浅谈型钢混凝土结构发展及设计方法的比较

２００９　　ＮＯ．０９

Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ科技创新导报

浅谈型钢混凝土结构发展及设计方法的比较

吕会文１　　曲延增２

（１．　山东烟台市兴盛建筑工程有限公司　　山东烟台　　２６５０００；２．　山东烟台百通建筑工程有限公司　　山东烟台　　２６５０００）摘　要：　型钢混凝土结构是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构，具有较好的承载能力和抗震能力。本文主要介绍了型钢混凝土结构的发展概括，及设计方法的比较。关键词：型钢混凝土　　发展　　设计方法　　比较

中图分类号：ＴＵ７　　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０３（ｃ）－００８７－０２

１　前言

型钢混凝土（Ｓｔｅｅｌ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，以下简称ＳＲＣ）结构是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构。型钢分为实腹式和空腹式。实腹式ＳＲＣ构件具有较好的抗震性能，而空腹式ＳＲＣ构件的抗震性能与普通混凝土（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，以下简称ＲＣ）构件基本相同。因此，目前在抗震结构中多采用实腹式ＳＲＣ构件。实腹式型钢可由钢板焊接拼制而成或直接采用轧制型钢。

常用的ＳＲＣ梁、柱构件截面形式见图１。

ＳＲＣ构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。与钢结构相比，ＳＲＣ构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用ＳＲＣ结构，一般可比纯钢结构节约钢材达５０％以上。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性，欧美国家最初发展ＳＲＣ结构就是出于对钢结构防火和耐久性方面的考虑。与ＲＣ结构相比，由于配置了型钢，大大提高了构件的承载力，尤其是采用实腹型钢的ＳＲＣ构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，提高了结构的抗震性能。

１９７５年Ｖｉｒｄｉ和Ｄｏｗｌｉｎｇ［１］借助设计曲线与大量ＳＲＣ理论的分析及１００多根柱破坏试验结果，证明了利用纯钢柱欧洲曲线，并引入新长细比定义这一方法来计算ＳＲＣ柱的轴向破坏荷载是行之有效的。这种方法不仅提高了设计精度，而且还证明了ＳＲＣ柱与钢柱内在的联系。对于偏压柱采用特定系数表示的直线和抛物线逼近柱子Ｍ－Ｎ相关曲线，根据这些特定系数确定柱子界面强度［２］。该方法一直沿用，并编入了１９８５年欧洲统一规范ＥＣ４《组合结构》。

在１９８９年的美国钢筋混凝土设计规范ＡＣＩ－３１８［３］中，将型钢视为等值的钢筋，然后再以ＲＣ结构的设计方法进行ＳＲＣ构件设计，这种方法的优点在于对ＳＲＣ结构设计时考虑了构件的“变形协调”和“内力平衡”，但没有考虑型钢材料本身的残余应力和初始位移。在１９９３年的钢结构设计规范ＡＩＳＣ－ＬＲＦＤ［４］中，采用极限强度设计法来设计ＳＲＣ结构，将ＲＣ部分转换为等值型钢，再以纯钢结构的设计方法进行组合结构设计，并考虑了残余应力和初始位移。此方法最突出的优点是很容易得到构件的弯矩与轴力，但由于它是以考虑初始位移和残余应力的纯钢结构为设计基础，是否符合组合结构的实际受力行为仍有待进一步探讨。

英国在理论分析的基础上，于１９６９年将建筑中的ＳＲＣ柱列入英国钢结构规范ＢＳ４４９的第三部分，随后将桥梁中的ＳＲＣ柱列入英国标准ＢＳ５４００的第五部分。对ＳＲＣ梁，英国钢结构设计规范按组合截面进行弹性设计，即取０．７倍型钢屈服强度用弹性方法计算型钢，然后按组合截面进行修正，忽略混凝土抗拉强度。欧洲四个国

际组织（ＣＥＢ－ＥＣＣＳ－ＦＩＢ－ＩＡＢＳＥ）于１９７９年联合制定组合结构典型规程草案，并于１９８１年正式出版了“典型规程”。该规程建议以ＳＲＣ梁的腹板以及受压翼缘的钢板是否具有足够的刚度划分截面为密实和纤细。对两种截面梁的正负抵抗弯矩分别简化为按塑性理论计算和弹性理论计算。德国于１９８１年制定ＤＩＮ１８８０６的第一部分，形成ＳＲＣ柱草案，并于１９８４年形成正式版本。１９８５年由英、德、法及荷兰四国共同制定了欧洲组合结构设计规范Ｅｕｒｏｃｏｄｅｓ（Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｄｅｓ，　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｕｒｏ－ｐｅａｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ）。此规范假定型钢与混凝土完全交互作用，构件截面仅有一个对称轴，将型钢与混凝土均按矩形应力块理论考虑，采用极限强度设计方法设计。

