钢骨混凝土在地震区的应用概述

花双陆 徐利军

0 引言

近年来,我国的土木工程结构朝着大跨、重载、高耸和承受恶劣条件的方向发展,这无疑推动了一批新型结构的出现。在这些新型结构中,一种与传统的普通混凝土不同的钢骨混凝土广泛使用,因此对钢骨混凝土的研究也必将受到越来越多的重视。

1 钢骨混凝土的定义[1]

钢骨混凝土结构(Steel Reinforced Concrete)是指在钢筋混凝土内部配置钢骨的组合结构,简称SRC结构。埋置的钢骨可分为实腹式和空腹式,实腹式可由型钢或钢板焊成,空腹式则由缀板、缀条连接角钢、槽钢组成。空腹式在日本和前苏联都曾大量使用,但制作费用高。实腹式制作简便、承载力大,近年日本和西方国家普遍使用。

2 钢骨混凝土的特点及应用[2]

由于混凝土中配置了钢骨,使得钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能都得以充分的发挥,所以SRC结构在具备钢与混凝土组合结构节约钢材、提高混凝土利用率、降低造价、抗震性能好、施工方便等优点的同时还具有良好的防火、耐腐蚀性能。在SRC结构中,钢骨与高强混凝土之间相互约束,使各自的强度得到了提高,增加了结构和构件的延性,从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性,增加了结构及构件的抗震性能。与钢筋混凝土结构相比,由于配置了钢骨,使构件的承载力大大提高,从而有效地减小了梁柱截面尺寸,尤其是抗剪承载力提高和延性加大,可显著改善抗震性能;与钢结构相比,钢骨混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,提高构件的整体刚度,显著改善钢构件平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。

基于钢骨混凝土的优点,其应用范围很广,目前主要在以下工程领域应用:桥梁工程、高层建筑、混凝土制品、水利水电工程、港口和海洋工程、隧道及地铁结构工程,以及诸如矿井、军事防护等其他工程。

3 钢骨混凝土在地震区使用时的研究

3.1 钢骨混凝土在国内外的研究[3]

日本建筑学会SRC结构分会于1958年制定了以累加强度为基本体系的SRC结构规范,1963年做了第一次修订。1975年以确保SRC构件的延性为目的对SRC规范进行了第二次修订。日本建筑学会于1987年对SRC结构规范进行了第三次修订,修订后的SRC规范由允许应力设计法和极限状态设计法两部分组成。日本建筑中短柱应用较为广泛,因而很少研究长柱。近年日本学者针对实腹式SRC构件进行了大量低周往复加载的试验研究。日本建筑学会经过四次修订,于2001年形成了新的钢骨混凝土结构设计规范。

1951年前苏联电力建设部出版了SRC结构设计规范,该规范是以空腹式钢骨的梁和柱及框架结构为主要对象的设计规范,没有设置箍筋和钢筋。1978年前苏联又出版了“劲性混凝土结构设计指南CN3-78”,这是由前苏联混凝土结构研究所编制,该规范与1951年规范有较大的不同,这次实腹式钢骨混凝土结构为主要内容,它强调必须设置纵向钢筋和箍筋,它反映前苏联在SRC结构方面的研究成果和应用实践。

20世纪50年代初,我国从苏联引进SRC结构。20世纪60年代后由于钢材紧缺而停止了SRC结构的使用。20世纪 80年代后,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC结构又一次在我国兴起。在我国,西安建筑科技大学在1985年和1986年分两批进行了32个钢骨混凝土短柱抗震性能的试验研究,1989年又进行了12根内含工字钢的钢骨混凝土柱的试验,进行了非线性全过程分析[4]。此外,其他科研单位,如中国建筑科学研究院、清华大学和东南大学等也对钢骨混凝土结构进行了开拓性的研究工作,并取得了较多的研究成果。近些年,赵世春进行了 23根钢骨混凝土柱和3根混凝土柱在单调及往复循环荷载作用下的试验,结果发现,钢骨混凝土柱的破坏形式不同于混凝土柱,其具有较强的抗震能力。贾金青利用14根剪跨比为2.0的试件对钢骨高强混凝土短柱的抗震性能进行了试验研究,表明试件的延性随轴压比的增大而降低,配箍率高的试件其延性变形能力和承载能力也较大,并提出满足一定延性的钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值。李俊华进行了23个钢骨高强混凝土柱的低周反复加载试验,结果表明,在最大水平荷载后,不管承载力衰减的快慢,其滞回曲线都基本上收敛于工字钢纯钢柱的滞回曲线,体现了钢骨混凝土优越的抗震性能。

3.2 影响钢骨混凝土抗震性能的因素[5,6]

