鋼骨混凝土構(gòu)件的受力性能研究綜述

謝文光

摘 要：本文基于對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的研究，介紹了鋼骨的發(fā)展和特點(diǎn)，以及鋼骨和混凝土的共同工作，梁、柱構(gòu)件的斜截面和正截面的受力性能、剛度裂縫、抗震性能和其他相關(guān)的計(jì)算理論，介紹了適用于中國(guó)技術(shù)應(yīng)用的梁力節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能以及彩色梁節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，分析了鋼骨混凝土施工技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土；梁柱；梁柱節(jié)點(diǎn)；受力性能抗震能力

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-9052（2020）04-0194-02

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們對(duì)建筑美學(xué)要求的不斷提高，大型建筑和摩天大樓建設(shè)在城市建設(shè)中迅速興起，并已成為現(xiàn)代大都市的重要標(biāo)志。由于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸巨大，鋼結(jié)構(gòu)的成本高，使得鋼骨凝土鋼結(jié)構(gòu)具有在各種大型項(xiàng)目中廣泛使用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 混凝土構(gòu)件概述

鋼骨混凝土（SRC）結(jié)構(gòu)是在鋼框架周圍放置鋼框架，并鋪設(shè)混凝土的結(jié)構(gòu)。鋼骨有兩種類型，實(shí)腹式和空腹式。實(shí)腹式鋼骨混凝土站點(diǎn)具有更好的抗震性能，空腹式鋼骨混凝土具有與普通鋼筋混凝土幾乎相同的構(gòu)件。因此，SRC的實(shí)腹式目前廣泛用于地震結(jié)構(gòu)中，固定鋼主軸可以直接焊接，并組裝在鋼板或鋼棒上。

SRC元件的內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)和外部實(shí)體具有恒定的垂直載荷，并且通過(guò)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的調(diào)整可以改善結(jié)構(gòu)的性能。與鋼結(jié)構(gòu)相比，SRC構(gòu)件的外部混凝土可以防止鋼構(gòu)件局部收縮，提高鋼構(gòu)件的整體硬度，并顯著改善鋼構(gòu)件的平面扭轉(zhuǎn)性能。與純鋼結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)最多可節(jié)省50%的鋼材料。另外，鋼骨混凝土可改善結(jié)構(gòu)完整性和耐火性。在歐美國(guó)家，SRC結(jié)構(gòu)的第一個(gè)開發(fā)因素是基于對(duì)防火安全和鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)的考慮。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較，特別是實(shí)腹式SRC構(gòu)件，大大提高了構(gòu)件的承載能力、受剪切破壞時(shí)的脆性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗地震性能。因此，SRC結(jié)構(gòu)在日本被廣泛使用。但是，SRC強(qiáng)度結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，必須在技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仔細(xì)審查，否則該項(xiàng)目將很難實(shí)施。1950年代，從蘇聯(lián)引入中國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)與SRC結(jié)構(gòu)有關(guān)。

鋼骨可以承受特定建筑物負(fù)荷。第二次世界大戰(zhàn)后，鋼骨被用來(lái)承受建筑負(fù)荷，以促進(jìn)恢復(fù)和重建，加快建筑速度。1949年，前蘇聯(lián)建筑科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究編制了《多層房屋勁性鋼筋混凝土建筑物的初步技術(shù)條件（BTY 03-49）》。在1950年，進(jìn)行了更全面的實(shí)驗(yàn)研究，制定了《蘇聯(lián)勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（CM3-78）》。在1920年，西方國(guó)家工程設(shè)計(jì)人員覆蓋了混凝土鋼柱，以滿足鋼結(jié)構(gòu)的耐火性要求。最初，設(shè)計(jì)為覆蓋鋼的混凝土柱鋼桿。自1940年以來(lái)，他們確定了外部混凝土對(duì)改善鋼骨耐久性的作用?？紤]到低硬度后，采用鋼柱法。在1920年，日本開始在多個(gè)項(xiàng)目中引入SRC結(jié)構(gòu)。1923年，東京一個(gè)30米高的SRC建筑引起了日本工程界的注意，因其在大地震中遭受了較小破壞。日本1951年開始對(duì)SRC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的系統(tǒng)研究，1958年建立了混凝土鋼材標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。自1987年以來(lái)，揭示了相對(duì)完整的原則和程序。由于日本是地震多發(fā)地，這是日本持續(xù)研究和開發(fā)SRC結(jié)構(gòu)的原因。

