鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用與研究
2005-06-20 00:00
摘 要:鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)形式的一種,目前在國內(nèi)外工程界得到了廣泛的應(yīng)用,對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的特性及形式進(jìn)行了簡單的介紹。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)形式;鋼骨混凝土;抗震性能
現(xiàn)在的建筑主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu),由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)投資巨大、可以建造高層建筑,所以往往都建在經(jīng)濟(jì)繁榮、人口密集的大、中城市,而這些城市又大都處于地震區(qū)。一旦它們在遭受強(qiáng)烈地震作用下發(fā)生倒塌破壞,不但會造成難以預(yù)料的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會對社會的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的繁榮帶來負(fù)面的影響。隨著對建筑功能的要求越來越高,建筑的平面布置和豎向體型日益復(fù)雜,使得結(jié)構(gòu)的布置在豎向、平面以及剛度方面都出現(xiàn)了許多不規(guī)則的結(jié)構(gòu),這樣就造成了結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)極為復(fù)雜,對地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的需要,新的結(jié)構(gòu)形式隨之不斷涌現(xiàn)。
近年來,在國內(nèi)外出現(xiàn)了一種新的結(jié)構(gòu)形式- 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),并已應(yīng)用在工程之中。如上海的金茂大廈等。通過對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)多年的工程實(shí)踐、試驗(yàn)研究及理論分析,這種介于鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)日益受到了人們的重視。
1 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的形式及特點(diǎn)
鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)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(Steel Reinforced Concrete) 結(jié)構(gòu)。SRC 結(jié)構(gòu)的特是在混凝土內(nèi)配置鋼骨,這些鋼骨可以是扎制的,也可以是焊接的。在大型建筑中經(jīng)常配置焊接的鋼骨,可以根據(jù)構(gòu)件截面大小、受力特點(diǎn),考慮到受力的合理性,靈活選擇焊接鋼骨各個(gè)板件的寬度和厚度。所配置的鋼骨的形式有角鋼、工字鋼、寬翼緣工字鋼、雙十字鋼、雙槽鋼、十字型鋼、箱型方鋼管等。由于配置了鋼骨,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。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景,故促使人們對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究。
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。在高烈度地震區(qū)的高層或超高層建筑中若采用單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),整個(gè)結(jié)構(gòu)的延性實(shí)際上已經(jīng)達(dá)不到“大震不倒”的要求,若采用鋼結(jié)構(gòu),勢必增加許多工程造價(jià)。
國內(nèi)外工程實(shí)踐證明,SRC 結(jié)構(gòu)同鋼結(jié)構(gòu)相比,節(jié)省鋼材、單位承載力高、剛度大、抗疲勞、抗腐蝕性能好、安全度高?？晒?jié)約鋼材50 %左右,每平方米造價(jià)可降低10 %～40 %。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)剛度的增加,可減少結(jié)構(gòu)側(cè)移1/ 3～1/ 2 ;同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,在用鋼量相同時(shí),強(qiáng)度提高。
2 SRC結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
2. 1 國外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
SRC 結(jié)構(gòu)的使用是從20 世紀(jì)初期始于歐美的,但當(dāng)時(shí)僅僅是利用混凝土對鋼骨的保護(hù)作用,起到耐久、耐火的作用。對SRC 構(gòu)件的性能進(jìn)行大量的研究是從20 世紀(jì)50 年代開始的。很多學(xué)者在計(jì)算模型、計(jì)算和分析方法及簡化計(jì)算等方面做了大量的工作,提出了許多適合本國實(shí)情的理論和方法,概括起來主要有三種:
(1) 前蘇聯(lián)的計(jì)算理論是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法, 以極限強(qiáng)度理論為設(shè)計(jì)依據(jù),認(rèn)為鋼骨與混凝土是完全共同工作的,這與實(shí)際情況略有出入,試驗(yàn)證明前蘇聯(lián)的計(jì)算方法在某些方面偏于不安全;
