摘 要:简要总结了型钢混凝土组合结构的发展过程、研究现状,介绍了国内外不同的设计分析方法,重点分析比较了J GJ 13822001 和YB 9082297 中计算型钢混凝土结构时存在的异同点,以便为此类结构的设计施工提供参考。
关键词:型钢,组合结构,混凝土
中图分类号: TU392. 1 文献标识码:A
引言
型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete ,以下简称SRC) 结构是指在型钢周围布置钢筋,并浇筑混凝土的结构。型钢分为实腹式和空腹式。实腹式SRC 构件具有较好的抗震性能,而空腹式SRC构件的抗震性能与普通混凝土( Reinforced Concrete ,以下简称RC) 构件基本相同。因此,目前在抗震结构中多采用实腹式SRC构件。实腹式型钢可由钢板焊接拼制而成或直接采用轧制型钢。
SRC 构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力,其受力性能优于这两种结构的简单叠加。与钢结构相比,SRC 构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,并能提高钢构件的整体刚度,显著改善钢构件的平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。此外,外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与RC 结构相比,由于配置了型钢,大大提高了构件的承载力,尤其是采用实腹型钢的SRC 构件,其抗剪承载力有很大提高,并大大改善了受剪破坏时的脆性性质,提高了结构的抗震性能。
1 国外的研究
1. 1 欧美地区SRC 结构的应用与研究
20 世纪初,欧美就开始对SRC 柱进行了研究。1908 年Burr做了空腹式SRC 柱的试验,发现混凝土的外壳能使柱的强度和刚度明显提高。1923 年加拿大开始做空腹式配钢的SRC 梁的试验。在1989 年的美国钢筋混凝土设计规范ACI2318 中,将型钢视为等值的钢筋,然后再以RC 结构的设计方法进行SRC 构件设计,这种方法的优点在于对SRC 结构设计时考虑了构件的“变形协调”和“内力平衡”,但没有考虑型钢材料本身的残余应力和初始位移。在1993 年的钢结构设计规范C2LRFD 中,采用极限强度设计法来设计SRC 结构,将RC 部分转换为等值型钢,再以纯钢结构的设计方法进行组合结构设计,并考虑了残余应力和初始位移。英国在理论分析资料的基础上,于1969 年将建筑中的SRC柱列入英国钢结构规范BS 449 的第三部分,随后将桥梁中的SRC 柱列入英国标准BS 5400 的第五部分。对SRC 梁,英国钢结构设计规范按组合截面进行弹性设计,即取0. 7 倍型钢屈服强度用弹性方法计算型钢,然后按组合截面进行修正,忽略混凝土抗拉强度。
1. 2 日本SRC 结构的应用与研究
在日本,SRC 结构与钢结构、木结构和RC 结构并列为四大结构。1923 年在东京建成的30 m 高全SRC 结构的日本兴业银行,在关东大地震中几乎没有受到什么损坏,引起日本工程界的重视。随着工程应用的实践及科学研究的深入进行,发现SRC 结构还具有更多的优点。在经历了1923 年关东大地震、1968 年十胜冲地震及1995 年的阪神地震后,发现在地震中其他大量房屋建筑遭严重破坏的情况下,SRC 结构几乎未遭破坏或仅有少量轻微破坏,这就推动了日本研究与应用SRC 结构的热潮。日本从1951 年起开始对SRC 结构进行了全面系统的研究,1958 年制定了《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》,此标准的最大特点是在承载力计算方面采用了强度叠加理论。从1963 年到1987 年,该标准先后进行了四次修订,最终成为SRC 结构设计规范第三版(AIJ2SRC) ,基本形成较为完整的设计理论和方法。该规范在忽略混凝土抗拉强度、遵从平截面假定及不考虑型钢与混凝土之间的粘结力等条件下,以“强度叠加法”作为理论基础。日本持续研究和发展SRC 结构,主要是由于日本是多地震国家。SRC 结构以其优异的抗震性能,在日本得到广泛应用。
2 我国SRC结构的应用与研究