日本从１９５１年起开始对ＳＲＣ结构进行了全面系统的研究，１９５８年制定了《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》，此标准的最大特点是在承载力计算方面采用了强度叠加理论。从１９６３年到１９８７年，该标准先后进行了四次修订，最终成为ＳＲＣ结构设计规范第三版（ＡＩＪ－ＳＲＣ），基本形成较为完整的设计理论和方法［５］。该规范在忽略混凝土抗拉强度、遵从平截面假定及不考虑型钢与混凝土之间的粘结力等条件下，以“强度叠加法”作为理论基础。日本持续研究和发展ＳＲＣ结构，主要是由于日本是多地震国家。

经过几年的研究和工程实践，参考日本钢骨混凝土设计标准［６］，１９９８年我国冶金部颁布了我国第一部行业标准《钢骨混凝土结构设计规程ＹＢ９０８２－９７》。此规程基本沿用了日本标准的设计方法，包括其名称在内。将型钢作为等效钢筋，参照我国的混凝土规范及国内外有关规范规程，２００２年建设部颁布了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》（ＪＧＪ１３８－２００１）。此规程中的设计方法与我国的混凝土规范相近。

２　国内外型钢混凝土结构的发展

从２０世纪５０年始，很多学者对ＳＲＣ构件的性能进行大量试验和研究，在计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量工作。

３　型钢混凝土结构设计方法比较［７］

综上所述，日本、美国等国的ＳＲＣ结构

（ａ）ＳＲＣ梁　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）　ＳＲＣ柱

图１　常用的ＳＲＣ梁、柱构件截面形式

设计各具特色，下面分别阐述其优缺点。３．１　ＳＲＣ结构设计规范使用范围

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工　程　技　术

考虑型钢受拉翼缘影响的基础上，计算裂缝宽度。综上所述，两者在计算原理上存在差别，《钢骨规程》采用的是叠加原理，而《型钢规程》中除刚度计算、抗剪计算也采用叠加原理外，压弯承载力计算和裂缝计算是将型钢受拉翼缘等效为钢筋，按平截面假定计算。

美国ＮＥＨＲＰ设计规范包括钢与混凝土组合结构的全部内容，即包括组合构件、连接及结构体系等部分，并纳入了组合结构的抗震设计规定；美国的ＡＣＩ和ＡＩＳＣ－ＬＲＦＤ的设计规范仅包括组合构件的设计，没有考虑结构的抗震问题。日本的ＡＩＪ－ＳＲＣ结构设计规范包括梁、柱、连接及剪力墙等部分，并且包括结构抗震设计问题。

３．２　ＳＲＣ结构设计方法

美国的ＳＲＣ结构设计规范均采用极限强度设计方法。ＮＥＨＲＰ主要以直接引用ＡＩＳＣ－ＬＦＲＤ和ＡＣＩ规范为主，对ＳＲＣ构件的设计方法主要依据换算截面法，对构件强度计算时需要考虑型钢与混凝土之间的剪力传递。日本ＡＵ－ＳＲＣ设计规范采用二次设计法。一次设计按正常使用极限状态设计．二次设计以极限强度验算保证有水平承载能力。这种方法主要是以强度叠加法为理论基础，忽略型钢与混凝土之间的握裹力。强度叠加有两种方法，其一是“简单叠加法”，即简单地将型钢与钢筋混凝土分别所承担的弯矩进行叠加，不考虑构件轴力作用，结果偏于保守；其二是“一般叠加法”。即将型钢和钢筋混凝土分别所承担的弯矩进行叠加，同时又考虑构件轴力作用，计算上较为复杂，但可以得到经济的断面。

３．３　ＳＲＣ结构强度设计

ＳＲＣ受弯构件强度。美国的ＮＥＨＲＰ规范依据ＡＩＳＣ－ＬＲＦＤ的规定计算，即采用换算截面法，只计算型钢塑性抗弯强度；日本ＡＩＪ—ＳＲＣ规范采用强度叠加原理进行计算；前苏联将ＳＲＣ受弯构件按中和轴位置不同分三种情况，然后按钢筋混凝土受弯构件计算方法计算。

