曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究進展

曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

介紹了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、數(shù)值分析和實驗結(jié)果以及國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合當前的研究特點總結(jié)了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)將來有待研究的問題，以進一步掌握型鋼混凝土的特性，為型鋼混凝土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，研究，理論，數(shù)值模擬

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，建筑開始向著使用的多功能、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、樓層更高的方向發(fā)展。根據(jù)建筑力學(xué)的知識，隨著樓層的增加，樓層所受荷載也會成倍增加，同時整個建筑受到的承載力逐漸增加。采用普通鋼筋混凝土的承載柱已經(jīng)無法滿足高層建筑中的力學(xué)要求。隨著不同的混凝土結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的鋼混凝土結(jié)構(gòu)，具有許多不同于其他混凝土的特點。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有力學(xué)性能優(yōu)異、施工難度小、運輸方便等特點，所以型鋼混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多高層建筑結(jié)構(gòu)中[1]。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是將型鋼與混凝土進行結(jié)合，將混凝土澆筑于型鋼的外圍，同時在澆筑過程中，再配有適量的橫向和縱向鋼筋，最后將混凝土、型鋼、鋼筋、箍筋形成有機的整體。根據(jù)相關(guān)的土建知識，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)配鋼樣式的不同，可以分為實腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和空腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。實腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要是將工字鋼或“H”鋼等與混凝土相結(jié)合?？崭故叫弯摶炷两Y(jié)構(gòu)主要是將角鋼或槽鋼等與混凝土相結(jié)合。實腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要承受拉彎組合的承載結(jié)構(gòu)?？崭故叫弯摶炷两Y(jié)構(gòu)主要承受彎扭組合的承載結(jié)構(gòu)。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力大、力學(xué)性能優(yōu)異、施工難度小、運輸方便等特點。型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)主要是由型鋼混凝土框架柱和型鋼混凝土框架梁組合而成。鑒于上述優(yōu)點，型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁土建、石化電力、市政工程等領(lǐng)域，可以達到控制承載結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、提高承載力，更好地滿足工程實際需要的效果。型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和工程優(yōu)點主要是力在框架梁、框架柱、鋼筋以及它們交叉的節(jié)點之間相互傳遞而體現(xiàn)出來的，并不是單一的框架梁、框架柱以及鋼筋的力學(xué)特性所能夠反映的。在型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)研究之前，首先應(yīng)對型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能進行深入的研究，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行整體把握[2]。

1 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)國家規(guī)范：GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[3]中規(guī)定，跨高比L/h≤5的簡支單跨梁或多跨連續(xù)梁被稱為深受彎構(gòu)件，當梁的跨高比L/h≤2時，被稱為深梁；當梁的跨高比L/h>5時，被稱為淺梁；而當梁的跨高比2

2 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的理論研究

白國良等[4]通過已有的實驗結(jié)果，建立了三種類型的實腹式型鋼混凝土梁正截面抗彎承載力計算公式和相應(yīng)驗算條件及中和軸的界限值。通過對實腹梁的計算，得到了三種實腹式型鋼混凝土梁的受力判別條件，既總括了各種受力情況又便于設(shè)計應(yīng)用。最后按照文中所得基本公式及適用條件，對12個實腹式型鋼混凝土梁進行計算，通過公式計算值與試驗結(jié)果相對比，得到的對比結(jié)果吻合較好。

邵永健等[5]研究了型鋼混凝土梁在受到剪力作用下，其斜截面的理論分析和計算方法，并根據(jù)所得到的理論計算公式與工程實例進行對比分析。文中基于工程實例，研究了33根試驗梁的試驗數(shù)據(jù)對型鋼混凝土梁的斜截面受到剪力作用下的計算公式。并采用結(jié)構(gòu)可靠度分析的一次二階矩法，對型鋼混凝土梁的斜截面受剪承載力計算公式進行了可靠度分析。

