曲 伟 伟

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

型钢混凝土框架结构的研究进展

曲 伟 伟

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

介绍了型钢混凝土框架结构的力学性能、数值分析和实验结果以及国内的研究现状，结合当前的研究特点总结了型钢混凝土框架结构将来有待研究的问题，以进一步掌握型钢混凝土的特性，为型钢混凝土的应用提供理论基础。

型钢混凝土框架结构，研究，理论，数值模拟

0 引言

随着经济和社会的发展，建筑开始向着使用的多功能、结构更复杂、楼层更高的方向发展。根据建筑力学的知识，随着楼层的增加，楼层所受荷载也会成倍增加，同时整个建筑受到的承载力逐渐增加。采用普通钢筋混凝土的承载柱已经无法满足高层建筑中的力学要求。随着不同的混凝土结构的快速发展，型钢混凝土结构作为一种新型的钢混凝土结构，具有许多不同于其他混凝土的特点。型钢混凝土结构具有力学性能优异、施工难度小、运输方便等特点，所以型钢混凝土结构已经广泛应用于许多高层建筑结构中[1]。

型钢混凝土结构是将型钢与混凝土进行结合，将混凝土浇筑于型钢的外围，同时在浇筑过程中，再配有适量的横向和纵向钢筋，最后将混凝土、型钢、钢筋、箍筋形成有机的整体。根据相关的土建知识，型钢混凝土结构根据配钢样式的不同，可以分为实腹式型钢混凝土结构和空腹式型钢混凝土结构。实腹式型钢混凝土结构主要是将工字钢或“H”钢等与混凝土相结合。空腹式型钢混凝土结构主要是将角钢或槽钢等与混凝土相结合。实腹式型钢混凝土结构主要承受拉弯组合的承载结构。空腹式型钢混凝土结构主要承受弯扭组合的承载结构。

型钢混凝土结构具有承载力大、力学性能优异、施工难度小、运输方便等特点。型钢混凝土框架结构主要是由型钢混凝土框架柱和型钢混凝土框架梁组合而成。鉴于上述优点，型钢混凝土框架结构广泛应用于桥梁土建、石化电力、市政工程等领域，可以达到控制承载结构的几何尺寸、提高承载力，更好地满足工程实际需要的效果。型钢混凝土框架结构的力学特性和工程优点主要是力在框架梁、框架柱、钢筋以及它们交叉的节点之间相互传递而体现出来的，并不是单一的框架梁、框架柱以及钢筋的力学特性所能够反映的。在型钢混凝土框架结构研究之前，首先应对型钢混凝土框架结构的整体力学性能进行深入的研究，对国内外的研究现状进行整体把握[2]。

1 型钢混凝土框架结构的研究现状

根据国家规范：GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[3]中规定，跨高比L/h≤5的简支单跨梁或多跨连续梁被称为深受弯构件，当梁的跨高比L/h≤2时，被称为深梁；当梁的跨高比L/h>5时，被称为浅梁；而当梁的跨高比2

2 型钢混凝土框架结构的理论研究

白国良等[4]通过已有的实验结果，建立了三种类型的实腹式型钢混凝土梁正截面抗弯承载力计算公式和相应验算条件及中和轴的界限值。通过对实腹梁的计算，得到了三种实腹式型钢混凝土梁的受力判别条件，既总括了各种受力情况又便于设计应用。最后按照文中所得基本公式及适用条件，对12个实腹式型钢混凝土梁进行计算，通过公式计算值与试验结果相对比，得到的对比结果吻合较好。

邵永健等[5]研究了型钢混凝土梁在受到剪力作用下，其斜截面的理论分析和计算方法，并根据所得到的理论计算公式与工程实例进行对比分析。文中基于工程实例，研究了33根试验梁的试验数据对型钢混凝土梁的斜截面受到剪力作用下的计算公式。并采用结构可靠度分析的一次二阶矩法，对型钢混凝土梁的斜截面受剪承载力计算公式进行了可靠度分析。

型钢混凝土框架结构作为重要的建筑结构构件，将混凝土的力学性能和型钢的力学性能进行了很好的融合。查阅大量资料，总结得到国内外关于型钢混凝土框架结构的力学特性的计算方法主要采用叠加法。而根据叠加法特性又可以分为一般叠加法[6]和简单叠加法[7]两种。对于一般叠加法，将混凝土的力学特性和型钢的力学特性进行了耦合，综合计算其力学性能，但是计算过程复杂。对于简单叠加法，计算中没有考虑混凝土和型钢的耦合作用，而是单独将混凝土的力学特性和型钢的力学特性进行了简单的线性叠加。鉴于以上的计算特点，一般叠加法的计算结果会更加准确，但计算结果过于繁琐，可用于正式的计算。而简单叠加法的计算过程简单，可用于估算。周钦等[8]根据材料力学中的平面截面的假定，并忽略滑移变形，根据几何模型的受力得到其变形协调方程，最后给出了型钢混凝土梁截面形心处的轴心拉力Ns和型钢混凝土梁截面形心处的弯矩Ms的计算公式为：

(1)

其中，Ns0为型钢在初始时刻的轴心拉力，Ns0=fsA；Ms0为型钢在初始时刻的弯矩，Ms0=fsWs。

Ms=(1-αs)Ms0

(2)

