型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用和研究

摘　要:結(jié)合《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138 - 2001) ,對型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點、在我國的應(yīng)用及研究作了整體的綜述,簡要介紹了容許應(yīng)力法、一般極限狀態(tài)計算法和概率極限狀態(tài)計算法。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)值得推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:型鋼混凝土;結(jié)構(gòu)特點;應(yīng)用;計算方法

中圖分類號:TU528. 59 　　　　文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6429(2008) 02 - 0150 - 02

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土包裹型鋼做成的,也是鋼與混凝土組合的一種新型結(jié)構(gòu)。過去,我國對這種結(jié)構(gòu)的名稱叫法不一致,有的稱之為勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有的稱之為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。2002 年建設(shè)部發(fā)布了《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,將型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)(Steel Reinforced Concrete Com2posite Structure) 定義為混凝土內(nèi)配置軋制型鋼或焊接型鋼和鋼筋的結(jié)構(gòu),簡稱SRC 結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土可以做成多種構(gòu)件,更能組成各種結(jié)構(gòu),它可代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于各類建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中。

1 　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點

1. 1 　自重輕,構(gòu)件截面小

由于型鋼混凝土構(gòu)件中的型鋼可不受鋼率的限制,它的承載力可以達到同樣外形鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的一倍以上,因而可以減小構(gòu)件截面,尤其是對高層和大跨度建筑物,可以減輕自重,增大建筑物層高和使用面積,提高經(jīng)濟效益。

1. 2 　節(jié)約鋼材,經(jīng)濟效益好

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與全鋼結(jié)構(gòu)相比,可節(jié)約1P3 左右的鋼材,同時克服了鋼結(jié)構(gòu)防銹、防腐蝕、防火性能較差、需經(jīng)常性維護等弱點。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的型鋼在混凝土未澆灌前自身已形成鋼結(jié)構(gòu),具有相當(dāng)大的承載能力。施工中可以將混凝土的模板懸掛在型鋼上,而不必為模板另設(shè)支柱,因而減少了支模板的勞動力和材料,也不必等待混凝土達到一定強度就可以繼續(xù)施工上層,使工期大為縮短。

1. 3 　受力合理,強度高,延性好

型鋼混凝土構(gòu)件充分利用混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能,鋼筋混凝土與型鋼形成整體,共同受力。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高,這種結(jié)構(gòu)在地震作用下具有很強的抗震性能,這在日本多次大地震中已得到了充分的驗證。另外,它的耐久性、耐火等級等方面亦較鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

綜上所述,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種很有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu),應(yīng)充分加強對它的研究和應(yīng)用。

2 　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用

20 世紀(jì)50 年代初,我國開始從前蘇聯(lián)引進了型鋼混凝土結(jié)構(gòu),主要用于工業(yè)廠房,如包頭電廠主廠房、鞍山鋼鐵公司的沉鐵爐基礎(chǔ)等。20 世紀(jì)80 年代后,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于高層、超高層建筑中。如北京長富宮飯店,地上25 層,地下3層,高88 m ,地下部分至2 層范圍為型鋼混凝土結(jié)構(gòu),上部為鋼框架結(jié)構(gòu);上海瑞金大廈27 層,由型鋼混凝土及普通鋼筋混凝土內(nèi)筒、型鋼混凝土框架組成,其中1～9 層為型鋼混凝土結(jié)構(gòu);北京香格里拉飯店,地上26 層,地下2 層,總高82. 75 m ,結(jié)構(gòu)形式為框架—剪力墻體系,其框架柱均采用了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱;還有上海金貿(mào)大廈,地上88 層,地下3 層,總高度420. 5m ,國內(nèi)第一,世界第三,其主體結(jié)構(gòu)采用了核心筒加圈復(fù)合巨型柱的方案,其巨型柱是由H 型鋼、鋼筋和高強混凝土復(fù)而成。正是由于具有良好的力學(xué)性能,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用日益廣泛。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)除應(yīng)用于高層建筑及一些特殊結(jié)構(gòu)外,在橋梁工程上的應(yīng)用也已從局部構(gòu)件發(fā)展到橋梁整體結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)由于自身所特有的低容重P強度比、剛度大、截面利用率高、施工方便等優(yōu)點,成為最具競爭力的一種結(jié)構(gòu)形式。因此,盡管型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用時間不是很長,但已經(jīng)得到了迅速發(fā)展,比如萬縣長江大橋、杭州市錢江四橋等。

3 　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究

SRC 結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點,因而在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,引起了研究者極大關(guān)注,從而使SRC 結(jié)構(gòu)的研究步步深入。歐美上世紀(jì)初就開始對SRC 柱進行了研究,對SRC 梁研究從加拿大開始,相繼在英國、美國、日本及前蘇聯(lián)等國家也開始了研究。