1)剪跨比的影响,一方面剪跨比对柱的破坏形态具有显著影响,随着剪跨比由小变大,钢骨混凝土柱会发生剪切斜压破坏、剪切粘结破坏和弯曲型破坏,破坏时,延性随着剪跨比的增大而提高。另一方面,剪跨比也影响柱的抗剪承载力,一般抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小,但是当剪跨比大于一定的值时,剪跨比对承载力的影响将不明显。

2)轴压比的影响,已有的试验结果表明,在水平荷载下,柱的变形能力随轴压比的增大而减小,在高轴压比的情况下,延性和耗能能力降低明显。因此,为保证钢骨高强混凝土柱具有较好的延性和耗能性能,需对其轴压比大小进行限制。但是究竟应该将轴压比限制在何种水平,这需要进行理论和试验研究后才能确定。

3)配箍率和箍筋形式的影响,钢筋混凝土柱在相同轴压比的情况下,位移延性系数随配箍率的提高而增大。根据已有的试验,钢骨混凝土柱的位移延性系数也随配箍率的提高而增大,因此配箍率对钢骨混凝土柱的抗震性能具有一定的影响。螺旋箍筋和复合箍筋能对核心混凝土提供更强的约束,因此采用螺旋箍筋和复合箍筋的构件的延性系数更高,抗震性能更好。

4)含钢量的影响,钢骨的含钢量是指内埋钢骨面积与构件全截面面积之比。已有的试验结果表明,用钢量越大的钢骨混凝土柱,其抗震性能越好。但是,钢骨混凝土柱的含钢量也要有一定的限制。各国对钢骨混凝土构件中的用钢量均有所规定,美国钢结构学会规定钢骨混凝土构件中的用钢量不得小于4.0%,否则按钢筋混凝土构件计算;日本规范则将8.0%作为钢骨混凝土构件中用钢量的上限。从我国的工程应用来看,用钢量的浮动范围较大,从2.5%～7.0%不等。

5)混凝土强度的影响,混凝土强度对柱的抗震性能有显著影响,随着混凝土强度等级的增加,其立方体抗压的峰值应变大而极限应变小,应力—应变曲线的下降段陡,脆性性质明显。因此,随着混凝土强度的提高,钢骨混凝土柱的延性越来越小,抗震性能越来越差。

3.3 钢骨混凝土抗震性能研究存在的问题

1)由于成本以及试验条件等原因,目前针对钢骨混凝土整体结构的试验研究还很少,并且针对该类构件和结构的恢复力模型也多是借鉴了钢筋混凝土结构的恢复力模型。因此有必要研究该类构件和结构的恢复力模型,尤其是双向地震作用下结构和构件的恢复力模型。

2)在结构体系方面,实际工程中往往要求部分采用钢骨混凝土构件,部分采用钢筋混凝土构件或钢构件的混合体系,这就必须了解这种混合体系的工作行为,解决好不同性质构件的连接过渡。

3)研究表明,钢骨混凝土构件在承受80%极限荷载之后,钢骨和混凝土之间将产生较大的相对滑移,变形不能协调一致,因此有必要研究该类构件在地震荷载作用下的粘结滑移问题,并建立相应的粘结—滑移分析模型。

4)在地震荷载作用下,节点的受力状态非常复杂,处于压弯剪扭复合受力状态,但目前对钢骨混凝土梁柱构件节点所进行的试验不够,应加强这一方面的研究。

5)混凝土强度对柱的抗震性能有显著影响,但是到目前为止,对钢骨高强混凝土柱的研究却并不多见,已有的成果也只是集中在混凝土强度等级为C60和C70的钢骨混凝土柱,对混凝土强度更高(如C80)的钢骨混凝土柱的研究则还很少。

4 结语

钢骨混凝土具有较好的抗震性能,但钢骨混凝土的抗震性能中的很多问题还没有研究清楚,如何在地震区合理使用钢骨混凝土是今后工程领域的一个研究方向。

[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2004.

[2]薛建阳.钢与混凝土组合结构[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.

[3]贾金青,赵国藩.钢骨高强混凝土短柱力学性能[M].大连:大连理工大学出版社,2006.

[4]吴平川,张令心,杨克勇.钢骨混凝土结构抗震研究综述[J].世界地震工程,2007,23(4):13-18.

[5]郭子雄,杨 勇,王妙芳.型钢混凝土结构性能抗震设计研究展望[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(sup):14-18.

[6]贾金青.钢骨高强混凝土短柱及高强混凝土短柱力学性能的研究[D].大连:大连理工大学,2000.

[7]叶列平,方鄂华.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J].土木工程学报,2000,33(5):1-12.