摘 要:簡(jiǎn)要總結(jié)了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀,介紹了國(guó)內(nèi)外不同的設(shè)計(jì)分析方法,重點(diǎn)分析比較了J GJ 13822001 和YB 9082297 中計(jì)算型鋼混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)存在的異同點(diǎn),以便為此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工提供參考。
關(guān)鍵詞:型鋼,組合結(jié)構(gòu),混凝土
中圖分類(lèi)號(hào): TU392. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
引言
型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete ,以下簡(jiǎn)稱(chēng)SRC) 結(jié)構(gòu)是指在型鋼周?chē)贾娩摻?并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。型鋼分為實(shí)腹式和空腹式。實(shí)腹式SRC 構(gòu)件具有較好的抗震性能,而空腹式SRC構(gòu)件的抗震性能與普通混凝土( Reinforced Concrete ,以下簡(jiǎn)稱(chēng)RC) 構(gòu)件基本相同。因此,目前在抗震結(jié)構(gòu)中多采用實(shí)腹式SRC構(gòu)件。實(shí)腹式型鋼可由鋼板焊接拼制而成或直接采用軋制型鋼。
SRC 構(gòu)件的內(nèi)部型鋼與外包混凝土形成整體、共同受力,其受力性能優(yōu)于這兩種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單疊加。與鋼結(jié)構(gòu)相比,SRC 構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲,并能提高鋼構(gòu)件的整體剛度,顯著改善鋼構(gòu)件的平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。此外,外包混凝土增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。與RC 結(jié)構(gòu)相比,由于配置了型鋼,大大提高了構(gòu)件的承載力,尤其是采用實(shí)腹型鋼的SRC 構(gòu)件,其抗剪承載力有很大提高,并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì),提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。
1 國(guó)外的研究
1. 1 歐美地區(qū)SRC 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究
20 世紀(jì)初,歐美就開(kāi)始對(duì)SRC 柱進(jìn)行了研究。1908 年Burr做了空腹式SRC 柱的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)混凝土的外殼能使柱的強(qiáng)度和剛度明顯提高。1923 年加拿大開(kāi)始做空腹式配鋼的SRC 梁的試驗(yàn)。在1989 年的美國(guó)鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范ACI2318 中,將型鋼視為等值的鋼筋,然后再以RC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行SRC 構(gòu)件設(shè)計(jì),這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)SRC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了構(gòu)件的“變形協(xié)調(diào)”和“內(nèi)力平衡”,但沒(méi)有考慮型鋼材料本身的殘余應(yīng)力和初始位移。在1993 年的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范C2LRFD 中,采用極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)SRC 結(jié)構(gòu),將RC 部分轉(zhuǎn)換為等值型鋼,再以純鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并考慮了殘余應(yīng)力和初始位移。英國(guó)在理論分析資料的基礎(chǔ)上,于1969 年將建筑中的SRC柱列入英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS 449 的第三部分,隨后將橋梁中的SRC 柱列入英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5400 的第五部分。對(duì)SRC 梁,英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范按組合截面進(jìn)行彈性設(shè)計(jì),即取0. 7 倍型鋼屈服強(qiáng)度用彈性方法計(jì)算型鋼,然后按組合截面進(jìn)行修正,忽略混凝土抗拉強(qiáng)度。
1. 2 日本SRC 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究
在日本,SRC 結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和RC 結(jié)構(gòu)并列為四大結(jié)構(gòu)。1923 年在東京建成的30 m 高全SRC 結(jié)構(gòu)的日本興業(yè)銀行,在關(guān)東大地震中幾乎沒(méi)有受到什么損壞,引起日本工程界的重視。隨著工程應(yīng)用的實(shí)踐及科學(xué)研究的深入進(jìn)行,發(fā)現(xiàn)SRC 結(jié)構(gòu)還具有更多的優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)歷了1923 年關(guān)東大地震、1968 年十勝?zèng)_地震及1995 年的阪神地震后,發(fā)現(xiàn)在地震中其他大量房屋建筑遭嚴(yán)重破壞的情況下,SRC 結(jié)構(gòu)幾乎未遭破壞或僅有少量輕微破壞,這就推動(dòng)了日本研究與應(yīng)用SRC 結(jié)構(gòu)的熱潮。日本從1951 年起開(kāi)始對(duì)SRC 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究,1958 年制定了《鋼骨鋼筋混凝土計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及其說(shuō)明》,此標(biāo)準(zhǔn)的最大特點(diǎn)是在承載力計(jì)算方面采用了強(qiáng)度疊加理論。從1963 年到1987 年,該標(biāo)準(zhǔn)先后進(jìn)行了四次修訂,最終成為SRC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第三版(AIJ2SRC) ,基本形成較為完整的設(shè)計(jì)理論和方法。該規(guī)范在忽略混凝土抗拉強(qiáng)度、遵從平截面假定及不考慮型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力等條件下,以“強(qiáng)度疊加法”作為理論基礎(chǔ)。日本持續(xù)研究和發(fā)展SRC 結(jié)構(gòu),主要是由于日本是多地震國(guó)家。SRC 結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的抗震性能,在日本得到廣泛應(yīng)用。
