鋼骨混凝土在地震區(qū)的應(yīng)用概述

花雙陸 徐利軍

0 引言

近年來,我國的土木工程結(jié)構(gòu)朝著大跨、重載、高聳和承受惡劣條件的方向發(fā)展,這無疑推動(dòng)了一批新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。在這些新型結(jié)構(gòu)中,一種與傳統(tǒng)的普通混凝土不同的鋼骨混凝土廣泛使用,因此對鋼骨混凝土的研究也必將受到越來越多的重視。

1 鋼骨混凝土的定義[1]

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)(Steel Reinforced Concrete)是指在鋼筋混凝土內(nèi)部配置鋼骨的組合結(jié)構(gòu),簡稱SRC結(jié)構(gòu)。埋置的鋼骨可分為實(shí)腹式和空腹式,實(shí)腹式可由型鋼或鋼板焊成,空腹式則由綴板、綴條連接角鋼、槽鋼組成?？崭故皆谌毡竞颓疤K聯(lián)都曾大量使用,但制作費(fèi)用高。實(shí)腹式制作簡便、承載力大,近年日本和西方國家普遍使用。

2 鋼骨混凝土的特點(diǎn)及應(yīng)用[2]

由于混凝土中配置了鋼骨,使得鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能都得以充分的發(fā)揮,所以SRC結(jié)構(gòu)在具備鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材、提高混凝土利用率、降低造價(jià)、抗震性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還具有良好的防火、耐腐蝕性能。在SRC結(jié)構(gòu)中,鋼骨與高強(qiáng)混凝土之間相互約束,使各自的強(qiáng)度得到了提高,增加了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性,從而改善由于高強(qiáng)混凝土本身延性差而帶來的不利于抗震的脆性特性,增加了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,由于配置了鋼骨,使構(gòu)件的承載力大大提高,從而有效地減小了梁柱截面尺寸,尤其是抗剪承載力提高和延性加大,可顯著改善抗震性能;與鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼骨混凝土構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲,提高構(gòu)件的整體剛度,顯著改善鋼構(gòu)件平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。

基于鋼骨混凝土的優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用范圍很廣,目前主要在以下工程領(lǐng)域應(yīng)用:橋梁工程、高層建筑、混凝土制品、水利水電工程、港口和海洋工程、隧道及地鐵結(jié)構(gòu)工程,以及諸如礦井、軍事防護(hù)等其他工程。

3 鋼骨混凝土在地震區(qū)使用時(shí)的研究

3.1 鋼骨混凝土在國內(nèi)外的研究[3]

日本建筑學(xué)會(huì)SRC結(jié)構(gòu)分會(huì)于1958年制定了以累加強(qiáng)度為基本體系的SRC結(jié)構(gòu)規(guī)范,1963年做了第一次修訂。1975年以確保SRC構(gòu)件的延性為目的對SRC規(guī)范進(jìn)行了第二次修訂。日本建筑學(xué)會(huì)于1987年對SRC結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行了第三次修訂,修訂后的SRC規(guī)范由允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩部分組成。日本建筑中短柱應(yīng)用較為廣泛,因而很少研究長柱。近年日本學(xué)者針對實(shí)腹式SRC構(gòu)件進(jìn)行了大量低周往復(fù)加載的試驗(yàn)研究。日本建筑學(xué)會(huì)經(jīng)過四次修訂,于2001年形成了新的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

1951年前蘇聯(lián)電力建設(shè)部出版了SRC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,該規(guī)范是以空腹式鋼骨的梁和柱及框架結(jié)構(gòu)為主要對象的設(shè)計(jì)規(guī)范,沒有設(shè)置箍筋和鋼筋。1978年前蘇聯(lián)又出版了“勁性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南CN3-78”,這是由前蘇聯(lián)混凝土結(jié)構(gòu)研究所編制,該規(guī)范與1951年規(guī)范有較大的不同,這次實(shí)腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容,它強(qiáng)調(diào)必須設(shè)置縱向鋼筋和箍筋,它反映前蘇聯(lián)在SRC結(jié)構(gòu)方面的研究成果和應(yīng)用實(shí)踐。

20世紀(jì)50年代初,我國從蘇聯(lián)引進(jìn)SRC結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代后由于鋼材緊缺而停止了SRC結(jié)構(gòu)的使用。20世紀(jì) 80年代后,隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,SRC結(jié)構(gòu)又一次在我國興起。在我國,西安建筑科技大學(xué)在1985年和1986年分兩批進(jìn)行了32個(gè)鋼骨混凝土短柱抗震性能的試驗(yàn)研究,1989年又進(jìn)行了12根內(nèi)含工字鋼的鋼骨混凝土柱的試驗(yàn),進(jìn)行了非線性全過程分析[4]。此外,其他科研單位,如中國建筑科學(xué)研究院、清華大學(xué)和東南大學(xué)等也對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了開拓性的研究工作,并取得了較多的研究成果。近些年,趙世春進(jìn)行了 23根鋼骨混凝土柱和3根混凝土柱在單調(diào)及往復(fù)循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋼骨混凝土柱的破壞形式不同于混凝土柱,其具有較強(qiáng)的抗震能力。賈金青利用14根剪跨比為2.0的試件對鋼骨高強(qiáng)混凝土短柱的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,表明試件的延性隨軸壓比的增大而降低,配箍率高的試件其延性變形能力和承載能力也較大,并提出滿足一定延性的鋼骨高強(qiáng)混凝土短柱軸壓力系數(shù)限值。李俊華進(jìn)行了23個(gè)鋼骨高強(qiáng)混凝土柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn),結(jié)果表明,在最大水平荷載后,不管承載力衰減的快慢,其滯回曲線都基本上收斂于工字鋼純鋼柱的滯回曲線,體現(xiàn)了鋼骨混凝土優(yōu)越的抗震性能。

