勁性型鋼混凝土結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)方法

彭韶歡

該文簡(jiǎn)要地介紹了型鋼泥凝土組合結(jié)構(gòu)。綜合國內(nèi)外有關(guān)資料總結(jié)了型鋼泥凝土在國內(nèi)外研究和應(yīng)用以及設(shè)計(jì)方法，對(duì)需要進(jìn)一步開展的研究工作進(jìn)行了探討。

型鋼混凝土（SRC）結(jié)構(gòu)是以型鋼為鋼骨并在型鋼周圍配置鋼筋和澆筑混凝土的埋入式組合結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系在日本稱之為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（Steel Reinforced Concrete）。在英、美等西方國家稱之為混凝土包鋼結(jié)構(gòu)（Steel Encased Concrete），在前蘇聯(lián)則稱之為勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)主要用來構(gòu)成建筑物的梁和柱，主要用于高層建筑結(jié)構(gòu)中，特別是應(yīng)用于抗震設(shè)防地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)中。內(nèi)含型鋼可分為實(shí)腹式和空腹式兩大類：實(shí)腹式型鋼通常采用由鋼板焊接拼制成或直接軋制而成的工字型、口字型、十字型截面?？崭故叫弯撘话阌删Y板或綴條連接角鋼或槽鋼而成?？崭故叫弯撚捎谥谱骱?jiǎn)便、承載力大，以及良好的抗震性能，目前被廣泛采用。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在日本的應(yīng)用和研究

SRC結(jié)構(gòu)在日本應(yīng)用較早，應(yīng)用極為廣泛，相關(guān)研究和試驗(yàn)也在國際上處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)20年代，日本在一些工程中開始采用SRC結(jié)構(gòu)。1930年以前，日本的SRC結(jié)構(gòu)以鋼骨為主要配筋，鋼筋只是輔助性的。從1930～1970年，日本的SRC結(jié)構(gòu)以空腹式鋼骨為主要形式；1970年以后，日本的SRC結(jié)構(gòu)則以實(shí)腹式鋼骨為主。1964年以前SRC結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在6～10層的建筑物上，1964年以后開始應(yīng)用到超高層建筑上。根據(jù)統(tǒng)計(jì)：1981～1985年間，6層以上的建筑物中，采用SRC結(jié)構(gòu)的棟數(shù)占總棟數(shù)的45.2%，采用SRC結(jié)構(gòu)的棟數(shù)占總面積的62.8%。截止到目前，SRC結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用日益廣泛，它與鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、和RC結(jié)構(gòu)并列為四大結(jié)構(gòu)之一。

19世紀(jì)20年代，日本就開始做SRC結(jié)構(gòu)的有關(guān)試驗(yàn)。1928年齊田時(shí)太郎做了軸心受壓柱試驗(yàn)，1929年檳田捻做了偏心受壓柱試驗(yàn)，1932年內(nèi)藤多仲做了梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，1937年棚橋做了梁的試驗(yàn)。1951年日本建筑學(xué)會(huì)成立了SRC結(jié)構(gòu)分會(huì)，開始對(duì)SRC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。1958年第一次制定了《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并前后進(jìn)行了三次修訂，基本上形成較為完整的設(shè)計(jì)理論和方法。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在歐美的應(yīng)用和研究

SRC結(jié)構(gòu)在歐美的應(yīng)用雖不及在日本廣泛，但是歐美應(yīng)用SRC結(jié)構(gòu)的時(shí)間更早。歐美國家的工程技術(shù)人員最初是為了滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求，在鋼結(jié)構(gòu)外包上混凝土，稱為混凝土包鋼結(jié)構(gòu)。1902年加拿大學(xué)者M(jìn)ackay進(jìn)行了混凝土內(nèi)埋型鋼的空腹式SRC梁的試驗(yàn)，認(rèn)為混凝土與型鋼具有協(xié)同工作的性能。1908年Burr做了空腹式SRC柱的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土外殼使柱的強(qiáng)度明顯提高。但是，在很長的時(shí)間內(nèi)，混凝土包鋼結(jié)構(gòu)仍按照普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不考慮混凝土外殼對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的提高。19世紀(jì)40年代后，歐美國家的工程技術(shù)人員開始意識(shí)到外包混凝土對(duì)提高剛度的有利作用，在考慮折算剛度后仍按照普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。美國在《鋼筋混凝土房屋建筑規(guī)范》（ACI318～89）中有“組合受壓構(gòu)件”的專門規(guī)定。英國在《英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400》（1978～83）規(guī)程中也列有SRC柱的技術(shù)規(guī)定。折算剛度法一直沿用，并編入1985年歐洲統(tǒng)一規(guī)范EC4《組合結(jié)構(gòu)》。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在東歐國家的應(yīng)用和研究

