摘 要:钢骨混凝土结构是建筑结构形式的一种,目前在国内外工程界得到了广泛的应用,对钢骨混凝土结构的特性及形式进行了简单的介绍。
关键词:结构形式;钢骨混凝土;抗震性能
现在的建筑主要是钢筋混凝土结构和砌体结构,由于钢筋混凝土结构投资巨大、可以建造高层建筑,所以往往都建在经济繁荣、人口密集的大、中城市,而这些城市又大都处于地震区。一旦它们在遭受强烈地震作用下发生倒塌破坏,不但会造成难以预料的人员伤亡和巨大的经济损失,而且会对社会的稳定、经济的繁荣带来负面的影响。随着对建筑功能的要求越来越高,建筑的平面布置和竖向体型日益复杂,使得结构的布置在竖向、平面以及刚度方面都出现了许多不规则的结构,这样就造成了结构在地震作用下的反应极为复杂,对地震作用下结构的抗震性能提出了更高的要求。单一的钢筋混凝土结构已不能适应现代建筑发展的需要,新的结构形式随之不断涌现。
近年来,在国内外出现了一种新的结构形式- 钢骨混凝土结构,并已应用在工程之中。如上海的金茂大厦等。通过对钢骨混凝土结构多年的工程实践、试验研究及理论分析,这种介于钢结构与钢筋混凝土结构之间的一种结构日益受到了人们的重视。
1 钢骨混凝土结构的形式及特点
钢骨混凝土结构是指在钢筋混凝土内部配置钢骨的组合结构,简称SRC(Steel Reinforced Concrete) 结构。SRC 结构的特是在混凝土内配置钢骨,这些钢骨可以是扎制的,也可以是焊接的。在大型建筑中经常配置焊接的钢骨,可以根据构件截面大小、受力特点,考虑到受力的合理性,灵活选择焊接钢骨各个板件的宽度和厚度。所配置的钢骨的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双十字钢、双槽钢、十字型钢、箱型方钢管等。由于配置了钢骨,使得钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能都得以充分的发挥,所以SRC 结构在具备钢与混凝土组合结构节约钢材、提高混凝土利用率、降低造价、抗震性能好、施工方便等优点的同时还具有良好的防火、耐腐蚀性能。因为这种结构具有广阔的应用前景,故促使人们对这种结构进行了深入的研究。
在SRC 结构中,钢骨与高强混凝土之间相互约束,使各自的强度得到了提高,增加了结构和构件的延性,从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性,增加了结构及构件的抗震性能。在高烈度地震区的高层或超高层建筑中若采用单一的钢筋混凝土结构,整个结构的延性实际上已经达不到“大震不倒”的要求,若采用钢结构,势必增加许多工程造价。
国内外工程实践证明,SRC 结构同钢结构相比,节省钢材、单位承载力高、刚度大、抗疲劳、抗腐蚀性能好、安全度高。可节约钢材50 %左右,每平方米造价可降低10 %～40 %。同时由于结构刚度的增加,可减少结构侧移1/ 3～1/ 2 ;同钢筋混凝土结构相比,在用钢量相同时,强度提高。
2 SRC结构在国内外研究与应用现状
2. 1 国外的研究与应用现状
SRC 结构的使用是从20 世纪初期始于欧美的,但当时仅仅是利用混凝土对钢骨的保护作用,起到耐久、耐火的作用。对SRC 构件的性能进行大量的研究是从20 世纪50 年代开始的。很多学者在计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量的工作,提出了许多适合本国实情的理论和方法,概括起来主要有三种:
(1) 前苏联的计算理论是基于钢筋混凝土结构的计算方法, 以极限强度理论为设计依据,认为钢骨与混凝土是完全共同工作的,这与实际情况略有出入,试验证明前苏联的计算方法在某些方面偏于不安全;
(2) 欧美的计算理论是基于钢结构的计算方法,以允许应力强度理论为设计依据,考虑混凝土的作用,在试验基础上将试验曲线进行修正,突出反映在组合柱的计算上;