ＳＲＣ受压构件强度。美国的ＮＥＨＲＰ规范依据ＡＩＳＣ－ＬＲＦＤ的规定采用换算截面法，并规定轴向的截面钢材面积不得低于ＳＲＣ构件全截面面积的４％，否则应以钢筋混凝土构件进行设计；日本ＡＩＪ—ＳＲＣ规范采用强度叠加原理进行设计，并规定截面钢材面积不得低于ＳＲＣ构件全截面面积的０．８％：前苏联ＳＲＣ构件按钢筋混凝土受压构件方法设计。

ＳＲＣ受弯构件抗剪强度。美国ＮＥＨＲＰ设计规范只计算型钢抗剪强度，忽赂了箍筋和混凝土的抗剪强度贡献．ＡＣＩ规范中只考虑了混凝土和箍筋的抗剪强度，忽略了型钢抗剪强度的贡献：日本ＡＩＪ—ＳＲＣ规范采用分别计算型钢和钢筋混凝土的抗剪强度，然后进行叠加计算；前苏联的ＳＲＣ结构设计指南Ｃ１１３—７８中计算型钢腹扳、箍筋抗剪强度，忽略混凝土的抗剪强

度贡献。美国ＮＥＨＲＰ规范偏于保守。

ＳＲＣ受压构件抗剪强度。日本ＡＩＪ—ＳＲＣ规范中对ＳＲＣ受压构件的抗剪强度，分别考虑长期与短期荷载效应，即，在长期荷载作用下，采用等值换算截面法；在短期荷载作用下，采用分别计算型钢和钢筋混凝土的抗剪强度，然后进行叠加计算。美国ＮＥＨＲＰ规范同时考虑了型钢和箍筋所能提供的剪力强度，忽略了混凝土剪力强度贡献，其中型钢抗剪强度直接采用了ＡＩＳＣ—ＬＲＦＤ的规定计算方法，而内部箍筋抗剪强度沿用了ＡＣＩ规范中的钢筋混凝土结构抗震设计中的箍筋设计；前苏联ＳＲＣ构件按钢筋混凝土受压构件设计方法设计。比较可知，美国设计规范偏于保守。３．４　ＳＲＣ结构的构造要求

美国规范对ＳＲＣ结构的构造基本上采用了ＡＣＩ规范中的规定，在箍筋配置上采用了ＡＣＩ抗震设计中箍筋配置的内容。日本规范及前苏联规范在箍筋配置均没有从抗震方面考虑。

作为行业标准，我国的《钢骨混凝土结构设计规程（ＹＢ９０８２－９７）》就采用了日本规范ＡＩＪ—ＳＲＣ的简单叠加法。

在试验及理论研究的基础上，我国学者也提出了多种计算方法，反映在规范规程上，有冶金部的《钢骨混凝土结构设计规程（ＹＢ９０８２－９７）》（以下简称《钢骨规程》）和建设部的《型钢混凝土组合结构技术规程》（ＪＧＪ１３８－２００１）（以下简称《型钢规程》）。《钢骨规程》参照日本规范的叠加方法，进一步提出了较为准确的轴力分配方法，称为改进简单叠加法。改进简单叠加方法与理论方法和一般叠加法基本吻合。在《钢骨规程》中，无论是构件的承载力计算还是刚度、裂缝验算，均采用叠加原理，原理清晰，计算简单。在《型钢规程》中，构件的承载力计算采用平截面假定，钢骨与混凝土变形协调，通过构件内里平衡方程求解构件承载力。在承载力计算中，公式较为复杂，适合于已知各配筋条件的承载力验算，而已知内力求配筋则计算复杂。刚度计算采用钢筋混凝土与型钢钢骨两部分刚度叠加的方法，与《钢骨规程》相近，计算公式有稍有差异。在《钢骨规程》长期刚度的计算中，混凝土收缩、徐变的影响仅考虑混凝土部分的影响，但《型钢规程》中没有区分钢骨部分和型钢部分，公式中用的是整体刚度。受弯构件裂缝计算两者也不一致，《型钢规程》中将型钢受拉翼缘简化为等效钢筋，并考虑型钢腹板的部分影响；《钢骨规程》中采用叠加原理，通过弯矩分配，计算混凝土部分承担的弯矩，在

４　结束语

近年来，随着型钢混凝土构件研究的深入及计算理论的逐步成熟，型钢混凝土的研究逐步由构件转向体系，由普通混凝土转向高性能混凝土，由单一型钢混凝土体系的研究转向型钢混凝土与混凝土、钢及预应力技术相组合所产生的新的结构体系的研究。

参考文献

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