SRC結(jié)構(gòu)在日本廣泛用于有效的抗地震建筑。對(duì)于中國(guó)SRC結(jié)構(gòu)中使用的大量鋼材，在1980年之前就沒(méi)有使用過(guò)，而且尚未進(jìn)行研究。隨著1980年以后中國(guó)建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，SRC結(jié)構(gòu)引起了中國(guó)工程界越來(lái)越多的關(guān)注，開始更系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和開發(fā)，中國(guó)冶金工業(yè)部于1998年首次參照日本有關(guān)鋼骨混凝土的《勁性混凝土的鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范YB9082-97：E6》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了冶煉。

2 鋼骨與混凝土的共同工作

SRC結(jié)構(gòu)是兩者鏈接的前提，無(wú)論是調(diào)整變形的鋼骨還是外部的混凝土。如果固定手柄由外部混凝土組成，則可以看出，在出現(xiàn)故障時(shí)SRC元件的承載能力低，柔韌性也不高。

SRC組件的箍筋在切割方面可能會(huì)有重大改進(jìn)，需要進(jìn)行調(diào)整。箍筋布置的目的是鎖定混凝土的外部，以免過(guò)早磨損引起的過(guò)度磨損。此外，提高懸停速度有助于防止磨損。在相同的循環(huán)載荷下，將SRC熱滯曲線與不同比例的鋼進(jìn)行比較。SRCZ3試件的喇叭口小、粘合力差，損壞的混凝土尺寸大，多鉤SRCZ5試件的損壞不是由嚴(yán)重的膠粘劑破壞和承載能力而引起的。此外，可以看出，SRCZ3的靈活性大大提高。該測(cè)試表明，鋼骨和混凝土對(duì)于 SRC模具零件可以正常工作。如果外部混凝土零件配備了多個(gè)縱向加勁，則應(yīng)力分布部分，可以導(dǎo)致嚴(yán)重滲入外部混凝土破壞階段，進(jìn)而消除鋼結(jié)構(gòu)的塑性變形。對(duì)于SRC增強(qiáng)復(fù)合材料的要求，根據(jù)“增強(qiáng)型國(guó)家結(jié)構(gòu)規(guī)則”因SRC的不同，需要確保將外部混凝土和鋼骨框架聯(lián)系在一起，以確保建設(shè)的靈活性。

3 鋼骨混凝土柱的受力性能

3.1 鋼骨混凝土柱的軸心受壓承載力

在1950年之前，歐洲僅對(duì)鋼柱使用混凝土密封，因此在設(shè)計(jì)中未考慮其對(duì)承載柱的壓力。根據(jù)Faber和Stevens等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，考慮到鋼柱的強(qiáng)度和施工方法，混凝土的外層可以有效地改善鋼柱的承載力，減輕外部混凝土的影響。1960年代，Basu和SomerviUE等根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算提出了一種回路曲線的概念。根據(jù) Robertson回路曲線，回路曲線由軸向壓縮的SRC柱提供支持力。1970年，Virdi DoMing-9J引入了相對(duì)延遲的概念，以改進(jìn)Basu-Somerville定律，并解釋了SRC柱和SRC柱的凈柱鋼與設(shè)計(jì)方法的內(nèi)在聯(lián)系，回路曲線對(duì)應(yīng)于純鋼柱。

