摘 要:簡要總結了型鋼混凝土組合結構的發展過程、研究現狀,介紹了國內外不同的設計分析方法,重點分析比較了J GJ 13822001 和YB 9082297 中計算型鋼混凝土結構時存在的異同點,以便為此類結構的設計施工提供參考。
關鍵詞:型鋼,組合結構,混凝土
中圖分類號: TU392. 1 文獻標識碼:A
引言
型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete ,以下簡稱SRC) 結構是指在型鋼周圍布置鋼筋,并澆筑混凝土的結構。型鋼分為實腹式和空腹式。實腹式SRC 構件具有較好的抗震性能,而空腹式SRC構件的抗震性能與普通混凝土( Reinforced Concrete ,以下簡稱RC) 構件基本相同。因此,目前在抗震結構中多采用實腹式SRC構件。實腹式型鋼可由鋼板焊接拼制而成或直接采用軋制型鋼。
SRC 構件的內部型鋼與外包混凝土形成整體、共同受力,其受力性能優于這兩種結構的簡單疊加。與鋼結構相比,SRC 構件的外包混凝土可以防止鋼構件的局部屈曲,并能提高鋼構件的整體剛度,顯著改善鋼構件的平面扭轉屈曲性能,使鋼材的強度得以充分發揮。此外,外包混凝土增加了結構的耐久性和耐火性。與RC 結構相比,由于配置了型鋼,大大提高了構件的承載力,尤其是采用實腹型鋼的SRC 構件,其抗剪承載力有很大提高,并大大改善了受剪破壞時的脆性性質,提高了結構的抗震性能。
1 國外的研究
1. 1 歐美地區SRC 結構的應用與研究
20 世紀初,歐美就開始對SRC 柱進行了研究。1908 年Burr做了空腹式SRC 柱的試驗,發現混凝土的外殼能使柱的強度和剛度明顯提高。1923 年加拿大開始做空腹式配鋼的SRC 梁的試驗。在1989 年的美國鋼筋混凝土設計規范ACI2318 中,將型鋼視為等值的鋼筋,然后再以RC 結構的設計方法進行SRC 構件設計,這種方法的優點在于對SRC 結構設計時考慮了構件的“變形協調”和“內力平衡”,但沒有考慮型鋼材料本身的殘余應力和初始位移。在1993 年的鋼結構設計規范C2LRFD 中,采用極限強度設計法來設計SRC 結構,將RC 部分轉換為等值型鋼,再以純鋼結構的設計方法進行組合結構設計,并考慮了殘余應力和初始位移。英國在理論分析資料的基礎上,于1969 年將建筑中的SRC柱列入英國鋼結構規范BS 449 的第三部分,隨后將橋梁中的SRC 柱列入英國標準BS 5400 的第五部分。對SRC 梁,英國鋼結構設計規范按組合截面進行彈性設計,即取0. 7 倍型鋼屈服強度用彈性方法計算型鋼,然后按組合截面進行修正,忽略混凝土抗拉強度。
1. 2 日本SRC 結構的應用與研究
在日本,SRC 結構與鋼結構、木結構和RC 結構并列為四大結構。1923 年在東京建成的30 m 高全SRC 結構的日本興業銀行,在關東大地震中幾乎沒有受到什么損壞,引起日本工程界的重視。隨著工程應用的實踐及科學研究的深入進行,發現SRC 結構還具有更多的優點。在經歷了1923 年關東大地震、1968 年十勝沖地震及1995 年的阪神地震后,發現在地震中其他大量房屋建筑遭嚴重破壞的情況下,SRC 結構幾乎未遭破壞或僅有少量輕微破壞,這就推動了日本研究與應用SRC 結構的熱潮。日本從1951 年起開始對SRC 結構進行了全面系統的研究,1958 年制定了《鋼骨鋼筋混凝土計算標準及其說明》,此標準的最大特點是在承載力計算方面采用了強度疊加理論。從1963 年到1987 年,該標準先后進行了四次修訂,最終成為SRC 結構設計規范第三版(AIJ2SRC) ,基本形成較為完整的設計理論和方法。該規范在忽略混凝土抗拉強度、遵從平截面假定及不考慮型鋼與混凝土之間的粘結力等條件下,以“強度疊加法”作為理論基礎。日本持續研究和發展SRC 結構,主要是由于日本是多地震國家。SRC 結構以其優異的抗震性能,在日本得到廣泛應用。
2 我國SRC結構的應用與研究
