郑涌林

型钢混凝土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形式,其中也配有构造钢筋及少量受力钢筋,是由混凝土、钢骨和钢筋3种材料组成的组合结构。2001年我国第一部JGJ 138-2001型钢混凝土组合结构技术规程颁布执行,并将型钢混凝土组合结构定义为混凝土内配置轧制型钢或焊接型钢和钢筋的结构[1]。型钢混凝土结构构件根据其截面配钢的形式可分为实腹式型钢和空腹式型钢两大类。空腹式型钢比较节约钢材,但制作费用较高,抗震性能相对于实腹式型钢较差,因此目前应用不多[2]。

1 型钢混凝土组合结构性能特点

1.1 型钢混凝土结构和钢结构相比具有的优点

1)良好的耐久性和耐火性:型钢外包裹的混凝土具有抵抗有害介质侵蚀,防止钢材锈蚀等作用,提高了结构的耐久性;由于混凝土结构较钢结构具有良好的耐火性能,克服了钢结构耐火性能方面的缺陷。2)受力性能好:普通的钢结构构件常具有受压失稳的弱点,而型钢混凝土结构构件内的型钢因周围混凝土的约束,型钢受压失稳的弱点得到了克服。3)节约钢材:由于以混凝土和型钢共同承担荷载,使型钢混凝土成为节约钢材的一个重要手段。

1.2 型钢混凝土结构和钢筋混凝土结构相比具有的优点

1)承载力高:由于含钢率的限制,钢筋混凝土结构的承载力难以满足多层或高层建筑的要求。型钢混凝土结构中的型钢可以不受含钢率的限制,所以型钢混凝土结构构件的承载力可以高于同样外形尺寸的钢筋混凝土构件的承载力1倍以上,因而可以减少构件的截面,增加使用面积和净高,其经济效益是可观的。

2)施工周期短:型钢混凝土中的型钢具有相当大的承载能力,可将模板固定在型钢上,省去模板的支撑柱,减少了支模板的人工和材料;此外,型钢混凝土建筑的施工不必等待混凝土达到一定强度就可以继续施工上层,从而缩短了施工周期。

3)抗震性能好:由于型钢的设置,其延伸性比钢筋混凝土结构有明显提高,因此在大震中此种结构呈现出较好的抗震性能。

2 型钢混凝土柱

2.1 型钢混凝土柱的轴压比

轴压比是影响钢筋混凝土框架柱延性的主要因素,抗震规范规定框架柱轴压比n=N/fcA必须满足限值要求。型钢混凝土柱中的型钢分担了混凝土所承担的较大轴力,由此降低了框架柱混凝土的轴压比。在地震作用下,型钢混凝土柱在保证其承载力的同时充分发挥混凝土及构件的变形能力,具有较高的延性。

2.2 型钢混凝土柱的强度和刚度

框架柱是框架结构中最重要的承重构件,在地震力作用下,框架柱不但要有较高的延性,而且还要具有较高的强度和刚度。对于型钢混凝土柱,型钢不但增加了构件的刚度,而且由于型钢参加了框架柱的抗弯、抗剪工作,从而使框架柱的抗弯与抗剪能力有了明显的提高。

2.3 型钢混凝土柱的抗剪承载力计算

分析型钢混凝土柱抗剪承载力的方法比较常用的有两种:累加强度理论和极限平衡理论。累加强度理论的主要依据是型钢和混凝土之间的粘结力很小,其抗剪承载力是型钢和钢筋混凝土两部分抗剪承载力的叠加;极限平衡理论则取柱子的极限破坏状态作为计算图式,利用隔离体的极限平衡条件可求得构件极限抗剪承载力。

2.4 型钢的侧向失稳和柱子的剪切粘结破坏

防止型钢侧向失稳和柱子剪切粘结破坏可采取以下措施:1)加密箍筋以加强混凝土的侧向约束;2)采用宽翼缘型钢或局部加强型钢与混凝土之间的粘结;3)采用高强度型钢以保证不先于纵筋屈服;4)在型钢侧面加焊抗剪销钉,型钢两侧加焊钢板,以防止型钢与混凝土之间产生粘结滑移。

3 型钢混凝土结构梁柱节点

节点是连接梁和柱的关键部位,根据结构形式的不同,型钢混凝土梁柱节点的形式主要有3种:1)钢筋混凝土梁—型钢混凝土柱的连接;2)型钢混凝土梁—型钢混凝土柱的连接;3)钢梁—型钢混凝土柱的连接。型钢混凝土梁柱节点内含型钢,型钢腹板参与工作,增加了一个重要的抗力因素,加之翼缘框对核心区混凝土的约束作用,使节点抗裂度和极限承载力都高于普通混凝土梁柱节点。剪切破坏是型钢混凝土结构节点破坏的主要形态[3],以下分别介绍几种方法:

文献[4]规定:在地震作用组合下,梁柱节点受剪应满足:

其中,括号内第一项表示混凝土的抗剪能力,δj为节点形式系数;第二项表示箍筋抗剪能力;第三项表示型钢腹板抗剪能力;第四项表示轴压力对抗剪有一定的提高作用。

我国梁柱节点专题组根据课题组所做的36个型钢混凝土节点的试验结果,在文献[5]中提出节点受剪承载力建议公式:

西安建筑科技大学在文献[6]中,建议型钢混凝土节点的抗剪承载力计算公式表示为混凝土、箍筋、型钢腹板和型钢翼缘四项抗剪能力的叠加:

从形式上比较以上的节点抗剪承载力计算公式,共同点在于都考虑了混凝土、箍筋和型钢腹板的承载力,并且考虑了轴压力对节点抗剪能力的提高。不同点在于计算混凝土的抗剪能力时,各种因素如节点的位置、梁柱的约束、轴压力和翼缘框等对混凝土受剪的影响计算方式不同。

4 结语

型钢混凝土组合结构充分利用两种材料的优势,可以较好实现建筑使用功能、结构抗震性能和结构经济指标三者之间的协调统一,可在高层建筑、桥梁、大跨房屋结构等方面广泛应用,具有良好的经济效益和社会效益。随着科研工作的深入,计算理论的进一步完善,如果能有针对性地推广应用型钢混凝土组合结构,对我国高层建筑的发展、优化和改善结构抗震性能,都将具有极其重要的意义。

[1] JGJ 138-2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[2] 刘维亚.型钢混凝土组合结构构造与计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 薛建阳,赵鸿铁,杨 勇.型钢混凝土节点抗震性能及构造方法[J].世界地震工程,2002(2):61-63.

[4] YB 9082-97,钢骨混凝土结构设计规程[S].

[5] 梁柱节点专题组.劲性钢筋混凝土梁柱节点性能及受剪承载力[A].混凝土研究报告选集(3)[C].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[6] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2001.