試驗(yàn)。通過以上研究，日本學(xué)者們初步了解了型鋼混凝土構(gòu)件的基本力學(xué)特性。1950年起，日本對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為系統(tǒng)全面的研究。1951-1956年間，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所坪井善勝等通過理論及試驗(yàn)研究探討了型鋼混凝土梁柱在受到剪切、彎曲、偏壓時表現(xiàn)出的特性[2]。在此基礎(chǔ)上，日本頒布了《鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)范中要求采用強(qiáng)度疊加法計算構(gòu)件的承載力，并于1963年第一次修訂了該規(guī)范，新的規(guī)范在初版的基礎(chǔ)上新增關(guān)于型鋼混凝土構(gòu)件剪力的計算公式，并給出了當(dāng)SRC中型鋼、鋼筋采用非對稱布置時的疊加計算公式。1970年后，日本學(xué)者對型鋼混凝土在進(jìn)入負(fù)剛度階段后結(jié)構(gòu)的變形能力、耗能能力進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。1981年，新的抗震設(shè)計法在日本施行，要求驗(yàn)算在大震時中高層建筑物的各層極限強(qiáng)度。為此，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行第三次修訂，此外規(guī)范中還列入鋼管混凝土的相關(guān)設(shè)計方法。2001年，日本再次調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第四次修訂。

歐洲是最早出現(xiàn)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的地區(qū)。1904年，為提高鋼結(jié)構(gòu)抗火性能，英國在型鋼外包裹混凝土，型鋼混凝土柱就此誕生[3]。1950年起，歐美等國家對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量研究，結(jié)合試驗(yàn)和理論手段，提出適合各國國情的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)分析方法、計算模型和計算方法。1971年，ACI-318-71規(guī)范給出了采用極限狀態(tài)設(shè)計法的型鋼混凝土柱計算公式;1999年，AISC-LRFD規(guī)范將鋼筋混凝土部分的強(qiáng)度及剛度等效成型鋼，然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法計算型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度;2002年，規(guī)范將型鋼等效成鋼筋，根據(jù)鋼筋混凝土設(shè)計方法計算型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。Hui Cun等[4]通過研究在水平往復(fù)荷載作用下，底部加強(qiáng)的矩形型鋼混凝土柱的抗震性能和耗能能力，得出底部加固的組合柱比起常規(guī)的型鋼混凝土柱更適合高層結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

2 中國型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展?fàn)顩r

上世紀(jì)50年代，我國就出現(xiàn)了如包頭電廠的主廠房等由蘇聯(lián)設(shè)計的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。后來我國也參照蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)計出一些SRC結(jié)構(gòu)，如鄭州鋁廠的蒸發(fā)車間等，但是設(shè)計的SRC結(jié)構(gòu)多為空腹式。80年代中期起，我國對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)開展了大量的研究工作。西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所進(jìn)行了梁、短柱、梁柱節(jié)點(diǎn)的SRC構(gòu)件試驗(yàn)研究，并對柱正截面承載力的計算方法及全過程非線性分析方法進(jìn)行了研究[5]，研究結(jié)果表明型鋼與混凝土之間存在粘結(jié)滑移，當(dāng)荷載小于80%極限荷載時，型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移較小，而當(dāng)荷載超過極限荷載的80%以后，這種粘結(jié)滑移較為明顯，在計算時不再適用平截面假定，但是這些研究沒有對粘結(jié)滑移現(xiàn)象的機(jī)理和影響因素進(jìn)行更深入的研究。進(jìn)入80年代后期，我國建筑業(yè)迅速發(fā)展，高層、超高層建筑數(shù)量激增，空腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再能滿足建筑物發(fā)展的需要。試驗(yàn)和震害表明，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)置型鋼采用實(shí)腹式時，其抗震性能要優(yōu)于采用空腹式，故實(shí)腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)成為工程界與科研人員的關(guān)注對象。1998年，我國頒布了《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》，2002年，頒布了《型鋼混凝上組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國又對《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》及《型鋼混凝上組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行修訂，頒布了YB9082-2006及JGJ138-2016，補(bǔ)充了型鋼混凝土框架柱的設(shè)計和構(gòu)造規(guī)定等內(nèi)容。

賈金青等[6]對型鋼混凝土柱進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究，分析了剪跨比、軸壓比、配筋率等因素對SRC柱抗震性能的影響，提出了滿足抗震需求的SRC柱軸壓系數(shù)。車順利[7]通過試驗(yàn)研究分析了剪跨比、含鋼率、型鋼翼緣寬度及不同的界面剪切連接方式等因素對型鋼混凝土梁承載力、損傷程度等因素的影響，并討論了型鋼混凝土梁的優(yōu)化設(shè)計。李俊華等[8]通過試驗(yàn)分析了軸壓比、剪跨比、體積配箍率及混凝土強(qiáng)度對型鋼混凝土柱的破壞形態(tài)、位移延性及耗能能力的影響。

對于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層面的研究，國外很少涉及，而國內(nèi)雖然開展了一定數(shù)量的型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，但以上研究大多僅從試驗(yàn)層面對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，缺乏理論層面的結(jié)果和結(jié)論。

3 結(jié)語

本文回顧了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在日本、歐美及中國的研究進(jìn)展。國內(nèi)外對于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究大多停留在構(gòu)件層面，后續(xù)可對結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行更多研究。

參考文獻(xiàn)

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[6] Yan J Q， et al. Seismic Performance of Steel Reinforced Ultra High-strength Concrete Columns[J]. 四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版）， 2009（3）：216-222.

[7] 車順利. 型鋼高強(qiáng)高性能混凝土梁的基本性能及設(shè)計計算理論研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2008.

[8] 李俊華，王新堂，薛建陽，趙鴻鐵.低周反復(fù)荷載下型鋼高強(qiáng)混凝土柱受力性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報，2007（07）：11-18.

作者簡介：魏圣坤（1996- ）男，漢族，福建泉州，碩士，同濟(jì)大學(xué)，建筑與結(jié)構(gòu)工程

同濟(jì)大學(xué) 上海市 楊浦區(qū) 200092