鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)發(fā)展與減震理論基礎(chǔ)

田林林　李秋明　周彪

摘要：針對鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)在現(xiàn)今土木工程中的重要性，探索其國內(nèi)外的發(fā)展，由于城市化的建設(shè)，對建筑的高度和跨度要求，因此結(jié)構(gòu)的消能減震能力是研究人員更為關(guān)注的。減震是結(jié)構(gòu)被動控制之一，減震設(shè)計理論基礎(chǔ)是發(fā)展和完善抗震的依據(jù)。結(jié)構(gòu)受到地震能量破壞時對能量的分配和吸收是合理安裝減震裝置的依據(jù)。本文只是簡單的介紹SRC發(fā)展和減震相關(guān)知識。

關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)；消能減震；被動控制；理論基礎(chǔ)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程與建筑技術(shù)的進(jìn)步，超高層大跨度已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要方向之一。由混凝土包裹的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（SRC），充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點。鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼筋混凝土內(nèi)部埋置型鋼或焊接鋼構(gòu)件的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同作用而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要有梁、柱、墻、板等組合構(gòu)件。

近幾年國內(nèi)外科學(xué)研究者從結(jié)構(gòu)材料和安裝減震裝置來提高整體建筑的抗震能力，從經(jīng)濟(jì)和使用為出發(fā)點看取得了很大進(jìn)步。減小地震災(zāi)害的根本途徑就是要提高建筑物的抗震性能。本介文紹了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外發(fā)展及其特點，著重介紹對組合結(jié)構(gòu)的減震消能理論基礎(chǔ)。

一、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的國內(nèi)發(fā)展

在我國，20世紀(jì)50年代就開始有鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用，但當(dāng)時主要是根據(jù)蘇聯(lián)的設(shè)計方法將鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)廠房，比如包頭電廠的主廠房就是由前蘇聯(lián)技術(shù)人員設(shè)計、我國工程人員施工建成的早期鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。這一時期的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要以空腹式為主，且不配縱筋和箍筋。我國對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究是從20世紀(jì)80年代開始的。

由此可見，近年來，隨著我國多高層建筑的迅速發(fā)展，鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)在工程中己經(jīng)得到了一些應(yīng)用，并已初步顯示出其對多、高層建筑在大跨度、大荷載情況下的設(shè)計優(yōu)化，對改善結(jié)構(gòu)抗震性能、減小構(gòu)件截面尺寸、提高建筑的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面的巨大潛力。

二、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

由于鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼骨混凝土與鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，因而在高層及超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，例如香港中銀大廈由貝聿銘合營建筑事務(wù)所設(shè)計。棱鏡形建筑，高76層。采用空間桁架體系作為支撐體系，承受兩個方向的側(cè)向力和全部重量。為使空間桁架系統(tǒng)連續(xù)，沒有采用三維鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點，而是將其澆筑在鋼筋混凝土角柱中，形成一個整體。澆筑在鋼柱周圍的混凝土作為建立傳遞機(jī)構(gòu)，平衡各桁架的偏心。

三、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震理論基礎(chǔ)

1.鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震研究發(fā)展

傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計依據(jù)是以規(guī)范中的設(shè)防烈度為依據(jù)[1]，采用了建筑結(jié)構(gòu)自身的剛度性能、強(qiáng)度性能和耗能能力來抵抗地震作用，減緩或減弱地震能量。根據(jù)傳統(tǒng)觀念國內(nèi)為已經(jīng)使建筑結(jié)構(gòu)本身得到了很高的發(fā)展，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)就是很好的應(yīng)用，提高了建筑結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、和延性等性能，來達(dá)到了結(jié)構(gòu)的減震作用。

但實際上依賴建筑自身和建筑基礎(chǔ)消耗地震作用能量，會使建筑結(jié)構(gòu)自身受到嚴(yán)重?fù)p耗更嚴(yán)重導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭曲坍塌。

1995年，趙世春，黃雄軍，夏招廣[2]對1榀單跨兩層的由 SRC 梁和柱組成的框架進(jìn)行擬動力試驗。試件按照“弱柱強(qiáng)梁”設(shè)計，著重研究這種薄弱框架的抗震性能。結(jié)果表明，SRC 框架的滯回曲線比較飽滿，捏攏現(xiàn)象不明顯，耗能能力較強(qiáng)； Kazuhiro等[3] 進(jìn)行了鋼筋混凝土柱-鋼梁和鋼骨混凝土柱-鋼梁的單榀單層框架低周往復(fù)加載試驗， 觀察了破壞特征。