(2) 歐美的計(jì)算理論是基于鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法,以允許應(yīng)力強(qiáng)度理論為設(shè)計(jì)依據(jù),考慮混凝土的作用,在試驗(yàn)基礎(chǔ)上將試驗(yàn)曲線進(jìn)行修正,突出反映在組合柱的計(jì)算上;
(3) 日本的計(jì)算理論是建立在疊加理論基礎(chǔ)上的方法,是以允許應(yīng)力強(qiáng)度理論為設(shè)計(jì)依據(jù),認(rèn)為SRC 結(jié)構(gòu)的承載能力是鋼骨與鋼筋混凝土兩者承載能力的疊加,經(jīng)過比較,日本的計(jì)算方法偏于安全。
日本的SRC 結(jié)構(gòu)起源于1910 年時(shí)從歐洲傳入的一種護(hù)墻結(jié)構(gòu),它是用鋼骨作為骨架埋入石護(hù)墻的結(jié)構(gòu)。后來用鋼筋混凝土外包鋼骨代替鋼骨周圍的磚石,即是日本SRC 結(jié)構(gòu)的雛形。日本是多地震國家,特別重視SRC 結(jié)構(gòu)抗震性能的研究和工程應(yīng)用。1921 年建成的30m 高的興業(yè)銀行是日本早期典型的全SRC 結(jié)構(gòu),它在關(guān)東大地震中幾乎沒有受到什么損害,引起了日本工程界的重視。內(nèi)藤多仲在1924 年發(fā)表的“鋼結(jié)構(gòu)震害調(diào)查” 一文中指出:層數(shù)較多的SRC 結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能且震害極小。自此,在日本,6 層以上的建筑物開始廣泛采用SRC 結(jié)構(gòu)并逐漸發(fā)展成為日本獨(dú)特的一種結(jié)構(gòu)體系。1950 年公布的日本建筑基本法,作為建筑行政指導(dǎo)方針,要求6 層以上的建筑物采用SRC 結(jié)構(gòu)。1953 年要求7 層以上、1970 年要求8 層以上建筑物采用SRC 結(jié)構(gòu)。在日本,SRC 結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并列為四大結(jié)構(gòu),到1985 年,SRC 結(jié)構(gòu)的建筑面積占總建筑面積的62. 8 % ,10～15 層高層建筑中SRC 結(jié)構(gòu)的建筑物幢數(shù)占總數(shù)的90 %左右。
SRC結(jié)構(gòu)在日本的廣泛研究是從二戰(zhàn)后開始的,在戰(zhàn)后的修復(fù)中,SRC結(jié)構(gòu)建筑物不斷涌現(xiàn),由于建立設(shè)計(jì)方法的需要,促進(jìn)了對結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)研究。1951～1956 年,東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的平井善勝、若林實(shí)研究小組為研究SRC 結(jié)構(gòu)承載力,進(jìn)行了SRC梁的彎曲、SRC 子的偏壓、SRC 梁、SRC 柱剪切、SRC 梁柱節(jié)點(diǎn)以及粘結(jié)等各種試驗(yàn)。此外,東京大學(xué)的仲雄尾、高田周三研究小組進(jìn)行了足尺寸梁的剪切及梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。梅村魁研究小組進(jìn)行了SRC柱偏壓試驗(yàn)。以上研究基本是以空腹式SRC 構(gòu)件為主。以這些研究成果為基礎(chǔ),日本建筑學(xué)會于1958 年制定了以累加強(qiáng)度為基本體系的《鋼骨混凝土規(guī)范》。1958 年規(guī)范制定以后,對SRC結(jié)構(gòu)的研究也基本告一段落,直到20 世紀(jì)60 年代, 在一次地震中發(fā)現(xiàn)許多鋼筋混凝土柱發(fā)生了剪切破壞,而SRC 結(jié)構(gòu)的損壞極其輕微,由此促進(jìn)了對SRC 構(gòu)件的剪切性能的進(jìn)一步研究,并取得了防止剪切破壞的措施。日本從1959 年開始生產(chǎn)H 型鋼,1960 年后,橫尾義貫、若林實(shí)等進(jìn)行了以H 型鋼為鋼骨的SRC構(gòu)件的彎曲、軸心及偏心受壓、剪切及節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究,證實(shí)了當(dāng)時(shí)的《鋼骨混凝土規(guī)范》同樣適用于采用H 型鋼的SRC 構(gòu)件。1963 年,日本對1958 年《鋼骨混凝土規(guī)范》進(jìn)行了第一次修改,修改后的內(nèi)容與第一版基本相同,只是對有關(guān)剪力計(jì)算條文給出了具體的計(jì)算公式,并在柱子部分的說明中給出了鋼骨和鋼筋為非對稱配置時(shí)的累加強(qiáng)度計(jì)算公式。
1995 年,日本關(guān)西大地震倒塌和嚴(yán)重破壞的建筑物中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占55 % ,鋼結(jié)構(gòu)占38 % ,而SRC 結(jié)構(gòu)及其混合結(jié)構(gòu)僅占7 %。經(jīng)過分析表明,SRC 結(jié)構(gòu)的破壞主要為非埋入式柱腳及SRC 與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層等薄弱環(huán)節(jié)。目前,日本已成為對SRC 結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用最多的國家。
總而言之,國外關(guān)于SRC 結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有理論各有千秋,都不能成為一種成熟理論,有待于進(jìn)一步發(fā)展和完善。
2. 2 國內(nèi)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