其中,fs为型钢的标准抗拉设计强度；A为型钢的截面面积；Ws为型钢截面惯性矩。

此计算方法与《型钢规程》[9]相比简单易操作。与试验结果相吻合，计算精度满足规范要求。

3 型钢混凝土框架结构的实验研究

国内学者除了研究其理论外，还对型钢混凝土框架结构进行了试验研究，并取得了许多有益成果。蔡健等[10]在进行7根大比例尺寸型钢混凝土梁试件的试验研究基础上，主要对箱形型钢混凝土梁中的型钢和混凝土的相互作用、相互影响的力学性能进行了初步研究，并讨论了混凝土和型钢的耦合方式对型钢混凝土梁的力学特性的改善。研究结果得出，箱形型钢混凝土梁的抵抗弯曲的力学性能很容易得到改善和提高，但是对于其抵抗剪力的力学性能还需要进一步的研究。

预应力型钢混凝土梁也是工程领域应用很广泛的一种结构。但是目前国内外对预应力型钢混凝土梁进行的试验研究却凤毛麟角，徐杰等[11]研究了型钢混凝土及预应力型钢混凝土梁之间不同的力学性能，分别对8根预应力型钢混凝土梁和6根普通型钢混凝土梁进行了载荷对比实验。

4 型钢混凝土框架结构的数值模拟研究

随着计算机的发展，有限元等数值方法成为研究混凝土结构性能的一种重要手段，通过有限元软件可以得到不同结构在不同载荷作用下的力学响应。根据计算结果可以获得结构在不同阶段的应力应变、变形机理等力学性能，同时也可以分析混凝土结构的非线性问题。孙文君[12]基于混凝土的损伤模型，采用ABAQUS软件对型钢混凝土梁的非线性问题进行了分析，针对一箱形型钢混凝土梁实验的几何模型进行数值分析，并将数值模拟结果与实验结果进行对比分析得出数值模拟结果的数据与实验结果的数据相吻合。

任瑞等[13]为研究配槽钢骨架型钢混凝土梁的受扭性能，采用有限元分析方法对8个配槽钢骨架的型钢混凝土梁在纯扭作用下的受力情况进行了研究，并将数值模拟结果与实验结果进行对比分析得出数值模拟结果的数据与实验结果的数据相吻合。探讨了型钢混凝土梁在不同因素下受到扭转作用而产生不同的力学性能。研究结果得到了试件受到扭转作用下，试件随着混凝土强度的增大而增大，随着箍筋间距的增大而减小，随着缀条间距的增大而减小的结论。

5 型钢混凝土框架结构需要解决的问题

型钢混凝土框架结构在不同载荷下容易产生裂缝，如弯曲裂缝、剪切裂缝。裂缝的产生就是相当于一次力的卸载，对于承重结构，力的卸载是致命的。因此型钢和混凝土还没有充分发挥强度和刚度优势时，力已经通过裂缝开始卸载，这在工程领域是完全不允许的。裂缝控制成为型钢混凝土框架结构设计与施工过程中的重要问题之一。

目前对于型钢混凝土框架结构的裂缝控制的研究还在起步阶段，有关裂缝控制的研究还不是很完善，今后应该在抗震方面展开充分的研究，以提供合理的抗震设计参数，便于工程应用。

6 结语

本文对型钢混凝土框架结构的研究现状做了一定的总结，探讨了型钢混凝土框架结构有待研究的问题。

[1] 赵小芹.型钢混凝土深受弯构件研究现状与展望[J].江西建材,2014(9):1.

[2] 张芙蓉.型钢混凝土框架结构的研究现状与展望[J].建筑与文化,2011(10):116-117.

[3] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[4] 白国良,赵鸿铁.实腹式型钢混凝土梁抗弯承载力计算方法[J].西安建筑科技大学学报,1999,31(3):211-214.

[5] 邵永健,阎 石.型钢混凝土梁受剪承载力的计算及其可靠度分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006,22(4):579-583.

[6] 方鄂华,叶列平.钢骨混凝土结构设计规程总则及应用[J].建筑结构,1999(7):17-21.

[7] 周起敬.钢与混凝土组合结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1991.

[8] 周 钦,刘进朝.型钢混凝土梁受弯承载力的简化计算[J].甘肃科技,2008,24(9):130-131.

[9] JGJ 138-2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[10] 蔡 健,郑 宇,杨 春，等.箱形型钢混凝土梁的试验研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(7):52-56.

[11] 徐 杰,傅传国,戴 航,等.型钢混凝土及预应力型钢混凝土梁试验研究[J].工程抗震与加固改造,2007,29(5):57-62.

[12] 孙文君.基于ABAQUS的型钢混凝土梁三维非线性分析[J].福建建筑,2011(1):54-55.

[13] 任 瑞,薛建阳,陈宗平,等.槽钢骨架型钢混凝土梁受扭性能及有限元分析[J].建筑结构学报,2013,34(1):321-326.

Research project of steel reinforced concrete frame structure

QU Wei-wei

(TaiyuanResidentialGuaranteeCenter,Taiyuan030001,China)

The paper introduces mechanical performance, numerical analysis, experimental results and domestic research status of steel reinforced concrete frame structure, and summarizes steel reinforced concrete structure problems by combining with current research characteristics, to master the characteristics of steel reinforced concrete, and provide a theoretical basis for the application of steel reinforced concrete.

steel reinforced frame structure, research, theory, numerical simulation

1009-6825(2014)34-0044-02

2014-07-16

曲伟伟(1983- )，女，工程师

TU392.1

A