钢骨混凝土构件的受力性能研究综述

谢文光

摘 要：本文基于对国内外钢骨混凝土结构的研究，介绍了钢骨的发展和特点，以及钢骨和混凝土的共同工作，梁、柱构件的斜截面和正截面的受力性能、刚度裂缝、抗震性能和其他相关的计算理论，介绍了适用于中国技术应用的梁力节点的力学性能以及彩色梁节点的试验研究，分析了钢骨混凝土施工技术在中国的应用。

关键词：钢骨混凝土；梁柱；梁柱节点；受力性能抗震能力

中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）04-0194-02

随着国民经济的飞速发展和人们对建筑美学要求的不断提高，大型建筑和摩天大楼建设在城市建设中迅速兴起，并已成为现代大都市的重要标志。由于传统混凝土结构构件的尺寸巨大，钢结构的成本高，使得钢骨凝土钢结构具有在各种大型项目中广泛使用的独特优势。

1 混凝土构件概述

钢骨混凝土（SRC）结构是在钢框架周围放置钢框架，并铺设混凝土的结构。钢骨有两种类型，实腹式和空腹式。实腹式钢骨混凝土站点具有更好的抗震性能，空腹式钢骨混凝土具有与普通钢筋混凝土几乎相同的构件。因此，SRC的实腹式目前广泛用于地震结构中，固定钢主轴可以直接焊接，并组装在钢板或钢棒上。

SRC元件的内部钢结构和外部实体具有恒定的垂直载荷，并且通过这两个结构之间的调整可以改善结构的性能。与钢结构相比，SRC构件的外部混凝土可以防止钢构件局部收缩，提高钢构件的整体硬度，并显著改善钢构件的平面扭转性能。与纯钢结构相比，SRC结构最多可节省50%的钢材料。另外，钢骨混凝土可改善结构完整性和耐火性。在欧美国家，SRC结构的第一个开发因素是基于对防火安全和钢结构维护的考虑。与钢筋混凝土结构比较，特别是实腹式SRC构件，大大提高了构件的承载能力、受剪切破坏时的脆性，增强了结构的抗地震性能。因此，SRC结构在日本被广泛使用。但是，SRC强度结构非常复杂，必须在技术设计阶段进行仔细审查，否则该项目将很难实施。1950年代，从苏联引入中国的混凝土结构与SRC结构有关。

钢骨可以承受特定建筑物负荷。第二次世界大战后，钢骨被用来承受建筑负荷，以促进恢复和重建，加快建筑速度。1949年，前苏联建筑科学技术学院研究编制了《多层房屋劲性钢筋混凝土建筑物的初步技术条件（BTY 03-49）》。在1950年，进行了更全面的实验研究，制定了《苏联劲性钢筋混凝土结构设计准则（CM3-78）》。在1920年，西方国家工程设计人员覆盖了混凝土钢柱，以满足钢结构的耐火性要求。最初，设计为覆盖钢的混凝土柱钢杆。自1940年以来，他们确定了外部混凝土对改善钢骨耐久性的作用。考慮到低硬度后，采用钢柱法。在1920年，日本开始在多个项目中引入SRC结构。1923年，东京一个30米高的SRC建筑引起了日本工程界的注意，因其在大地震中遭受了较小破坏。日本1951年开始对SRC结构进行了全面的系统研究，1958年建立了混凝土钢材标准项目。自1987年以来，揭示了相对完整的原则和程序。由于日本是地震多发地，这是日本持续研究和开发SRC结构的原因。

SRC结构在日本广泛用于有效的抗地震建筑。对于中国SRC结构中使用的大量钢材，在1980年之前就没有使用过，而且尚未进行研究。随着1980年以后中国建筑行业的进一步发展，SRC结构引起了中国工程界越来越多的关注，开始更系统的研究。经过长期的研究和开发，中国冶金工业部于1998年首次参照日本有关钢骨混凝土的《劲性混凝土的钢结构建筑规范YB9082-97：E6》标准进行了冶炼。