眾所周知,長期以來我國的鋼產(chǎn)量一直嚴(yán)重不足,為了滿足大規(guī)模發(fā)展、建設(shè)的需要,自20 世紀(jì)50 年代起,我國就引進(jìn)了前蘇聯(lián)的SRC 結(jié)構(gòu),如包頭電廠的主廠房和鞍山鋼鐵公司的混鐵爐基礎(chǔ)都是由蘇聯(lián)設(shè)計(jì),我國施工建成的SRC 結(jié)構(gòu)。后來我國設(shè)計(jì)人員也按照蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)計(jì)了一些SRC 結(jié)構(gòu),如鄭州鋁廠的蒸發(fā)車間。這個(gè)時(shí)期所用的都是空腹式SRC 結(jié)構(gòu),而且不配置鋼筋和箍筋,其應(yīng)用僅限于少數(shù)工業(yè)廠房和特殊結(jié)構(gòu),沒有推廣到民用和公用建筑物中去。20 個(gè)世紀(jì)60 年代以后,由于片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約鋼材,SRC 結(jié)構(gòu)應(yīng)用就減少了。20 世紀(jì)80 年代初期,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。如日本為我國設(shè)計(jì)的北京國際貿(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),北京24 層的香格里拉飯店則完全是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu),其柱子全部為SRC 柱。
我國對SRC 結(jié)構(gòu)的研究始于在20 世紀(jì)80 年代中期。鄭州工學(xué)院、西安建筑科技大學(xué)與原冶金部建筑研究總院最早開始進(jìn)行研究,繼而西南交通大學(xué)、東北大學(xué)、重慶建筑大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)、東南大學(xué)、中國建筑科學(xué)院、沈陽建筑工程學(xué)院等高等院校、科研單位也展開了廣泛的研究。在這一時(shí)期, 重點(diǎn)研究了SRC 受彎構(gòu)件的正截面和斜截面的受力性能,并建立其正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力的計(jì)算公式,以及研究了徐變、收縮等問題;研究了SRC 構(gòu)件的抗裂性能,剛度和裂縫等性能,并建立其剛度和裂縫寬度計(jì)算公式;對于SRC 受壓構(gòu)件,探討了其受力性能,并建立了其軸心受壓、偏心受壓及抗震承載力的計(jì)算公式,以及討論了軸壓比的限值等問題。
進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代末之后,各高等院校和科研單位又對SRC 節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理,抗震性能進(jìn)行了探討,并建立了其受剪承載力的計(jì)算公式;對SRC 邊柱剪力墻的工作機(jī)理、破壞過程及抗震性能也進(jìn)行了研究;對SRC 結(jié)構(gòu)中鋼骨與混凝土之間的滑移進(jìn)行了探討。由于SRC 結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、剛性大、延性及耗能性能優(yōu)良等特性,由SRC 構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震能力。因此,西安建筑科技大學(xué)又進(jìn)行了SRC 框架結(jié)構(gòu)的模擬地震振動臺試驗(yàn)、擬動力試驗(yàn),深入研究了SRC 結(jié)構(gòu)的靜動特性與分析方法。在我國自己的試驗(yàn)研究與理論研究的基礎(chǔ)上,初步形成了一套較完整的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。1989 年曾提出了《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議》,1998 年在對SRC 梁、SRC 柱及其SRC 節(jié)點(diǎn)的基本力學(xué)性能、抗震性能和影響因素系統(tǒng)認(rèn)識的基礎(chǔ)上,考慮日本規(guī)程,冶金部建筑總院主編并頒發(fā)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》( YB9082 - 97) 。2001 年,中華人民共和國建設(shè)部又頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(J GJ138 - 2001) , 并于2002 年1 月1 日實(shí)施。
3 結(jié)論
目前在工程應(yīng)用中,混凝土的強(qiáng)度等級普遍采用高強(qiáng)度等級,因此改善結(jié)構(gòu)的延性就顯得尤為必要。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看,改善結(jié)構(gòu)的延性的方法主要有三種思路: (1) 加密箍筋; (2) 采用鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu); (3) 采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。眾所周知,加密箍筋雖然對高強(qiáng)混凝土構(gòu)件延性有所改善,但達(dá)到一定程度后效果并不顯著,同時(shí)給現(xiàn)場施工帶來了很大困難。鋼管混凝土是解決上述問題的較好方式,它能充分發(fā)揮混凝土和鋼管這兩種材料的性能,但同時(shí)也存在節(jié)點(diǎn)處理困難,用鋼量大和需要特殊防火處理等缺點(diǎn)。鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼管混凝土和普通高強(qiáng)混凝土之間的一種結(jié)構(gòu)方式。在HSRC 結(jié)構(gòu)中,鋼骨與高強(qiáng)混凝土之間相互約束,使各自強(qiáng)度得到提高,并且因?yàn)殇摴堑拇嬖?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,特別是改善了用來發(fā)揮鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抗壓性能的受壓構(gòu)件延性。因此可以預(yù)見鋼骨高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用會越來越普遍。
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