關(guān)于鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震的研究分析

程銘 廉志顯

【摘要】鋼骨混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）結(jié)構(gòu)是在鋼筋混凝土內(nèi)部埋置型鋼或焊接鋼構(gòu)件而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。主要有梁、柱、墻、板等組合構(gòu)件，截面可以為實(shí)腹式和空腹式兩種。本文首先闡述了鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行了研究分析，最后論述了鋼骨混凝土的工程應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】鋼骨混凝土；結(jié)構(gòu)抗震；特點(diǎn)；應(yīng)用

盡管鋼骨混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在我國(guó)高層及超高層建筑中應(yīng)用得越來越多，到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的成果多集中于構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度研究，少量體系研究，并不系統(tǒng)完善，至今未形成一套完整的抗震設(shè)計(jì)理論和可供設(shè)計(jì)人員參考使用的抗震規(guī)范或規(guī)程，因此對(duì)這種結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震性能和設(shè)計(jì)方法的研究是一個(gè)急迫而有意義的課題。以下就鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行研究分析，以供參考。

1、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼骨與外包鋼筋混凝土形成整體，共同承擔(dān)荷載的作用，可以充分利用各自優(yōu)點(diǎn)，其受力性能優(yōu)于這兩種結(jié)果的簡(jiǎn)單疊加。

1.1與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，使構(gòu)件的承載力大大提高，從而有效的減小了梁柱截面尺寸，尤其是抗剪承載力提高和延性加大，可顯著改善抗震性能。此外，鋼骨架本身具有一定承載能力，可以利用它承受施工階段荷載，將模板懸掛在鋼骨架上，省去支撐，有利于流水作業(yè)，縮短施工工期。

1.2鋼骨混凝土構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，提高構(gòu)件的整體剛度，顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，一般可比純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50%以上。

1.3外包混凝土增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)。

1.4具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結(jié)構(gòu)的變形；

2、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)抗震的研究分析

2.1鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。目前針對(duì)鋼骨混凝土整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)研究還較少。陸續(xù)開展了SRC-RC柱-RC梁混合體系的彈塑性試驗(yàn)、RC柱-鋼梁和SRC柱-鋼梁低周往復(fù)試驗(yàn)、SRC框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。從實(shí)測(cè)的框架在各級(jí)荷載作用下的層間恢復(fù)力曲線可知，滯回曲線較為飽滿，始終未出現(xiàn)類似RC結(jié)構(gòu)中的捏攏、主筋粘結(jié)破壞及滑移等現(xiàn)象，證明了這種框架具有較大的延性和較強(qiáng)的耗能能力。

2.2鋼骨混凝土構(gòu)件試驗(yàn)研究。日本是對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用較多的國(guó)家，到1985年，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的建筑面積占建筑總面積的62.8%，10～15層高層建筑中鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物幢數(shù)占總數(shù)90%左右。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在幾次大地震中經(jīng)受了考驗(yàn)，充分展示了它的優(yōu)越抗震性能。日本早在上世紀(jì)二十年代就展開了針對(duì)SRC結(jié)構(gòu)的研究，五十年代以后，促成了以累加強(qiáng)度為基礎(chǔ)的SRC規(guī)范的產(chǎn)生。隨著對(duì)SRC構(gòu)件抗震性能了解的逐步深入，多次修訂了SRC結(jié)構(gòu)規(guī)范。1968年日本十勝?zèng)_近海地震后修改SRC結(jié)構(gòu)規(guī)范要求停止使用缺乏配格構(gòu)式型鋼的SRC構(gòu)件，并建議使用實(shí)腹式型鋼。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開始，對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究，西安建筑科技大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、清華大學(xué)和東南大學(xué)等對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了開拓性的研究工作，并取得了較多的研究成果。陸續(xù)開展了SRC柱和RC柱在單調(diào)及往復(fù)荷載試驗(yàn)、高強(qiáng)混凝土（SRHC）短柱抗震性能試驗(yàn)、異形截面鋼骨混凝土柱和圓形截面鋼骨混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)、聯(lián)肢鋼骨剪力墻及鋼骨混凝土核心筒的偽靜力試驗(yàn)、鋼骨混凝土剪力墻的抗震性能試驗(yàn)等。其它國(guó)家針對(duì)SRC構(gòu)件進(jìn)行的研究主要SRC構(gòu)件的循環(huán)往復(fù)荷載試驗(yàn)、SRC柱受彎-扭聯(lián)合作用下的擬靜力試驗(yàn)等。

