鋼骨混凝土結構的研究設計與發(fā)展

張好銘　劉繼明

摘 要：文章簡要介紹了鋼骨混凝土結構的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀，以及介紹了國內外不同的設計規(guī)范和計算分析方法，并提出進一步研究的方向。

關鍵詞：鋼骨混凝土結構；發(fā)展；研究方向

鋼骨混凝土結構，簡稱SRC（Steel Reinforced Concrete structures）結構，主要是指將軋制的或者焊接的型鋼與鋼筋一起澆筑混凝土，從而形成的一種新型的結構體系。有的稱之為型鋼混凝土結構。這種結構具有優(yōu)越的力學性，強度高、剛度大、抗震性能良好、耐疲勞和耐高溫等，而且省工省料、架設輕便、施工快捷。因此，在各種實際工程中應用非常廣泛。

1 鋼骨混凝土結構的發(fā)展

鋼骨混凝土結構由在鋼結構、鋼筋混凝土結構的基礎上演變和發(fā)展而來，這種結構最早應用在歐美國家。20世紀初，歐美就開始對SRC柱進行了研究。歐美等國家的工程技術人員到19世紀40年代后才認識到混凝土在鋼骨外包，對于提高結構強度和剛度起到一定的作用。此后經(jīng)過了多年的研究，歐洲國家在1985年制訂了統(tǒng)一規(guī)范EC45組合結構6，這種方法是按照鋼結構設計的折算剛度的理論來計算的。第二次世界大戰(zhàn)過后，前蘇聯(lián)為進行了大量的鋼骨混凝土組合結構的試驗研究和應用。施工時為了加快施工進度，利用結構內的鋼骨來承擔模板作用和支撐。蘇聯(lián)于1951和1978年分別出版了《勁性鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》和CN 3-78勁性混凝土結構設計指南，強調必須在實腹式型鋼混凝土中，設置縱向的柔性鋼筋和箍筋。

日本的處于地震多發(fā)地帶，受震害比較多，所以對這種新型結構的應用和研究較早而且技術比較領先。日本從上個世紀20年代就開始對SRC進行研究，1958年第一次制定了《鋼骨混凝土結構設計標準》，此后又經(jīng)過了多次修訂，形成了一套較為完整的設計理論和方法。日本興業(yè)銀行采用了型鋼混凝土結構，在1921年建成后兩年的東京大地震中，幾乎沒有受到震害影響。正因為人們認識到結構的變形能力對建筑物抗震性能所具有的重要意義，隨后鋼骨混凝土結構得到了越來越廣泛的應用，尤其是高層建筑結構和橋梁工程等。

鋼骨混凝土結構在我國使用于1950年后才開始，早期的應用僅限于少數(shù)工業(yè)廠房和一些特殊結構，主要是按前蘇聯(lián)的設計方法進行計算。我國在這方面進行了大量的試驗研究工作是在80年代以后，先后制定頒發(fā)了一系列標準：YB 9058-97《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》（冶金工業(yè)部）、DL/T 5085-1999《鋼混凝土組合結構設計規(guī)程》（電力行業(yè)標準）、JGJ 138-2001《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》（建設部行業(yè)標準）。型鋼混凝土組合結構具有良好的承載能力和抗震性能，而20世紀70年代以后，高層結構建筑在我國發(fā)展迅速，所以SRC在高層建筑中應用的會越來越多。

2 鋼骨混凝土結構的規(guī)范和設計方法

對于鋼骨混凝土結構計算，歐美國家的標準采用大都極限強度設計方法，將混凝土結構部分折算后按照鋼結構的方法進行設計計算，型鋼和混凝土之間的剪力傳遞在強度計算中也需考慮。美國的AISC-LFRD和ACI設計規(guī)范也均采用這種極限強度設計方法。

在日本，則是采用的強度疊加理論，制定的AIJ-SRC設計規(guī)范，相比之前增加了水平承載力驗算，并給出了梁柱節(jié)點、柱腳以及剪力墻等計算公式。在此設計方法中，簡單地將型鋼與鋼筋混凝土分別承擔的彎矩進行疊加，而型鋼與混凝土之間的約束作用并沒有考慮，所以其設計結果偏于保守。