前蘇聯(lián)在二次世界大戰(zhàn)后，為了加快恢復(fù)重建，采用了大量的SRC結(jié)構(gòu)。1951年蘇聯(lián)電力建設(shè)部出版了勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，主要是關(guān)于空腹式鋼骨混凝土梁和柱以及框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)定，但是鋼骨混凝土構(gòu)件中沒有設(shè)置柔性鋼筋和箍筋。1978年蘇聯(lián)混凝土結(jié)構(gòu)研究所編制了（勁性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》（CN3-78），它是以實(shí)腹式SRC構(gòu)件為主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)必須設(shè)置柔性鋼筋和箍筋。對(duì)SRC梁的正截面計(jì)算根據(jù)中和軸不經(jīng)過型鋼、經(jīng)過型鋼和經(jīng)過型鋼翼緣3種情況而定。對(duì)SRC柱采用將型鋼折算成等效混凝土，由此求其偏心距增大系數(shù)。在計(jì)算臨界荷載時(shí)，考慮荷載偏心距，柱子長細(xì)比，荷載作用時(shí)間等影響。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用和研究

50年代初，我國從前蘇聯(lián)引進(jìn)了SRC結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙古電廠的主廠房和鞍山鋼鐵公司的沉鐵爐基礎(chǔ)是由前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)，由我國施工的SRC結(jié)構(gòu)，后來由于片面追求節(jié)省鋼材，其應(yīng)用只限于少量工業(yè)廠房和特殊結(jié)構(gòu)，并于60年代末，這種結(jié)構(gòu)幾乎停止使用。80年代后，隨著我國建筑業(yè)迅猛發(fā)展，SRC結(jié)構(gòu)又一次在全國興起。北京的國際貿(mào)易中心和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是SRC結(jié)構(gòu)；北京香格里拉飯店高24層，其柱子為型鋼混凝土柱，而梁采用組合梁；北京燕莎中心、大連渤海大酒店以及上海的金茂大廈等都采用了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。其中金茂大廈是目前我國采用SRC結(jié)構(gòu)的最高建筑物。但總體來說，SRC結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用相當(dāng)有限。

我國對(duì)型鋼混凝土的研究起步較晚，自20世紀(jì)80年代才開始對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行較系統(tǒng)的研究。西安建筑科技大學(xué)與原冶金部建筑研究總院最早開始研究。1986年國家計(jì)委工程建筑國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范重點(diǎn)科研項(xiàng)目“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第四批科研課題”將“型鋼混凝土結(jié)構(gòu)性能及方法”列為研究課題之一，組成專門研究課題組，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，并負(fù)責(zé)編寫技術(shù)規(guī)程。經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用，參考日本的SRC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1998年冶金工業(yè)部頒發(fā)了我國第一部型鋼混凝土結(jié)構(gòu)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB9082-97）。

型鋼混凝土現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

目前國內(nèi)外型鋼混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算理論主要有三種：

基于鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法并考慮外圍混凝土作用。這種方法主要是歐美國家采用。適用于用鋼量較大的情況。

基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為型鋼和混凝土共同工作的。前蘇聯(lián)采用這種方法。

疊加方法。即將型鋼部分和鋼筋混凝土部分承載力疊加。日本主要采用這種方法?，F(xiàn)有的不同理論各有千秋，有待于進(jìn)一步發(fā)展。在我國，《鋼骨規(guī)程》采用簡(jiǎn)單疊加方法；《型鋼規(guī)程》采用基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

針對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為應(yīng)進(jìn)一步研究的課題有：SRC結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，特別是抗震性能；型鋼初應(yīng)力以及混凝土徐變對(duì)SRC結(jié)構(gòu)性能影響：節(jié)點(diǎn)性能；高性能SRC結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；可靠度；SRC結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度；SRC在樁基中的應(yīng)用；型鋼輕骨料混凝土組合構(gòu)件性能。目前我國高層發(fā)展迅速，建筑體型和建筑功能越來越復(fù)雜，而我國大部分的沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)均為要求進(jìn)行抗震設(shè)防的地區(qū)。由于SRC結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和較高的承載能力，SRC結(jié)構(gòu)在我國有著非常廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。