2 钢骨与混凝土的共同工作

SRC结构是两者链接的前提，无论是调整变形的钢骨还是外部的混凝土。如果固定手柄由外部混凝土组成，则可以看出，在出现故障时SRC元件的承载能力低，柔韧性也不高。

SRC组件的箍筋在切割方面可能会有重大改进，需要进行调整。箍筋布置的目的是锁定混凝土的外部，以免过早磨损引起的过度磨损。此外，提高悬停速度有助于防止磨损。在相同的循环载荷下，将SRC热滞曲线与不同比例的钢进行比较。SRCZ3试件的喇叭口小、粘合力差，损坏的混凝土尺寸大，多钩SRCZ5试件的损坏不是由严重的胶粘剂破坏和承载能力而引起的。此外，可以看出，SRCZ3的灵活性大大提高。该测试表明，钢骨和混凝土对于 SRC模具零件可以正常工作。如果外部混凝土零件配备了多个纵向加劲，则应力分布部分，可以导致严重渗入外部混凝土破坏阶段，进而消除钢结构的塑性变形。对于SRC增强复合材料的要求，根据“增强型国家结构规则”因SRC的不同，需要确保将外部混凝土和钢骨框架联系在一起，以确保建设的灵活性。

3 钢骨混凝土柱的受力性能

3.1 钢骨混凝土柱的轴心受压承载力

在1950年之前，欧洲仅对钢柱使用混凝土密封，因此在设计中未考虑其对承载柱的压力。根据Faber和Stevens等人的实验研究发现，考虑到钢柱的强度和施工方法，混凝土的外层可以有效地改善钢柱的承载力，减轻外部混凝土的影响。1960年代，Basu和SomerviUE等根据大量实验和计算提出了一种回路曲线的概念。根据 Robertson回路曲线，回路曲线由轴向压缩的SRC柱提供支持力。1970年，Virdi DoMing-9J引入了相对延迟的概念，以改进Basu-Somerville定律，并解释了SRC柱和SRC柱的净柱钢与设计方法的内在联系，回路曲线对应于纯钢柱。

3.2 钢骨混凝土柱的压弯承载力

根据欧洲标准，相对较薄的概念太过于简单，无法计算SRC柱压缩柱的承载力。但是在计算弯曲和挠曲能力时，会同时在轴向计算中设计几何非线性和不等式，可以直接给出强度和弯矩之间的关系，但需要指定4个参数。某些计算更为复杂，弯矩越大，则误差越大。对于钢制截面柱，不仅增加了其构件的刚度，而且还提高了弯曲和弯曲框架的能力，从而显著提高了钢截面参与框架弯曲和弯曲的能力，改进水平为30%。在地震期间，由于水平结构的增加和梁铰链的形状而使框架柱成为框架结构承接载荷的主要因素，因此在柱端部的轴向强度和弯矩会急剧增加。即使在发射弯曲的壁后也会发生这种情况，这不仅需要出色的支柱框架抓地力，还需要很高的强度和硬度，因此结构的不足会受到支柱强度不足或横向运动过度的影响。显然，混凝土钢柱具有更加优异的抗冲击性。

如上所述，考虑到SRC元件钢筋的特定结构要求，钢骨结构和外部混凝土可以进行调整，直到达到最终载荷为止。因此，可以使用与SRC构件在正常部分和带有RC构件的平坦部分中的柔韧性相同的原理进行计算。计算的基本假设如下：一是电压部分的分布对应于预期的平面部分；二是选择适当的固体应变率；三是采用钢骨与混凝土的弹塑性弯曲的理想关系；四是不要考虑混凝土梁的强度；五是没有局部的钢裂纹。

根据日本学者若林氏提出的可塑性理论下界解，超金属法更加简单、实用，并且容易被工程師接受，以计算常压和弯曲状态下SRC构件的承载力。SRC元件在水平平衡位置的一般横向弯曲能力可以通过钢和RC组件的重叠来表示。

根据可塑性理论，从轴向力分布获得的指状物的柔韧性总是比有效解决方案更小、更安全。因此，在技术实践中，设计人员可以根据某些规则来分配轴向力，而不必担心不安全项目的后果。迄今为止，日本的相关研究人员已经提供了一种简单的轴向力分配原理，即简单的超金属定律。设计一种简单分散作用力方法的结果是安全的，并且避免产生不必要的浪费。基于上述原理，中国研究人员提出了一种精确方法，而不是通过一种简单的叠加方法来分配轴向力，应用于钢截面对称固定部分。

