浅谈型钢混凝土组合结构

浅谈型钢混凝土组合结构

王启昕

中国中元国际工程有限公司 北京 100089

【摘要】钢筋混凝土结构是我国主要的建筑结构形式之一,在多、高层建筑结构中得到较为广泛的应用。随着建筑高度和结构抗震性能要求的提高,钢筋混凝土结构的抗震承载能力和变形性能较差等关键问题使钢筋混凝土结构的应用受到较多地制约。本文主要通过型钢混凝土组合结构优点、型钢混凝土结构的研究现状及发展趋势2个大的方面详细介绍了型钢混凝土组合结构。

【关键词】 型钢混凝土组合结构；优点及发展趋势；

1.前言

钢筋混凝土（Reinforced Concrete ,以下简称RC )结构是我国主要的建筑结构形式之一,在多、高层建筑结构中得到较为广泛的应用。随着需求越来越高，以及建筑高度和结构抗震性能要求的提高,钢筋混凝土结构的抗震承载能力和变形性能较差等关键问题,使钢筋混凝土结构的应用受到较多地制约。因此,如何有效提高钢筋混凝土柱延性和抗震承载能力是关键的研究课题。

2.型钢混凝土组合结构简介及优点

在混凝土中配置钢筋大大改善了混凝土结构性能，称为钢筋混凝土结构。型钢混凝土组合结构是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构形式,也是钢与混凝土组合的一种新型式。过去我国对这种结构的名称叫法很不一致,有的称之为劲性钢筋混凝土结构,有的称之为钢骨混凝土结构、有的称之为包钢混凝土结构。2001年建设部发布了《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001(以下简称《规程》),并将型钢混凝土组合结构(Steel Reinforced Concrete Composite Structure，以下简称SRC)定义为混凝土内配置轧制型钢或焊接型钢和钢筋的结构。

由于混凝土中配置的主要是型钢，因此克服了钢筋混凝土结构的许多弱点，使结构性能得到进一步改善，根据内部的配钢型式，型钢混凝土构件可分为两大类。一类是配置实腹式型钢的型钢混凝土构件，其中配置工字钢、H型钢、槽钢也包括方钢管和圆钢管等。这些型钢可以是轧制型钢，而更多的是采用焊接型钢。另一类是在构件中配置空腹式型钢，由缀板或缀条连接角钢或槽钢构成的空间桁架式骨架。无论是配置实腹式型钢或空腹角钢骨架的型钢混凝土均可作为柱、梁、框架，剪力墙或筒体。实腹式型钢制作简便，承载能力大，空腹式型钢节省材料，但制作费用高。

型钢混凝土构件中主要配的是型钢，与一般钢筋混凝土构件相比含钢率较高，因此对于同等截面大小的构件，型钢混凝土构件可具有比钢筋混凝土构件更高的承载能力。此外，型钢混凝土更适于采用强度更高的混凝土与钢材，充分发挥材料的性能。从另一方面说，在同样的内力之下，采用型钢混凝土构件比采用钢筋混凝土构件的断面明显减少。

由于型钢混凝土构件中配置了型钢，混凝土与型钢之间互相产生约束作用。一方面型钢被混凝土包围，混凝土约束着型钢，构件在达到强度极限状态以前，型钢一般不会发生整体失稳与局部屈曲。因此在构件中配置的型钢一般不需再为提高其稳定性而加设任何加劲板，计算中也不必验算内配型钢或型钢骨架本身的稳定性。另一方面整体配置的型钢约束着核心混凝土，混凝土内配置封闭的方钢管或圆钢管的构件，对混凝土的约束作用更为显著，这样使核心混凝土的刚度得到提高，因此型钢混凝土构件比同样断面大小的钢筋混凝土构件刚度大大提高。

SRC 构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力,其受力性能优于这两种结构的简单叠加。由于与RC 结构相比配置了型钢,大大提高了构件的承载力,尤其是采用实腹型钢的SRC 构件,其抗剪承载力有很大提高,并大大改善了受剪破坏时的脆性性质,提高了结构的抗震性能。比混凝土构件强度高，刚度大，以及具有良好的延性与耗能性能，所以由型钢混凝土构件组成的结构具有良好的抗震能力。因此型钢混凝土结构特别适用于地震区的建、构筑物。尤其是地震区的高层及超高层建筑中采用型钢混凝土结构具有独到的优越性，因其强度高，可以减小构件的断面，减小了结构的面积与建筑物的高度，改善了房间的功能。同时因其良好的抗震性能，使高层、超高层建筑的抗震安全度得到了保证。尽管目前我国的高层、超高层建筑中仍广泛采用钢筋混凝土结构，但实际上其抗震性能并不能令人满意，很难达到国际上发达国家同类建筑的安全度水准。与采用钢结构的建、构筑物相比，SRC 构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,并能提高钢构件的整体刚度,显著改善钢构件的平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。此外,外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。同时由于外包混凝土参与工作，和型钢结构共同受力，因此节省钢材50％以上。降低了造价，而且克服了钢结构防火、防锈、防腐蚀性能差以及钢结构高层建筑和高耸结构在水平荷载作用下侧移大等一系列缺点。在混凝土中配置的实腹式型钢和空腹式型钢骨架，一般在工厂制作，这就大大提高了建筑工程的施工速度。型钢在浇筑混凝土之前已形成钢结构，且具有较大的承载能力，能承受构件自重和施工荷载，因而无需设置支撑，可将模板直接悬挂在型钢上，这样可以降低模板费用，加快施工速度。由于无需临时立柱，也为进行设备安装提供了可能。同时，浇筑的型钢混凝土不必等待混凝土达到一定强度就可继续进行上层施工，可以缩短工期。

3.型钢混凝土发展趋势

20 世纪50年代初，我国从前苏联引进了SRC结构，后由于片面追求节省钢材，于60 年代末几乎停止使用。80年代后,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC 结构在全国兴起,北京、上海、江苏等省市的高层建筑中应用了SRC 和RC 的混合结构,取得了良好的经济效果。“劲性钢筋混凝土结构性能及设计方法”课题自1987 年开始,在查阅各国有关规范、研究成果、工程应用基础上,进行了系统的试验研究。通过系统研究取得了一系列的研究成果，并在一些高层建筑工程中应用。经过几年的研究和工程实践,参考日本钢骨混凝土设计标准，1998 年我国冶金部颁布了我国第一部《钢骨混凝土结构设计规程》（YB90822-97）。此规程基本沿用了日本标准的设计方法，包括其名称在内。将型钢作为等效钢筋，参照我国的混凝土规范及国外有关规范，2002 年建设部颁布了《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）。此规程中的设计方法与我国的混凝土规范相近。随着型钢混凝土构件研究的深入及计算理论的逐步成熟,近年来,型钢混凝土的研究逐步由构件转向体系,由普通混凝土转向高性能混凝土,由单一型钢混凝土体系的研究转向型钢混凝土与混凝土、钢及预应力技术相组合所产生的新结构体系的研究,预应力型钢混凝土技术也由此发展起来。SRC结构已在国内普遍使用。

参考文献：

[1] JGJ138-2001.孙惠中等.型钢混凝土组合结构技术规程.2001.10.23

[2] YB9082-2006.经杰等.钢骨混凝土结构技术规程.冶金工业出版社.2007.7