(3) 日本的计算理论是建立在叠加理论基础上的方法,是以允许应力强度理论为设计依据,认为SRC 结构的承载能力是钢骨与钢筋混凝土两者承载能力的叠加,经过比较,日本的计算方法偏于安全。
日本的SRC 结构起源于1910 年时从欧洲传入的一种护墙结构,它是用钢骨作为骨架埋入石护墙的结构。后来用钢筋混凝土外包钢骨代替钢骨周围的砖石,即是日本SRC 结构的雏形。日本是多地震国家,特别重视SRC 结构抗震性能的研究和工程应用。1921 年建成的30m 高的兴业银行是日本早期典型的全SRC 结构,它在关东大地震中几乎没有受到什么损害,引起了日本工程界的重视。内藤多仲在1924 年发表的“钢结构震害调查” 一文中指出:层数较多的SRC 结构具有良好的抗震性能且震害极小。自此,在日本,6 层以上的建筑物开始广泛采用SRC 结构并逐渐发展成为日本独特的一种结构体系。1950 年公布的日本建筑基本法,作为建筑行政指导方针,要求6 层以上的建筑物采用SRC 结构。1953 年要求7 层以上、1970 年要求8 层以上建筑物采用SRC 结构。在日本,SRC 结构和木结构、钢结构及钢筋混凝土结构并列为四大结构,到1985 年,SRC 结构的建筑面积占总建筑面积的62. 8 % ,10～15 层高层建筑中SRC 结构的建筑物幢数占总数的90 %左右。
SRC结构在日本的广泛研究是从二战后开始的,在战后的修复中,SRC结构建筑物不断涌现,由于建立设计方法的需要,促进了对结构体系的系统研究。1951～1956 年,东京大学生产技术研究所的平井善胜、若林实研究小组为研究SRC 结构承载力,进行了SRC梁的弯曲、SRC 子的偏压、SRC 梁、SRC 柱剪切、SRC 梁柱节点以及粘结等各种试验。此外,东京大学的仲雄尾、高田周三研究小组进行了足尺寸梁的剪切及梁柱节点试验。梅村魁研究小组进行了SRC柱偏压试验。以上研究基本是以空腹式SRC 构件为主。以这些研究成果为基础,日本建筑学会于1958 年制定了以累加强度为基本体系的《钢骨混凝土规范》。1958 年规范制定以后,对SRC结构的研究也基本告一段落,直到20 世纪60 年代, 在一次地震中发现许多钢筋混凝土柱发生了剪切破坏,而SRC 结构的损坏极其轻微,由此促进了对SRC 构件的剪切性能的进一步研究,并取得了防止剪切破坏的措施。日本从1959 年开始生产H 型钢,1960 年后,横尾义贯、若林实等进行了以H 型钢为钢骨的SRC构件的弯曲、轴心及偏心受压、剪切及节点的试验研究,证实了当时的《钢骨混凝土规范》同样适用于采用H 型钢的SRC 构件。1963 年,日本对1958 年《钢骨混凝土规范》进行了第一次修改,修改后的内容与第一版基本相同,只是对有关剪力计算条文给出了具体的计算公式,并在柱子部分的说明中给出了钢骨和钢筋为非对称配置时的累加强度计算公式。
1995 年,日本关西大地震倒塌和严重破坏的建筑物中,钢筋混凝土结构占55 % ,钢结构占38 % ,而SRC 结构及其混合结构仅占7 %。经过分析表明,SRC 结构的破坏主要为非埋入式柱脚及SRC 与钢筋混凝土结构的转换层等薄弱环节。目前,日本已成为对SRC 结构研究和应用最多的国家。
总而言之,国外关于SRC 结构的现有理论各有千秋,都不能成为一种成熟理论,有待于进一步发展和完善。
2. 2 国内的研究与应用现状