20 世纪50 年代初,我国从前苏联引进了SRC 结构,后由于片面追求节省钢材,于60 年代末几乎停止使用。80 年代后,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC 结构在全国兴起,北京、上海、江苏等省市的高层建筑中应用了SRC 和RC 的混合结构,取得了良好的经济效果。“劲性钢筋混凝土结构性能及设计方法”课题,自1987 年开始,在查阅各国有关规范、研究成果、工程应用基础上,进行了系统的试验研究。主要进行了以下工作:1) 受压构件专题组中武汉工业大学共进行了三根配有工字型钢,5 根配有角钢的型钢混凝土轴心受压柱的承载力试验;中国建筑科学研究院进行了10个压弯构件试验;冶金部建筑研究总院进行了18 根偏心受压中长柱试验;武汉工业大学进行了5 根偏压柱试验;西南交通大学进行了偏压构件试验;同济大学对配置角钢的格构式劲性钢性钢混凝土柱进行了试验。2) 受弯构件专题组6个单位总共进行了35个构件的试验(郑州工学院8个T 型截面简支梁试验;中国建筑科学研究院3个矩形截面梁;西安冶金建筑学院12个;西南交通大学12个;华南理工大学2个;南京建筑工程学院4个) 。3) 短柱受力性能专题组三个单位共进行了58个试件的试验(其中,西南交通大学32个,西安建筑学院18个,东南大学8个) 。
通过以上系统研究,取得了一系列的研究成果,并在一些高层建筑工程中应用。经过几年的研究和工程实践,参考日本钢骨混凝土设计标准[ 1 ] ,1998 年我国冶金部颁布了我国第一部YB9082297 钢骨混凝土结构设计规程。此规程基本沿用了日本标准的设计方法,包括其名称在内。将型钢作为等效钢筋,参照我国的混凝土规范及国外有关规范,2002 年建设部颁布了J GJ 3822001 型钢混凝土组合结构技术规程。此规程中的设计方法与我国的混凝土规范相近。
3 我国的设计方法
在试验及理论研究的基础上,对于SRC 结构的设计方法,我国学者也提出了多种计算方法,反映在规范规程上,有冶金部的YB 9082297 钢骨混凝土结构设计规程(以下简称《钢骨规程》) 和建设部的J GJ 13822001 型钢混凝土组合结构技术规程(以下简称《型钢规程》) 。《钢骨规程》参照日本规范的叠加方法,进一步提出了较为准确的轴力分配方法,称为改进简单叠加法。改进简单叠加方法与理论方法和一般叠加法基本吻合。在《钢骨规程》中,无论是构件的承载力计算还是刚度、裂缝验算,均采用叠加原理,原理清晰,计算简单。在《型钢规程》中,构件的承载力计算采用平截面假定,钢骨与混凝土变形协调,通过构件内里平衡方程求解构件承载力。在承载力计算中,公式复杂,适合于已知各配筋条件的承载力验算,而已知内力求配筋则计算复杂。刚度计算采用钢筋混凝土与型钢钢骨两部分刚度叠加的方法,与《钢骨规程》相近,计算公式有差异,在长期刚度的计算中,混凝土收缩、徐变的影响仅考虑混凝土部分的影响,但《型钢规程》中没有区分钢骨部分和型钢部分,公式中用的是整体刚度。受弯构件裂缝计算两者也不一致《, 型钢规程》中将型钢受拉翼缘简化为等效钢筋,并考虑型钢腹板的部分影响;《钢骨规程》中采用叠加原理,通过弯矩分配,计算混凝土部分承担的弯矩,在考虑型钢受拉翼缘影响的基础上,计算裂缝宽度。综上所述,两者在计算原理上存在差别《, 钢骨规程》采用的是叠加原理,而《型钢规程》中除刚度计算、抗剪计算也采用叠加原理外,压弯承载力计算和裂缝计算是将型钢受拉翼缘等效为钢筋,按平截面假定计算。
随着型钢混凝土构件研究的深入及计算理论的逐步成熟,近年来,型钢混凝土的研究逐步由构件转向体系,由普通混凝土转向高性能混凝土,由单一型钢混凝土体系的研究转向型钢混凝土与混凝土、钢及预应力技术相组合所产生的新结构体系的研究,预应力型钢混凝土技术也由此发展起来。
参考文献:
[1]日本建筑学会. 钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解说[M] . 冯乃谦,叶列平,译. 北京:能源出版社,1998.
[2]中国建筑科学研究院. 混凝土结构研究报告选集[ R] . 北京:中国建筑工业出版社,1994. 4522537.
[3] YB 9082297 ,钢骨混凝土结构设计规程[ S] .
[4]J GJ 13822001 ,型钢混凝土组合结构技术规程[ S] .
