型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能

鄭涌林

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是把型鋼埋入鋼筋混凝土中的一種獨立的結(jié)構(gòu)形式,也是鋼與混凝土組合的一種新形式,其中也配有構(gòu)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(jié)構(gòu)。2001年我國第一部JGJ 138-2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程頒布執(zhí)行,并將型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)定義為混凝土內(nèi)配置軋制型鋼或焊接型鋼和鋼筋的結(jié)構(gòu)[1]。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)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(jié)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(yīng)用不多[2]。

1 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)性能特點

1.1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比具有的優(yōu)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(zhì)侵蝕,防止鋼材銹蝕等作用,提高了結(jié)構(gòu)的耐久性;由于混凝土結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)具有良好的耐火性能,克服了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能方面的缺陷。2)受力性能好:普通的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件常具有受壓失穩(wěn)的弱點,而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的型鋼因周圍混凝土的約束,型鋼受壓失穩(wěn)的弱點得到了克服。3)節(jié)約鋼材:由于以混凝土和型鋼共同承擔(dān)荷載,使型鋼混凝土成為節(jié)約鋼材的一個重要手段。

1.2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有的優(yōu)點

1)承載力高:由于含鋼率的限制,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力難以滿足多層或高層建筑的要求。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的型鋼可以不受含鋼率的限制,所以型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力1倍以上,因而可以減少構(gòu)件的截面,增加使用面積和凈高,其經(jīng)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(dāng)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(xù)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(shè)置,其延伸性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有明顯提高,因此在大震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)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(guī)范規(guī)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(dān)了混凝土所承擔(dān)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(fā)揮混凝土及構(gòu)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(jié)構(gòu)中最重要的承重構(gòu)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(gòu)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(jù)是型鋼和混凝土之間的粘結(jié)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(tài)作為計算圖式,利用隔離體的極限平衡條件可求得構(gòu)件極限抗剪承載力。

2.4 型鋼的側(cè)向失穩(wěn)和柱子的剪切粘結(jié)破壞

防止型鋼側(cè)向失穩(wěn)和柱子剪切粘結(jié)破壞可采取以下措施:1)加密箍筋以加強混凝土的側(cè)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(jié);3)采用高強度型鋼以保證不先于縱筋屈服;4)在型鋼側(cè)面加焊抗剪銷釘,型鋼兩側(cè)加焊鋼板,以防止型鋼與混凝土之間產(chǎn)生粘結(jié)滑移。

3 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點

節(jié)點是連接梁和柱的關(guān)鍵部位,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,型鋼混凝土梁柱節(jié)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(jié)點內(nèi)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?qū)诵膮^(qū)混凝土的約束作用,使節(jié)點抗裂度和極限承載力都高于普通混凝土梁柱節(jié)點。剪切破壞是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點破壞的主要形態(tài)[3],以下分別介紹幾種方法:

文獻[4]規(guī)定:在地震作用組合下,梁柱節(jié)點受剪應(yīng)滿足:

其中,括號內(nèi)第一項表示混凝土的抗剪能力,δj為節(jié)點形式系數(shù);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(jié)點專題組根據(jù)課題組所做的36個型鋼混凝土節(jié)點的試驗結(jié)果,在文獻[5]中提出節(jié)點受剪承載力建議公式:

西安建筑科技大學(xué)在文獻[6]中,建議型鋼混凝土節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)語

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)充分利用兩種材料的優(yōu)勢,可以較好實現(xiàn)建筑使用功能、結(jié)構(gòu)抗震性能和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標(biāo)三者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,可在高層建筑、橋梁、大跨房屋結(jié)構(gòu)等方面廣泛應(yīng)用,具有良好的經(jīng)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(yīng)用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),對我國高層建筑的發(fā)展、優(yōu)化和改善結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 劉維亞.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造與計算手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

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

[4] YB 9082-97,鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].

[5] 梁柱節(jié)點專題組.勁性鋼筋混凝土梁柱節(jié)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(yè)出版社,1994.

[6] 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.