20 世紀50 年代初,我國從前蘇聯引進了SRC 結構,后由于片面追求節省鋼材,于60 年代末幾乎停止使用。80 年代后,隨著我國建筑業的迅猛發展,SRC 結構在全國興起,北京、上海、江蘇等省市的高層建筑中應用了SRC 和RC 的混合結構,取得了良好的經濟效果。“勁性鋼筋混凝土結構性能及設計方法”課題,自1987 年開始,在查閱各國有關規范、研究成果、工程應用基礎上,進行了系統的試驗研究。主要進行了以下工作:1) 受壓構件專題組中武漢工業大學共進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;中國建筑科學研究院進行了10個壓彎構件試驗;冶金部建筑研究總院進行了18 根偏心受壓中長柱試驗;武漢工業大學進行了5 根偏壓柱試驗;西南交通大學進行了偏壓構件試驗;同濟大學對配置角鋼的格構式勁性鋼性鋼混凝土柱進行了試驗。2) 受彎構件專題組6個單位總共進行了35個構件的試驗(鄭州工學院8個T 型截面簡支梁試驗;中國建筑科學研究院3個矩形截面梁;西安冶金建筑學院12個;西南交通大學12個;華南理工大學2個;南京建筑工程學院4個) 。3) 短柱受力性能專題組三個單位共進行了58個試件的試驗(其中,西南交通大學32個,西安建筑學院18個,東南大學8個) 。
通過以上系統研究,取得了一系列的研究成果,并在一些高層建筑工程中應用。經過幾年的研究和工程實踐,參考日本鋼骨混凝土設計標準[ 1 ] ,1998 年我國冶金部頒布了我國第一部YB9082297 鋼骨混凝土結構設計規程。此規程基本沿用了日本標準的設計方法,包括其名稱在內。將型鋼作為等效鋼筋,參照我國的混凝土規范及國外有關規范,2002 年建設部頒布了J GJ 3822001 型鋼混凝土組合結構技術規程。此規程中的設計方法與我國的混凝土規范相近。
3 我國的設計方法
在試驗及理論研究的基礎上,對于SRC 結構的設計方法,我國學者也提出了多種計算方法,反映在規范規程上,有冶金部的YB 9082297 鋼骨混凝土結構設計規程(以下簡稱《鋼骨規程》) 和建設部的J GJ 13822001 型鋼混凝土組合結構技術規程(以下簡稱《型鋼規程》) 。《鋼骨規程》參照日本規范的疊加方法,進一步提出了較為準確的軸力分配方法,稱為改進簡單疊加法。改進簡單疊加方法與理論方法和一般疊加法基本吻合。在《鋼骨規程》中,無論是構件的承載力計算還是剛度、裂縫驗算,均采用疊加原理,原理清晰,計算簡單。在《型鋼規程》中,構件的承載力計算采用平截面假定,鋼骨與混凝土變形協調,通過構件內里平衡方程求解構件承載力。在承載力計算中,公式復雜,適合于已知各配筋條件的承載力驗算,而已知內力求配筋則計算復雜。剛度計算采用鋼筋混凝土與型鋼鋼骨兩部分剛度疊加的方法,與《鋼骨規程》相近,計算公式有差異,在長期剛度的計算中,混凝土收縮、徐變的影響僅考慮混凝土部分的影響,但《型鋼規程》中沒有區分鋼骨部分和型鋼部分,公式中用的是整體剛度。受彎構件裂縫計算兩者也不一致《, 型鋼規程》中將型鋼受拉翼緣簡化為等效鋼筋,并考慮型鋼腹板的部分影響;《鋼骨規程》中采用疊加原理,通過彎矩分配,計算混凝土部分承擔的彎矩,在考慮型鋼受拉翼緣影響的基礎上,計算裂縫寬度。綜上所述,兩者在計算原理上存在差別《, 鋼骨規程》采用的是疊加原理,而《型鋼規程》中除剛度計算、抗剪計算也采用疊加原理外,壓彎承載力計算和裂縫計算是將型鋼受拉翼緣等效為鋼筋,按平截面假定計算。
隨著型鋼混凝土構件研究的深入及計算理論的逐步成熟,近年來,型鋼混凝土的研究逐步由構件轉向體系,由普通混凝土轉向高性能混凝土,由單一型鋼混凝土體系的研究轉向型鋼混凝土與混凝土、鋼及預應力技術相組合所產生的新結構體系的研究,預應力型鋼混凝土技術也由此發展起來。
參考文獻:
[1]日本建筑學會. 鋼骨鋼筋混凝土結構計算標準及解說[M] . 馮乃謙,葉列平,譯. 北京:能源出版社,1998.
[2]中國建筑科學研究院. 混凝土結構研究報告選集[ R] . 北京:中國建筑工業出版社,1994. 4522537.
[3] YB 9082297 ,鋼骨混凝土結構設計規程[ S] .
[4]J GJ 13822001 ,型鋼混凝土組合結構技術規程[ S] .