必须考虑flex的长期影响，在中等长度和长度的SRC钢筋中，日本常使用嵌套方法。这不仅很好解释，而且计算非常简单。而欧洲直接考虑了几何杂质和物理不均匀性，给出了轴向力矩和弯曲力矩之间的关系。这个概念虽然看似相对简单，但是在计算过程中需要确定4个参数，要复杂得多。

3.3 钢骨混凝土柱的受剪性能

SRC柱的位移破坏过程与RC柱明显不同。尽管已充分腐蚀，但RC色谱柱截留通常构成明显差异。在基于Web的固定式SRC柱中，很难形成大的裂纹，并且有一定的受剪性能。SRC框架柱和RC柱在循环荷载下的受剪性能的比较中可以看出SRC框架柱的磁滞曲线具有轻微的主轴形状，并且充满了磁滞曲线，而RC框架柱的磁滞曲线具有明显的后钳位和最大位移，受剪性能将大大降低。目前，在世界其他国家，计算混凝土钢柱切割量的方法并不相同，大型研究机构根据自己的测试结果进行了许多相关计算。通过对比，这些计算之间的主要区别：一是考虑到压缩比对剪切压缩能力的影响；二是网状钢剪切值的差异。研究表明，轴向力n≤0.5适用于切削。当n>0.5时，轴向压力以上的高度会不利于立柱的位移，若立柱发生位移，位移截面也会降低。承受剪切应力的混凝土钢柱的抗剪强度也很难通过轴向压缩比来实现。

根据数据分析，可以重点考虑作用压缩比的影响。计算混凝土框架要点，至少要处理两个影响因素：一个是网格的剪切强度，另一个是两侧的塑性剪切强度。如果立柱的承载能力由腹板抗剪承载力决定，则会从抗剪钢截面中释放出来。如果剪切强度是由两种塑料的弯矩决定，则横截面为钢，另外，还可以假定剪切曲线是根据受剪切压力破坏的网格网计算的。切割SRC色谱柱与RC色谱柱有很大不同，即使有足够的侵蚀，RC柱仍会被压碎，但在网络SRC柱中很难形成固定的边坡裂纹，并且破坏过程缓慢而明显。 SRC框架柱的磁滞曲线略微呈螺旋状，RC框架柱的磁滞曲线上的剪裁和满载在重复荷载下非常明显。

3.4 钢骨混凝土柱的抗震性能

多项实验研究表明，即使在剪切破坏方面，旧的模型也比RC框架柱具有更好的抗震性能。与RC柱一样，轴向压力比大，磁滞回线面积小，能量效率低。同时，随着循环次数的增加和变形的加大，具有较大轴向压力比样品的承载能力会更小。因此，对于SRC，还必须限制其轴向压力比。根据国内外实验研究表明，当N/N0> 0.4-0.5时，SRC柱的地震活动明显降低。该测试还表明，影响SRC热柔韧性的主要因素是RC组件的作用压缩。实验研究表明，钢筋混凝土零件的轴向强度在损伤阶段可以传递给钢制零件。另外，在长期载荷下，随着混凝土的发展，RC部件的轴向强度会逐渐移向钢部件，但该领域的研究尚未完成。

4 结语

近年来，混合结构部件的使用逐渐增加，并且钢筋混凝土已成为可以很好迁移的混合结构系统的重要部分，并逐渐转变为混合支撑系统。同时，连接问题是混合施工的重要环节，需要进一步研究。未来，中国高层建筑的发展将主要使用钢骨混凝土结构，尤其是劲性钢骨混凝土结构。因此，有必要加强对该领域的研究和应用。

参考文献：

[1]粱书亭，丁大钧，陆勤.RC内埋工字钢柱铰的抗震性能研究[J].建筑结构，1994（2）：23-28.

[2]叶列平，方鄂华.SRC构件正截面承载力计算[J].工程力学，1999，16（2）：95-97.

[3]叶列平，方鄂华.SRC构件正截面承载力计算[J].建筑结构，1999（8）：105-107.

（责任编辑：李凌峰）