钢骨混凝土结构及其抗震性能研究

登封电厂集团有限公司 陈东玲

河南省农村科技开发中心 苏永涛

钢骨混凝土结构及其抗震性能研究

登封电厂集团有限公司 陈东玲

河南省农村科技开发中心 苏永涛

钢骨混凝土（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）结构是指在钢骨周围配置钢筋，并浇注混凝土的结构。由于在钢筋混凝土中增加了钢骨，钢骨以其固有的强度和延性，以及钢骨、钢筋（箍筋和纵筋）、混凝土3部分使钢骨混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载能力大、刚度大、抗震性能好的优点。因此，近年来国内外对钢骨混凝土结构及其抗震性能开展了许多研究。本文，笔者将对一些研究内容作以简单介绍。

一、钢骨混凝土构件形式与设计理论

钢骨混凝土构件根据钢骨的形式可分为实腹式和空腹式两大类。实腹式钢骨主要有工字钢、槽钢及H型钢等。空腹式钢骨是由角钢构成的空间桁架式的骨架。

实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能，而空腹式构件的抗震性能与普通钢筋混凝土构件基本相同。在日本阪神地震中，空腹式钢骨混凝土结构破坏的事例很多。因此，目前在抗震结构中多采用实腹式钢骨混凝土构件，而对钢骨混凝土框架梁中的型钢，宜采用充满型实腹型钢。充满型实腹钢骨的一侧翼缘宜位于受压区，另一侧翼缘位于受拉区。

从20世纪50年代起，国外对SRC构件性能、计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量工作，提出了许多风格各异的理论和方法。以苏联为代表的极限强度理论认为，在SRC构件变形较大时，应力应变关系已进入弹塑性状态，已不能保证型钢与混凝土共同工作，进一步有日本和英美为代表的允许应力强度理论，即日本的叠加强度理论和英美的弹性设计方法。

在我国，冶金工业部1998年颁布了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》。建设部于2001年颁布了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》。以上两个行业标准均是依据国家标准《建筑结构荷载规范》（GBJ9-87）、《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）、《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）而制定。

二、钢骨混凝土构件计算理论

钢骨混凝土结构构件的计算可以分为以下3种。

1.按平截面假定，采用极限强度设计方法，按钢筋混凝土结构理论进行计算。即认为型钢与钢筋混凝土能够成为一个整体且变形一致，共同承受外部作用，将型钢离散化为钢筋，并用钢筋混凝土的公式进行计算其强度。按该法计算时，少数构件偏于不安全，同时由于没有考虑钢骨和混凝土之间的黏结特性，刚度不随荷载大小而变化，这是不符合实际的。此方法的主要代表国家为前苏联。

2.参数折算的钢结构计算方法。按钢结构理论进行计算，即将钢骨混凝土柱用具有修正的屈服强度、弹性模量和回转半径的钢构件代替，然后按钢构件计算公式进行弯矩和轴力下的承载力计算。对于构件的抗剪承载力不进行专门计算，而是通过对箍筋的构造规定加以满足。此方法的主要代表国家为美国以及欧洲。

3.叠加计算方法。在日本规范中，对于空腹式钢骨混凝土构件按钢筋混凝土方法进行计算。对于实腹式钢骨混凝土构件的计算，不考虑钢骨和混凝土之间的共同作用，并假定钢骨不发生局部屈曲，分别计算钢骨部分和钢筋混凝土部分的承载力和刚度，然后叠加，其计算结果偏于保守。

三、钢骨混凝土结构抗震性能的影响因素

尽管各国的钢骨混凝土构件的计算理论有很大不同，但在对钢骨混凝土结构的抗震性能研究中则都参考了钢筋混凝土结构理论。自从20世纪50年代以来，很多国家进行了大量的钢骨混凝土结构抗震性能的试验研究。研究表明，影响钢骨混凝土抗震性能的主要因素为剪跨比、轴压比、配箍率、含钢率以及钢骨的截面形式等。

1.剪跨比的影响。剪跨比对抗震性能的影响主要有两方面：一是剪跨比对钢骨混凝土柱破坏形态的影响。二是剪跨比对钢骨混凝土柱抗剪承载力的影响。

2.轴压比的影响。大量试验结果表明，轴压比对钢骨混凝土柱的破坏形态、承载力和滞回特性均有明显影响。随着轴压比的增大，延性系数、极限位移转角、耗能能力3项指标均减小，在高轴压比情况下，柱的刚度退化明显。因此，轴压比是影响钢骨混凝土柱抗震性能最重要的因素之一。

3.用钢量的影响。钢骨含钢率是指截面中钢骨面积与构件有效截面面积（钢骨部分的面积与钢筋混凝土部分的面积之和）之比。钢骨含钢率取值的范围，各国规范并不一样。日本的规范最大含钢率定为13.3%，美国规范取20%。在我国《型钢混凝土组合结构技术规程》规定框架柱受力型钢的含钢率不宜小于4%，且不宜大于10%。《钢骨混凝土结构设计规程》规定钢骨混凝土构件的含钢率不小于2%，也不宜大于15%。试验表明，在一定范围内，用钢量越大的钢骨混凝土柱，抗震性能越好。

4.配箍率的影响。大量试验研究表明，在其他因素相同的条件下，钢骨混凝土柱的位移延性系数随配箍率的提高而增加。箍筋的主要作用是可以保证钢骨、钢筋、混凝土三位一体工作，防止钢骨保护层混凝土纵向劈裂剥落，直接参与钢骨混凝土柱的抗剪力荷载，提高其抗剪承载力。

5.钢骨形式的影响。钢骨截面形式不同，钢骨的抗弯模量不同，即钢骨本身的抗弯承载力不同。同时，造成钢骨与混凝土的黏结面积不同，两者之间的黏结性能也不同。而且，试验表明，钢骨翼缘和腹板能够对混凝土提供有效地约束，增强混凝土的变形能力，改善两者的共同工作。