我國從20 世紀(jì)50 年代開始應(yīng)用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),但研究起步較晚。到了80 年代初中國才有組織的進行對SRC 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究,全國許多單位對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括梁、柱、節(jié)點等) 的承載力、剛度、裂縫以及延性進行了試驗,依據(jù)試驗結(jié)果進行了有關(guān)設(shè)計理論與計算方法的研究。1997 年參照日本規(guī)程,原冶金部編制并頒發(fā)了《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(YB9082 - 97) ,2002 年建設(shè)部又頒發(fā)了《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138 - 2001) 。我國現(xiàn)采用的SRC 結(jié)構(gòu)計算方法是根據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138 - 2001) 基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計算方法,不同之處是對型鋼承載力的考慮。

目前,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的試驗研究正從一般的梁、柱局部構(gòu)件試驗研究分析,發(fā)展到對各種復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造、大比例全結(jié)構(gòu)模型的試驗研究(如型鋼混凝土框架彈塑性地震反應(yīng)試驗研究、型鋼混凝土樁基承臺抗沖擊性能的試驗研究等) 及型鋼__混凝土粘結(jié)滑移性能的研究、保護層的彈塑性屈曲分析等。

3. 1 　型鋼混凝土梁、柱及梁柱節(jié)點的研究

試驗證實,型鋼混凝土梁和柱的滯回曲線面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于條件相同的普通鋼筋混凝土梁和柱的滯回曲線面積,說明前者的抗震性能要比后者優(yōu)越得多。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的試驗研究較片面,工程中與型鋼混凝土柱配合使用的大都仍為鋼筋混凝土,梁中鋼筋較多,與柱中型鋼交叉,且柱中型鋼形式多樣,構(gòu)造十分復(fù)雜,節(jié)點的試驗大都根據(jù)具體的工程,集中在鋼筋混凝土梁與型鋼柱的連接構(gòu)造和節(jié)點承載力上,缺乏系統(tǒng)性;型鋼混凝土梁與型鋼混凝土柱的連接節(jié)點試驗研究大都集中在節(jié)點的破壞形態(tài)和承載力上,對節(jié)點的構(gòu)造和應(yīng)力傳遞機制的研究還不夠深入,且試件梁、柱內(nèi)大都采用軋制Ⅰ型,不能適應(yīng)柱內(nèi)多樣的型鋼形式;鋼梁與型鋼混凝土柱連接節(jié)點的試驗研究則較少,不利于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在超高層、大跨建筑中的應(yīng)用和發(fā)展;另外,我國目前還需要對采用高強度混凝土的型鋼混凝土梁柱節(jié)點的性能、結(jié)構(gòu)過渡層中型鋼混凝土柱與鋼結(jié)構(gòu)柱或鋼筋混凝土柱的連接構(gòu)造以及柱腳部位的連接構(gòu)造等進行深入的研究。

3. 2 　計算理論的研究

綜觀各國對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)所采用的計算理論主要可以分為三種類型:以美國為代表的基于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法;日本規(guī)范采用的疊加方法;前蘇聯(lián)采用的基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。我國建設(shè)部頒布實施的《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138 - 2001) 則基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計算方法。SRC結(jié)構(gòu)計算理論和其他結(jié)構(gòu)體系一樣有容許應(yīng)力計算法、一般極限狀態(tài)計算法和概率極限狀態(tài)計算法。

容許應(yīng)力計算法要求結(jié)構(gòu)在使用期間任何一點的應(yīng)力不得超過其容許應(yīng)力,結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力彈性理論求得。它與客觀實際的差異在于作為SR 結(jié)構(gòu)的材料并非是完全的彈性體,而且它不能表達出結(jié)構(gòu)的承載能力。在計算過程中無論是外荷作用還是材料的強度、截面尺寸等都不能反映出客觀隨機變量,因此不能科學(xué)地表示出結(jié)構(gòu)的安全度。

一般極限狀態(tài)計算法是以構(gòu)件上某一截面上的承載能力或某種結(jié)構(gòu)的承載能力為依據(jù),以材料強度、截面尺寸及荷載各分項為隨機變量,用概率論或數(shù)理統(tǒng)計學(xué)來分析。而它只能表達各分項的可靠度,不能表達整個公式的可靠度。

以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法,以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。它將一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抵抗力R 與它所承受的作用S 之差( R - S) 作為一個隨機變量來進行概率分析,因而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性在度量上給出比較科學(xué)的回答。

如果以Z = R - S 作為一個隨機變量來進行概率分析,假設(shè)R 和S 兩個獨立的隨機變量都是正態(tài)分布,則它們的差Z = R - S 也是正態(tài)分布,如圖1 所示。若變量R 的平均值為值的大小決定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效概率,同時也決定了可靠度。我國正是按照以上設(shè)計理論編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。例如其中SRC 結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的受剪承載力公式為:

顯然概率極限狀態(tài)計算法是比較科學(xué)和先進的計算理論。21 世紀(jì)是SRC 結(jié)構(gòu)構(gòu)件概率極限狀態(tài)計算法推廣的時代。

4 　結(jié)束語

正是由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能,在高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也日益廣泛。但總的說來,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用還處于起步階段。隨著科研工作的深入,計算理論的進一步完善,如果能有針對性地推廣應(yīng)用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),對我國高層建筑的發(fā)展、優(yōu)化和改善結(jié)構(gòu)抗震性能,都將具有極其重要的意義。

參考文獻

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