3.2 鋼骨混凝土柱的壓彎承載力

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)較薄的概念太過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法計(jì)算SRC柱壓縮柱的承載力。但是在計(jì)算彎曲和撓曲能力時(shí)，會(huì)同時(shí)在軸向計(jì)算中設(shè)計(jì)幾何非線性和不等式，可以直接給出強(qiáng)度和彎矩之間的關(guān)系，但需要指定4個(gè)參數(shù)。某些計(jì)算更為復(fù)雜，彎矩越大，則誤差越大。對(duì)于鋼制截面柱，不僅增加了其構(gòu)件的剛度，而且還提高了彎曲和彎曲框架的能力，從而顯著提高了鋼截面參與框架彎曲和彎曲的能力，改進(jìn)水平為30%。在地震期間，由于水平結(jié)構(gòu)的增加和梁鉸鏈的形狀而使框架柱成為框架結(jié)構(gòu)承接載荷的主要因素，因此在柱端部的軸向強(qiáng)度和彎矩會(huì)急劇增加。即使在發(fā)射彎曲的壁后也會(huì)發(fā)生這種情況，這不僅需要出色的支柱框架抓地力，還需要很高的強(qiáng)度和硬度，因此結(jié)構(gòu)的不足會(huì)受到支柱強(qiáng)度不足或橫向運(yùn)動(dòng)過(guò)度的影響。顯然，混凝土鋼柱具有更加優(yōu)異的抗沖擊性。

如上所述，考慮到SRC元件鋼筋的特定結(jié)構(gòu)要求，鋼骨結(jié)構(gòu)和外部混凝土可以進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到最終載荷為止。因此，可以使用與SRC構(gòu)件在正常部分和帶有RC構(gòu)件的平坦部分中的柔韌性相同的原理進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的基本假設(shè)如下：一是電壓部分的分布對(duì)應(yīng)于預(yù)期的平面部分；二是選擇適當(dāng)?shù)墓腆w應(yīng)變率；三是采用鋼骨與混凝土的彈塑性彎曲的理想關(guān)系；四是不要考慮混凝土梁的強(qiáng)度；五是沒(méi)有局部的鋼裂紋。

根據(jù)日本學(xué)者若林氏提出的可塑性理論下界解，超金屬法更加簡(jiǎn)單、實(shí)用，并且容易被工程師接受，以計(jì)算常壓和彎曲狀態(tài)下SRC構(gòu)件的承載力。SRC元件在水平平衡位置的一般橫向彎曲能力可以通過(guò)鋼和RC組件的重疊來(lái)表示。

根據(jù)可塑性理論，從軸向力分布獲得的指狀物的柔韌性總是比有效解決方案更小、更安全。因此，在技術(shù)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)某些規(guī)則來(lái)分配軸向力，而不必?fù)?dān)心不安全項(xiàng)目的后果。迄今為止，日本的相關(guān)研究人員已經(jīng)提供了一種簡(jiǎn)單的軸向力分配原理，即簡(jiǎn)單的超金屬定律。設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單分散作用力方法的結(jié)果是安全的，并且避免產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)?；谏鲜鲈恚袊?guó)研究人員提出了一種精確方法，而不是通過(guò)一種簡(jiǎn)單的疊加方法來(lái)分配軸向力，應(yīng)用于鋼截面對(duì)稱固定部分。

必須考慮flex的長(zhǎng)期影響，在中等長(zhǎng)度和長(zhǎng)度的SRC鋼筋中，日本常使用嵌套方法。這不僅很好解釋，而且計(jì)算非常簡(jiǎn)單。而歐洲直接考慮了幾何雜質(zhì)和物理不均勻性，給出了軸向力矩和彎曲力矩之間的關(guān)系。這個(gè)概念雖然看似相對(duì)簡(jiǎn)單，但是在計(jì)算過(guò)程中需要確定4個(gè)參數(shù)，要復(fù)雜得多。