众所周知,长期以来我国的钢产量一直严重不足,为了满足大规模发展、建设的需要,自20 世纪50 年代起,我国就引进了前苏联的SRC 结构,如包头电厂的主厂房和鞍山钢铁公司的混铁炉基础都是由苏联设计,我国施工建成的SRC 结构。后来我国设计人员也按照苏联规范设计了一些SRC 结构,如郑州铝厂的蒸发车间。这个时期所用的都是空腹式SRC 结构,而且不配置钢筋和箍筋,其应用仅限于少数工业厂房和特殊结构,没有推广到民用和公用建筑物中去。20 个世纪60 年代以后,由于片面强调节约钢材,SRC 结构应用就减少了。20 世纪80 年代初期,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC 结构又一次在我国兴起。如日本为我国设计的北京国际贸易中心和京广大厦等超高层建筑的底部几层都是SRC 结构,北京24 层的香格里拉饭店则完全是钢—混凝土组合结构,其柱子全部为SRC 柱。
我国对SRC 结构的研究始于在20 世纪80 年代中期。郑州工学院、西安建筑科技大学与原冶金部建筑研究总院最早开始进行研究,继而西南交通大学、东北大学、重庆建筑大学、清华大学、哈尔滨建筑大学、东南大学、中国建筑科学院、沈阳建筑工程学院等高等院校、科研单位也展开了广泛的研究。在这一时期, 重点研究了SRC 受弯构件的正截面和斜截面的受力性能,并建立其正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的计算公式,以及研究了徐变、收缩等问题;研究了SRC 构件的抗裂性能,刚度和裂缝等性能,并建立其刚度和裂缝宽度计算公式;对于SRC 受压构件,探讨了其受力性能,并建立了其轴心受压、偏心受压及抗震承载力的计算公式,以及讨论了轴压比的限值等问题。
进入20 世纪80 年代末之后,各高等院校和科研单位又对SRC 节点的受力机理,抗震性能进行了探讨,并建立了其受剪承载力的计算公式;对SRC 边柱剪力墙的工作机理、破坏过程及抗震性能也进行了研究;对SRC 结构中钢骨与混凝土之间的滑移进行了探讨。由于SRC 结构具有强度高、刚性大、延性及耗能性能优良等特性,由SRC 构件组成的结构具有良好的抗震能力。因此,西安建筑科技大学又进行了SRC 框架结构的模拟地震振动台试验、拟动力试验,深入研究了SRC 结构的静动特性与分析方法。在我国自己的试验研究与理论研究的基础上,初步形成了一套较完整的设计计算理论。1989 年曾提出了《钢骨混凝土结构的设计建议》,1998 年在对SRC 梁、SRC 柱及其SRC 节点的基本力学性能、抗震性能和影响因素系统认识的基础上,考虑日本规程,冶金部建筑总院主编并颁发了行业标准《钢骨混凝土设计规程》( YB9082 - 97) 。2001 年,中华人民共和国建设部又颁布了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》(J GJ138 - 2001) , 并于2002 年1 月1 日实施。
3 结论
目前在工程应用中,混凝土的强度等级普遍采用高强度等级,因此改善结构的延性就显得尤为必要。从现有文献来看,改善结构的延性的方法主要有三种思路: (1) 加密箍筋; (2) 采用钢骨高强混凝土结构; (3) 采用钢管混凝土结构。众所周知,加密箍筋虽然对高强混凝土构件延性有所改善,但达到一定程度后效果并不显著,同时给现场施工带来了很大困难。钢管混凝土是解决上述问题的较好方式,它能充分发挥混凝土和钢管这两种材料的性能,但同时也存在节点处理困难,用钢量大和需要特殊防火处理等缺点。钢骨高强混凝土结构是介于钢管混凝土和普通高强混凝土之间的一种结构方式。在HSRC 结构中,钢骨与高强混凝土之间相互约束,使各自强度得到提高,并且因为钢骨的存在,增加了结构和构件的延性,从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性,增加了结构及构件的抗震性能,特别是改善了用来发挥钢骨高强混凝土结构抗压性能的受压构件延性。因此可以预见钢骨高强混凝土结构在工程中应用会越来越普遍。
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