2 我國(guó)SRC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究
20 世紀(jì)50 年代初,我國(guó)從前蘇聯(lián)引進(jìn)了SRC 結(jié)構(gòu),后由于片面追求節(jié)省鋼材,于60 年代末幾乎停止使用。80 年代后,隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,SRC 結(jié)構(gòu)在全國(guó)興起,北京、上海、江蘇等省市的高層建筑中應(yīng)用了SRC 和RC 的混合結(jié)構(gòu),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果?！皠判凿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)性能及設(shè)計(jì)方法”課題,自1987 年開(kāi)始,在查閱各國(guó)有關(guān)規(guī)范、研究成果、工程應(yīng)用基礎(chǔ)上,進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。主要進(jìn)行了以下工作:1) 受壓構(gòu)件專(zhuān)題組中武漢工業(yè)大學(xué)共進(jìn)行了三根配有工字型鋼,5 根配有角鋼的型鋼混凝土軸心受壓柱的承載力試驗(yàn);中國(guó)建筑科學(xué)研究院進(jìn)行了10個(gè)壓彎構(gòu)件試驗(yàn);冶金部建筑研究總院進(jìn)行了18 根偏心受壓中長(zhǎng)柱試驗(yàn);武漢工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了5 根偏壓柱試驗(yàn);西南交通大學(xué)進(jìn)行了偏壓構(gòu)件試驗(yàn);同濟(jì)大學(xué)對(duì)配置角鋼的格構(gòu)式勁性鋼性鋼混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)。2) 受彎構(gòu)件專(zhuān)題組6個(gè)單位總共進(jìn)行了35個(gè)構(gòu)件的試驗(yàn)(鄭州工學(xué)院8個(gè)T 型截面簡(jiǎn)支梁試驗(yàn);中國(guó)建筑科學(xué)研究院3個(gè)矩形截面梁;西安冶金建筑學(xué)院12個(gè);西南交通大學(xué)12個(gè);華南理工大學(xué)2個(gè);南京建筑工程學(xué)院4個(gè)) 。3) 短柱受力性能專(zhuān)題組三個(gè)單位共進(jìn)行了58個(gè)試件的試驗(yàn)(其中,西南交通大學(xué)32個(gè),西安建筑學(xué)院18個(gè),東南大學(xué)8個(gè)) 。
通過(guò)以上系統(tǒng)研究,取得了一系列的研究成果,并在一些高層建筑工程中應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾年的研究和工程實(shí)踐,參考日本鋼骨混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[ 1 ] ,1998 年我國(guó)冶金部頒布了我國(guó)第一部YB9082297 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程。此規(guī)程基本沿用了日本標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法,包括其名稱(chēng)在內(nèi)。將型鋼作為等效鋼筋,參照我國(guó)的混凝土規(guī)范及國(guó)外有關(guān)規(guī)范,2002 年建設(shè)部頒布了J GJ 3822001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。此規(guī)程中的設(shè)計(jì)方法與我國(guó)的混凝土規(guī)范相近。
3 我國(guó)的設(shè)計(jì)方法
在試驗(yàn)及理論研究的基礎(chǔ)上,對(duì)于SRC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,我國(guó)學(xué)者也提出了多種計(jì)算方法,反映在規(guī)范規(guī)程上,有冶金部的YB 9082297 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鋼骨規(guī)程》) 和建設(shè)部的J GJ 13822001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《型鋼規(guī)程》) ?！朵摴且?guī)程》參照日本規(guī)范的疊加方法,進(jìn)一步提出了較為準(zhǔn)確的軸力分配方法,稱(chēng)為改進(jìn)簡(jiǎn)單疊加法。改進(jìn)簡(jiǎn)單疊加方法與理論方法和一般疊加法基本吻合。在《鋼骨規(guī)程》中,無(wú)論是構(gòu)件的承載力計(jì)算還是剛度、裂縫驗(yàn)算,均采用疊加原理,原理清晰,計(jì)算簡(jiǎn)單。在《型鋼規(guī)程》中,構(gòu)件的承載力計(jì)算采用平截面假定,鋼骨與混凝土變形協(xié)調(diào),通過(guò)構(gòu)件內(nèi)里平衡方程求解構(gòu)件承載力。在承載力計(jì)算中,公式復(fù)雜,適合于已知各配筋條件的承載力驗(yàn)算,而已知內(nèi)力求配筋則計(jì)算復(fù)雜。剛度計(jì)算采用鋼筋混凝土與型鋼鋼骨兩部分剛度疊加的方法,與《鋼骨規(guī)程》相近,計(jì)算公式有差異,在長(zhǎng)期剛度的計(jì)算中,混凝土收縮、徐變的影響僅考慮混凝土部分的影響,但《型鋼規(guī)程》中沒(méi)有區(qū)分鋼骨部分和型鋼部分,公式中用的是整體剛度。受彎構(gòu)件裂縫計(jì)算兩者也不一致《, 型鋼規(guī)程》中將型鋼受拉翼緣簡(jiǎn)化為等效鋼筋,并考慮型鋼腹板的部分影響;《鋼骨規(guī)程》中采用疊加原理,通過(guò)彎矩分配,計(jì)算混凝土部分承擔(dān)的彎矩,在考慮型鋼受拉翼緣影響的基礎(chǔ)上,計(jì)算裂縫寬度。綜上所述,兩者在計(jì)算原理上存在差別《, 鋼骨規(guī)程》采用的是疊加原理,而《型鋼規(guī)程》中除剛度計(jì)算、抗剪計(jì)算也采用疊加原理外,壓彎承載力計(jì)算和裂縫計(jì)算是將型鋼受拉翼緣等效為鋼筋,按平截面假定計(jì)算。
隨著型鋼混凝土構(gòu)件研究的深入及計(jì)算理論的逐步成熟,近年來(lái),型鋼混凝土的研究逐步由構(gòu)件轉(zhuǎn)向體系,由普通混凝土轉(zhuǎn)向高性能混凝土,由單一型鋼混凝土體系的研究轉(zhuǎn)向型鋼混凝土與混凝土、鋼及預(yù)應(yīng)力技術(shù)相組合所產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)體系的研究,預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土技術(shù)也由此發(fā)展起來(lái)。
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