前蘇聯(lián)對于鋼骨混凝土結構的設計方法也是采用了極限強度設計方法，認為型鋼與混凝土是一個整體，假定型鋼完全處于屈服狀態(tài)，型鋼與混凝土共同工作，這種做法完全套用混凝土結構的設計。

在我國的標準分別是采用了用日本的強度疊加理論的《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》（YB9082- 972），和采用前蘇聯(lián)極限強度設計方法的《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》（JGJ 138- 2001）。

3 型鋼混凝土結構的應用和發(fā)展前景

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構設計為了滿足軸壓比限值、抗震承載能力等要求，底部的樓層的柱子往往設計成截面尺寸較大的“胖柱”、“短柱”，而且降低了建筑使用功能和美觀。鋼骨混凝土結構中的型鋼能夠改善這種情況，改善鋼筋混凝土柱抗震性能，提高承載力。

在對于高層住宅、辦公樓的設計和施工中，在鋼骨混凝土結構的基礎上還提出了核心型鋼混凝土結構和核心型鋼混凝土短肢剪力墻結構等等，這些結構都具有很好的應用和發(fā)展前景。

鋼骨混凝土結構在橋梁工程中的應用稍滯后于建筑工程。不過在近年來的發(fā)展趨勢來看，SRC開始從局部構件中運用向大跨度、多種橋梁形式的方向發(fā)展，SRC自身的剛度大、截面利用率高、施工方便等優(yōu)點，成為最具競爭力的結構形式。因此，盡管型鋼混凝土結構在橋梁工程中的應用時間不長，但已經(jīng)得到迅速發(fā)展，應用前景廣闊。

4 有待進一步研究的課題

SRC結構是很有發(fā)展前途的，也有著廣闊的應用前景。對SRC結構的研究，國內外都投入了大量的人力、物力和財力，并且取得了一定成果，但是許多問題尚未研究，即使研究過也不夠深入，現(xiàn)有結論還有待進一步檢驗。

目前對于鋼骨混凝土結構的試驗研究正趨向各種復雜的節(jié)點構造、大比例全結構模型的試驗研究，并不拘泥于一般的梁柱局部構件。所以，一些較新的需要進一步研究的課題也會出現(xiàn)，例如：SRC黏性滑移性能的研究；鋼骨混凝土構件的疲勞性能；SRC橋梁結構全過程時效分析；力學方法與型鋼混凝土研究的結合；預應力型鋼混凝土結構的研究；SRC構件在大跨度結構中的應用；鋼骨混凝土建筑結構的穩(wěn)定性分析；鋼、混凝土材料對結構剛度的影響程度；SRC結構的數(shù)值模擬與有限元分析等。

5 結語

由于鋼骨混凝土結構其自身具有優(yōu)越的力學性能和施工性能，使得在這種新結構在我國有著非常廣闊的發(fā)展空間和應用前景。SRC越來越多地應用于現(xiàn)代建筑和橋梁結構，特別是應用于復雜高層建筑結構之中。但是由于目前的試驗手段等諸方面的限制，盡管它是一種新型的結構形式，但仍存在諸多未知的問題。因此，筆者相信，隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，人們一定會更加詳細和合理地研究利用鋼骨混凝土結構，而且也必將更加廣泛的應用于實際工程中。相信基于鋼骨混凝土結構的研究與應用，一定會使土木工程研究煥發(fā)出新的生機。

參考文獻

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[2] 日本建筑學會著，馮乃謙，葉列平譯.鋼骨鋼筋混凝土結構計算標準及說明[M].北京：能源出版社，1998.

[3] JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程[S].中華人民共和國建設部，2002.

基金項目：本文系2013年高等學校博士學科點專項科研基金聯(lián)合資助課，編號：20133721110004。

作者簡介：張好銘（1991- ），男，山東省德州市人，青島理工大學碩士生；劉繼明（1963- ），男，青島理工大學，教授，博士生導師，研究方向：鋼骨混凝土復合受力構件受扭。