3.3 鋼骨混凝土柱的受剪性能

SRC柱的位移破壞過(guò)程與RC柱明顯不同。盡管已充分腐蝕，但RC色譜柱截留通常構(gòu)成明顯差異。在基于Web的固定式SRC柱中，很難形成大的裂紋，并且有一定的受剪性能。SRC框架柱和RC柱在循環(huán)荷載下的受剪性能的比較中可以看出SRC框架柱的磁滯曲線具有輕微的主軸形狀，并且充滿了磁滯曲線，而RC框架柱的磁滯曲線具有明顯的后鉗位和最大位移，受剪性能將大大降低。目前，在世界其他國(guó)家，計(jì)算混凝土鋼柱切割量的方法并不相同，大型研究機(jī)構(gòu)根據(jù)自己的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了許多相關(guān)計(jì)算。通過(guò)對(duì)比，這些計(jì)算之間的主要區(qū)別：一是考慮到壓縮比對(duì)剪切壓縮能力的影響；二是網(wǎng)狀鋼剪切值的差異。研究表明，軸向力n≤0.5適用于切削。當(dāng)n>0.5時(shí)，軸向壓力以上的高度會(huì)不利于立柱的位移，若立柱發(fā)生位移，位移截面也會(huì)降低。承受剪切應(yīng)力的混凝土鋼柱的抗剪強(qiáng)度也很難通過(guò)軸向壓縮比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以重點(diǎn)考慮作用壓縮比的影響。計(jì)算混凝土框架要點(diǎn)，至少要處理兩個(gè)影響因素：一個(gè)是網(wǎng)格的剪切強(qiáng)度，另一個(gè)是兩側(cè)的塑性剪切強(qiáng)度。如果立柱的承載能力由腹板抗剪承載力決定，則會(huì)從抗剪鋼截面中釋放出來(lái)。如果剪切強(qiáng)度是由兩種塑料的彎矩決定，則橫截面為鋼，另外，還可以假定剪切曲線是根據(jù)受剪切壓力破壞的網(wǎng)格網(wǎng)計(jì)算的。切割SRC色譜柱與RC色譜柱有很大不同，即使有足夠的侵蝕，RC柱仍會(huì)被壓碎，但在網(wǎng)絡(luò)SRC柱中很難形成固定的邊坡裂紋，并且破壞過(guò)程緩慢而明顯。 SRC框架柱的磁滯曲線略微呈螺旋狀，RC框架柱的磁滯曲線上的剪裁和滿載在重復(fù)荷載下非常明顯。

3.4 鋼骨混凝土柱的抗震性能

多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究表明，即使在剪切破壞方面，舊的模型也比RC框架柱具有更好的抗震性能。與RC柱一樣，軸向壓力比大，磁滯回線面積小，能量效率低。同時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加和變形的加大，具有較大軸向壓力比樣品的承載能力會(huì)更小。因此，對(duì)于SRC，還必須限制其軸向壓力比。根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)N/N0> 0.4-0.5時(shí)，SRC柱的地震活動(dòng)明顯降低。該測(cè)試還表明，影響SRC熱柔韌性的主要因素是RC組件的作用壓縮。實(shí)驗(yàn)研究表明，鋼筋混凝土零件的軸向強(qiáng)度在損傷階段可以傳遞給鋼制零件。另外，在長(zhǎng)期載荷下，隨著混凝土的發(fā)展，RC部件的軸向強(qiáng)度會(huì)逐漸移向鋼部件，但該領(lǐng)域的研究尚未完成。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，混合結(jié)構(gòu)部件的使用逐漸增加，并且鋼筋混凝土已成為可以很好遷移的混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要部分，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌现蜗到y(tǒng)。同時(shí)，連接問(wèn)題是混合施工的重要環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步研究。未來(lái)，中國(guó)高層建筑的發(fā)展將主要使用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是勁性鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：李凌峰）