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遠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《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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