2.3鋼骨混凝土框架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究。日本1952年即對(duì)SRC框架節(jié)點(diǎn)開展試驗(yàn)研究，提出了一種能夠反映節(jié)點(diǎn)主要受力特征的滯回模型，其假定節(jié)點(diǎn)由四個(gè)單元模型構(gòu)成，最后通過疊加每個(gè)單元模型的恢復(fù)力特征得到節(jié)點(diǎn)的滯回特征，理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。我國(guó)西安建筑科技大學(xué)最早在1985年和1986年進(jìn)行SRC節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)。隨后的研究主要有，SRC節(jié)點(diǎn)低周荷載試驗(yàn)，SRHC柱與SHC梁框架邊節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和SRHC框架節(jié)點(diǎn)低周荷載試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，考慮了節(jié)點(diǎn)配箍率、含鋼率和軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)延性、耗能和強(qiáng)度、剛度退化等影響。

2.4鋼骨混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)非線性分析。組合梁柱構(gòu)件的非線性分析模型多采用桿系模型。將桿中間設(shè)置為線彈性彈簧，兩端采用非線性彈簧來模擬，構(gòu)件的非線性變形完全集中于末端彈簧，通過合理選取末端彈簧的彎矩-曲率關(guān)系，該模型可以描述構(gòu)件復(fù)雜的滯回關(guān)系。為了計(jì)算混合結(jié)構(gòu)體系的彈塑性性能，非線性彈簧有基于空間屈服面模型，即P-MX-MY的形式、考慮鋼骨與混凝土之間的粘結(jié)滑移形式、退化三線型模型M-恢復(fù)力模型、四折線型M-恢復(fù)力模型描述。纖維模型是近年來流行的方法，直接將模型建立在分布截面的纖維上，直接從材料的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)得到結(jié)構(gòu)的非線形性能，可以考慮軸力-雙向彎矩之間的耦合作用。針對(duì)SRC結(jié)構(gòu)而言，由于其由兩種材料組成，它的非線性也就直接來源于鋼和混凝土這兩種材料的非線性和相互之間的粘結(jié)滑移。另一種方法是將SRC柱分為鋼筋混凝土和鋼骨兩部分，其中的鋼筋混凝土部分采用桁架-拱力學(xué)模型，鋼骨部分沿其斷面和長(zhǎng)度進(jìn)行細(xì)分，選取合適的混凝土、鋼筋和鋼骨的恢復(fù)力模型之后，將兩部分分別得到的荷載-位移滯回曲線進(jìn)行疊加用于鋼骨混凝土柱的滯回曲線。

目前國(guó)內(nèi)外在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析中廣泛采用的是桿系模型和方法，包括靜力彈塑性分析和動(dòng)力彈塑性分析。SRC結(jié)構(gòu)彈塑性分析中，梁柱構(gòu)件多采用集中塑性鉸模型、考慮軸力-彎矩耦合的三維空間模型等，鉸模型本構(gòu)多為簡(jiǎn)化的多線性模型。

3、鋼骨混凝土的工程應(yīng)用

由于鋼骨混凝土充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，其在高層及超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，早就得到了廣大結(jié)構(gòu)工程師的重視，特別是在一些多震的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。美國(guó)：休斯頓得克斯商業(yè)中心大廈，79層，305m高，均采用鋼骨混凝土外框架一鋼骨混凝土內(nèi)筒結(jié)構(gòu)；休斯頓海灣大樓，52層，221m高，采用鋼骨混凝土柱一鋼梁框架結(jié)構(gòu)。其它地區(qū)：香港中銀大廈，72層，363m高，下部為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼結(jié)構(gòu)；悉尼愷特斯中心，198m高，采用鋼筋混凝土內(nèi)筒、型鋼混凝土剛性懸掛內(nèi)部樓層、型鋼混凝土外柱結(jié)構(gòu)；新加坡財(cái)政部大樓，55層，242m高，型鋼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

隨著我國(guó)高層建筑的迅速發(fā)展，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將越來越廣泛。近年來我國(guó)興建了很多帶有SRC構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的高層建筑，如北京香格里拉飯店，柱子均為鋼骨混凝土柱；北京長(zhǎng)富宮飯店，地下部分和地上兩層均為SRC結(jié)構(gòu)；上海瑞金大廈，1至9層為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)；國(guó)內(nèi)最高的建筑上海金茂大廈采用鋼-鋼骨混凝土-鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，四邊幾根大柱為鋼骨混凝土柱，角柱為鋼柱。

4、結(jié)束語

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，絕大多數(shù)為地震區(qū)，甚至位于高烈度區(qū)，而SRC結(jié)構(gòu)抗震性能好，在強(qiáng)地震區(qū)推廣使用這種結(jié)構(gòu)體系有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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