3.2 影響鋼骨混凝土抗震性能的因素[5,6]

1)剪跨比的影響,一方面剪跨比對柱的破壞形態(tài)具有顯著影響,隨著剪跨比由小變大,鋼骨混凝土柱會(huì)發(fā)生剪切斜壓破壞、剪切粘結(jié)破壞和彎曲型破壞,破壞時(shí),延性隨著剪跨比的增大而提高。另一方面,剪跨比也影響柱的抗剪承載力,一般抗剪承載力隨著剪跨比的增大而減小,但是當(dāng)剪跨比大于一定的值時(shí),剪跨比對承載力的影響將不明顯。

2)軸壓比的影響,已有的試驗(yàn)結(jié)果表明,在水平荷載下,柱的變形能力隨軸壓比的增大而減小,在高軸壓比的情況下,延性和耗能能力降低明顯。因此,為保證鋼骨高強(qiáng)混凝土柱具有較好的延性和耗能性能,需對其軸壓比大小進(jìn)行限制。但是究竟應(yīng)該將軸壓比限制在何種水平,這需要進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究后才能確定。

3)配箍率和箍筋形式的影響,鋼筋混凝土柱在相同軸壓比的情況下,位移延性系數(shù)隨配箍率的提高而增大。根據(jù)已有的試驗(yàn),鋼骨混凝土柱的位移延性系數(shù)也隨配箍率的提高而增大,因此配箍率對鋼骨混凝土柱的抗震性能具有一定的影響。螺旋箍筋和復(fù)合箍筋能對核心混凝土提供更強(qiáng)的約束,因此采用螺旋箍筋和復(fù)合箍筋的構(gòu)件的延性系數(shù)更高,抗震性能更好。

4)含鋼量的影響,鋼骨的含鋼量是指內(nèi)埋鋼骨面積與構(gòu)件全截面面積之比。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明,用鋼量越大的鋼骨混凝土柱,其抗震性能越好。但是,鋼骨混凝土柱的含鋼量也要有一定的限制。各國對鋼骨混凝土構(gòu)件中的用鋼量均有所規(guī)定,美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)規(guī)定鋼骨混凝土構(gòu)件中的用鋼量不得小于4.0%,否則按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算;日本規(guī)范則將8.0%作為鋼骨混凝土構(gòu)件中用鋼量的上限。從我國的工程應(yīng)用來看,用鋼量的浮動(dòng)范圍較大,從2.5%～7.0%不等。

5)混凝土強(qiáng)度的影響,混凝土強(qiáng)度對柱的抗震性能有顯著影響,隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加,其立方體抗壓的峰值應(yīng)變大而極限應(yīng)變小,應(yīng)力—應(yīng)變曲線的下降段陡,脆性性質(zhì)明顯。因此,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,鋼骨混凝土柱的延性越來越小,抗震性能越來越差。

3.3 鋼骨混凝土抗震性能研究存在的問題

1)由于成本以及試驗(yàn)條件等原因,目前針對鋼骨混凝土整體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究還很少,并且針對該類構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型也多是借鑒了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型。因此有必要研究該類構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型,尤其是雙向地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的恢復(fù)力模型。

2)在結(jié)構(gòu)體系方面,實(shí)際工程中往往要求部分采用鋼骨混凝土構(gòu)件,部分采用鋼筋混凝土構(gòu)件或鋼構(gòu)件的混合體系,這就必須了解這種混合體系的工作行為,解決好不同性質(zhì)構(gòu)件的連接過渡。

3)研究表明,鋼骨混凝土構(gòu)件在承受80%極限荷載之后,鋼骨和混凝土之間將產(chǎn)生較大的相對滑移,變形不能協(xié)調(diào)一致,因此有必要研究該類構(gòu)件在地震荷載作用下的粘結(jié)滑移問題,并建立相應(yīng)的粘結(jié)—滑移分析模型。

4)在地震荷載作用下,節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)非常復(fù)雜,處于壓彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài),但目前對鋼骨混凝土梁柱構(gòu)件節(jié)點(diǎn)所進(jìn)行的試驗(yàn)不夠,應(yīng)加強(qiáng)這一方面的研究。

5)混凝土強(qiáng)度對柱的抗震性能有顯著影響,但是到目前為止,對鋼骨高強(qiáng)混凝土柱的研究卻并不多見,已有的成果也只是集中在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60和C70的鋼骨混凝土柱,對混凝土強(qiáng)度更高(如C80)的鋼骨混凝土柱的研究則還很少。

4 結(jié)語

鋼骨混凝土具有較好的抗震性能,但鋼骨混凝土的抗震性能中的很多問題還沒有研究清楚,如何在地震區(qū)合理使用鋼骨混凝土是今后工程領(lǐng)域的一個(gè)研究方向。

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