超高层型钢混凝土组合结构抗震性能研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、前言

近年来，我国以及世界范围内的地震灾害给人们的生命财产安全造成了巨大的损失，这就需要对建筑结构的抗震性能提出更高的要求。普通的高层超高层建筑结构受限于构件内力、结构抗震等因素影响，已基本脱离传统的钢筋混凝土结构，广泛采用型钢混凝土组合结构。现有的研究成果和大量的工程实践均表明，型钢混凝土组合结构符合我国国情，具有良好的抗震性能和较好的经济性，在高层及超高层结构中将具有广阔的应用前景。

二、型钢混凝土组合结构特点

型钢混凝土结构，简称SRC(Steel Reinforced Concrete)，主要是由型钢混凝土构件组成的结构。由型钢和混凝土组合而成的构件称为型钢混凝土构件，混凝土包裹型钢，箍筋加以约束，配置少量纵筋的混凝土构件，其中按型钢的布置方式分实腹式型钢混凝土和空腹式型钢混凝土，如图2.1所示。目前使用比较广泛的为实腹式型钢。

图2.1 型钢混凝土结构截面形式

(一)型钢混凝土构件优点

与普通钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土构件具有以下特点：①由于构件中配置型钢为主，型钢混凝土构件相较于钢筋混凝土构件拥有较大的刚度与较高的承载力，在截面尺寸相同的情况下，型钢混凝土构件承载能力远大于钢筋混凝土构件，故而在高层超高层结构中，型钢混凝土构件能够较大地减小构件截面，为结构节约更多的使用空间的同时获取更多的经济效益；②型钢混凝土构件的延性相较钢筋混凝土结构有较大提高，加之其构件承载能力高，故而具有较好的抗震性能和耗能能力；③型钢混凝土结构施工速度较快，型钢骨架可直接承受施工荷载，施工过程中模板可悬挂于型钢骨架上，不需支撑，可节约大量施工时间；同时型钢骨架可可在混凝土未达设计强度之前作为支撑继续上层结构的施工，缩短工期时间，节约施工成本。

(二)型钢混凝土结构力学性能

①承载能力高。当型钢混凝土构件与RC构件的截面面积相等时，前者的承载能力比后者高出一倍以上；②整体稳定性较好。跟钢结构相比，型钢被混凝土包裹，约束了型钢的侧向变形，失稳、局部屈曲等不利现象可以被有效防止，从而整体稳定性较好；③刚度大。由于型钢混凝土构件含钢率远大于RC构件配筋率，当型钢混凝土构件与RC构件的截面面积相等时，型钢混凝土构件的刚度明显大于RC构件；④耗能性能好。型钢混凝土柱在反复荷载作用下，其耗能性能较好，可以从滞回曲线所围的面积大且饱满看出。

三、型钢混凝土组合结构研究现状

国外在较早之前就对型钢混凝土结构进行了研究工作。欧洲是型钢混凝土结构最早出现的地方，虽然对SRC结构的研究和应用远远不如日本那样广泛。1904年，在英国，出于提高结构建筑物中钢柱耐火性能的目的，采用混凝土包裹钢柱，在世界上SRC柱因此诞生。随后，欧美各国对SRC结构的研究由此拉开序幕。Burr于1908年做了空腹式型钢混凝土柱的试验，发现混凝土的外壳能使柱的强度与刚度明显提高。欧美国家应用SRC结构克服了钢结构需经常维护、易锈、防火性能差、易腐蚀等弱点。考虑到SRC结构特点，地震多发的日本大力发展SRC结构是因为其利于结构抗震，具有良好的延性和耗能性能。

我国型钢混凝土结构的应用始于20世纪50年代，当时主要是根据苏联的设计方法将其局部应用于工业厂房。20世纪80年代初，西安建筑科技大学与北京冶金建筑研究总院首先开始研究与推广型钢混凝土结构。此后，西南交通大学等许多高校与科研单位开始对型钢混凝土结构进行大量系统的研究。西安建筑科技大学系统研究了各种配钢形式的型钢混凝土梁、柱、节点等构件的基本性能，在进入90年代后又进行了型钢混凝土框架结构的拟动力试验与模拟地震振动台试验，深入研究了结构的静动力性能与地震作用下的分析方法。在进行了大量的试验研究之后，我国在此基础上制定了一套完整的型钢混凝土土结构设计理论，成为国际上研究型钢混凝土最为广泛深入的国家之一。

四、型钢混凝土组合结构应用于超高层的相关问题

目前普通高层及超高层建筑结构逐渐转向采用型钢混凝土组合结构，由于型钢混凝土结构的高承载力、耐火性好和延性好等优点，得到广泛的应用，但就超高层建筑而言，采用SRC结构仍存在一些问题值得研究和探讨。型钢混凝土结构相比普通钢筋混凝土结构可以有效的减小构件的截面面积，当应用于超高层建筑中时，型钢混凝土柱经济合理适用高度的问题值得学者们进行研究和探讨。同时型钢混凝土结构本身受柱含钢率、构件截面形式、轴压比等方面的影响，部分学者就型钢混凝土应用于高层建筑是对于抗震性能的贡献受上述因素的进行了研究，得出的相对合理的一些结论，但应用于超高层建筑结构方面的研究还相对较少，有待作进一步的研究。

五、结语

型钢加在钢筋混凝土结构中，且型钢的延性和它的固有强度都较好,混凝土包裹型钢共同工作使型钢混凝土组合结构具备了较明显的优势。与普通的钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土组合结构具有刚度大、承受荷载的能力强、抗震性能大的优点。与纯钢结构比较而言，型钢混凝土组合结构的防火性能较好，局部结构和整体结构整体性及稳定性均较好，最主要的是能降低造价。有目的性地研究此类组合结构，对优化和改善结构抗震性能具有极其显著的意义，为型钢混凝土组合结构的实际应用提供理论依据，可以较好的促进型钢混凝土组合结构在高层及超高层建筑结构中的应用及发展。