2.組合結(jié)構(gòu)的消能減震能量分析

鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)[4]減震研究主要是分析消能減震，其屬于被動控制的中的方法之一，是在建筑結(jié)構(gòu)中斜撐、剪力墻、和斜拉鎖等非承重構(gòu)件設(shè)計為消能結(jié)構(gòu)，或者在結(jié)構(gòu)中安裝阻尼裝置（粘滯阻尼器等）。

從式（1-1）可以看出，要想減弱結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，可以有三個途徑：（1）可以改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度，來使結(jié)構(gòu)的自振頻率改變 ；（2）增加結(jié)構(gòu)自身的阻尼系數(shù)；（3）在結(jié)構(gòu)上施加外部荷載或者輸入能量來提高結(jié)構(gòu)的耗能效果。

四、建筑結(jié)構(gòu)性能水平與性能目標(biāo)

我國修正的抗震規(guī)范（GB50011）[7]將地震等級劃分為小震、中震和大震三重等級。性能水平是根據(jù)建筑物本身在受到可能遇到的地震破壞的預(yù)期嚴(yán)重毀壞或可接受的破壞極限。建筑物毀壞估計包括建筑結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件和非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的毀壞造成的一切后果。

美國各研究機(jī)構(gòu)對性能的劃分條件不一致，但各差距也不大。美國SEAOC將其劃分為四個不同等級。四個性能水平等級為：

1.功能正常，建筑結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有受到嚴(yán)重毀壞，建筑結(jié)構(gòu)可以正常使用。

2.可以使用，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件沒有嚴(yán)重毀壞，保持地震之前的強(qiáng)度和延性，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到毀壞，但經(jīng)過修整可正常使用。

3.生命安全，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件嚴(yán)重毀壞，剛度、強(qiáng)度和延性退化，但沒有到達(dá)坍塌的程度，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分失去功能，經(jīng)過一段階段搶修才能居住。

4.防止倒塌，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件毀壞嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性基本退化，很快達(dá)到倒塌程度，不能居住。

我國抗震規(guī)范是以地震破壞等級為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)震后的大量數(shù)據(jù)和實際對建筑結(jié)構(gòu)損害程度，把結(jié)構(gòu)的性能水平劃分為五種：

4.1基本完好，承重構(gòu)件完好，個別非承重構(gòu)件輕微破壞，裝飾結(jié)構(gòu)有部分毀壞一般不需修理即可繼續(xù)使用。

4.2輕微損壞，個別承重構(gòu)件輕微裂縫，個別非承重構(gòu)件破壞明顯，裝飾結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，需要簡單修理可以繼續(xù)使用。

4.3中等破壞，多數(shù)承重構(gòu)件輕微裂縫，部分明顯裂縫，非承重構(gòu)件破壞嚴(yán)重，需要一般修理，對部分構(gòu)件進(jìn)行檢查，應(yīng)用安全措施后可將就使用。

4.4嚴(yán)重破壞，多數(shù)承重構(gòu)件嚴(yán)重破壞或部分倒塌塌應(yīng)。要進(jìn)行全方面的排險大修，危險部分拆除。

4.5倒塌，多數(shù)承重構(gòu)件倒塌，需全部拆除。

我國抗震規(guī)范明確規(guī)定性能目標(biāo)“兩階段設(shè)計，三水準(zhǔn)設(shè)防”表明三個層次的性能目標(biāo)：大震不壞、中震可修、大震不倒。對應(yīng)的建筑地震設(shè)計采用抗震水準(zhǔn)有低至高。對于不同環(huán)境和不能應(yīng)用的建筑物合理規(guī)定性能目標(biāo)來保證建筑結(jié)構(gòu)在受到地震作用能保證財產(chǎn)和生命的安全，使性能化的抗震設(shè)計理念更全面的應(yīng)用在實際工程。

五、結(jié)束語

本章介紹了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的國內(nèi)為發(fā)展和實際應(yīng)用，組合結(jié)構(gòu)在未來的建筑的應(yīng)用研究更為重要與迫切。對組合結(jié)構(gòu)的減震消能控制研究[6]更有效的解決了建筑受到地震作用時主體結(jié)構(gòu)的耗能壓力，采用被動控制是最有效、最普遍和經(jīng)濟(jì)的方法。根據(jù)地震作用時地震能量在建筑結(jié)構(gòu)中的消耗具體情況做了分析。在對減震消能研究前提下，介紹了抗規(guī)對抗震性能的設(shè)計方法和建筑性能目標(biāo)的規(guī)定。

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