型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)作為重要的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將混凝土的力學(xué)性能和型鋼的力學(xué)性能進行了很好的融合。查閱大量資料，總結(jié)得到國內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的計算方法主要采用疊加法。而根據(jù)疊加法特性又可以分為一般疊加法[6]和簡單疊加法[7]兩種。對于一般疊加法，將混凝土的力學(xué)特性和型鋼的力學(xué)特性進行了耦合，綜合計算其力學(xué)性能，但是計算過程復(fù)雜。對于簡單疊加法，計算中沒有考慮混凝土和型鋼的耦合作用，而是單獨將混凝土的力學(xué)特性和型鋼的力學(xué)特性進行了簡單的線性疊加。鑒于以上的計算特點，一般疊加法的計算結(jié)果會更加準確，但計算結(jié)果過于繁瑣，可用于正式的計算。而簡單疊加法的計算過程簡單，可用于估算。周欽等[8]根據(jù)材料力學(xué)中的平面截面的假定，并忽略滑移變形，根據(jù)幾何模型的受力得到其變形協(xié)調(diào)方程，最后給出了型鋼混凝土梁截面形心處的軸心拉力Ns和型鋼混凝土梁截面形心處的彎矩Ms的計算公式為：

(1)

其中，Ns0為型鋼在初始時刻的軸心拉力，Ns0=fsA；Ms0為型鋼在初始時刻的彎矩，Ms0=fsWs。

Ms=(1-αs)Ms0

(2)

其中,fs為型鋼的標準抗拉設(shè)計強度；A為型鋼的截面面積；Ws為型鋼截面慣性矩。

此計算方法與《型鋼規(guī)程》[9]相比簡單易操作。與試驗結(jié)果相吻合，計算精度滿足規(guī)范要求。

3 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的實驗研究

國內(nèi)學(xué)者除了研究其理論外，還對型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，并取得了許多有益成果。蔡健等[10]在進行7根大比例尺寸型鋼混凝土梁試件的試驗研究基礎(chǔ)上，主要對箱形型鋼混凝土梁中的型鋼和混凝土的相互作用、相互影響的力學(xué)性能進行了初步研究，并討論了混凝土和型鋼的耦合方式對型鋼混凝土梁的力學(xué)特性的改善。研究結(jié)果得出，箱形型鋼混凝土梁的抵抗彎曲的力學(xué)性能很容易得到改善和提高，但是對于其抵抗剪力的力學(xué)性能還需要進一步的研究。

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁也是工程領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的一種結(jié)構(gòu)。但是目前國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁進行的試驗研究卻鳳毛麟角，徐杰等[11]研究了型鋼混凝土及預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁之間不同的力學(xué)性能，分別對8根預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁和6根普通型鋼混凝土梁進行了載荷對比實驗。

4 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

隨著計算機的發(fā)展，有限元等數(shù)值方法成為研究混凝土結(jié)構(gòu)性能的一種重要手段，通過有限元軟件可以得到不同結(jié)構(gòu)在不同載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)計算結(jié)果可以獲得結(jié)構(gòu)在不同階段的應(yīng)力應(yīng)變、變形機理等力學(xué)性能，同時也可以分析混凝土結(jié)構(gòu)的非線性問題。孫文君[12]基于混凝土的損傷模型，采用ABAQUS軟件對型鋼混凝土梁的非線性問題進行了分析，針對一箱形型鋼混凝土梁實驗的幾何模型進行數(shù)值分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析得出數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)相吻合。

任瑞等[13]為研究配槽鋼骨架型鋼混凝土梁的受扭性能，采用有限元分析方法對8個配槽鋼骨架的型鋼混凝土梁在純扭作用下的受力情況進行了研究，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析得出數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)相吻合。探討了型鋼混凝土梁在不同因素下受到扭轉(zhuǎn)作用而產(chǎn)生不同的力學(xué)性能。研究結(jié)果得到了試件受到扭轉(zhuǎn)作用下，試件隨著混凝土強度的增大而增大，隨著箍筋間距的增大而減小，隨著綴條間距的增大而減小的結(jié)論。

5 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)需要解決的問題

型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同載荷下容易產(chǎn)生裂縫，如彎曲裂縫、剪切裂縫。裂縫的產(chǎn)生就是相當于一次力的卸載，對于承重結(jié)構(gòu)，力的卸載是致命的。因此型鋼和混凝土還沒有充分發(fā)揮強度和剛度優(yōu)勢時，力已經(jīng)通過裂縫開始卸載，這在工程領(lǐng)域是完全不允許的。裂縫控制成為型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程中的重要問題之一。

目前對于型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的裂縫控制的研究還在起步階段，有關(guān)裂縫控制的研究還不是很完善，今后應(yīng)該在抗震方面展開充分的研究，以提供合理的抗震設(shè)計參數(shù)，便于工程應(yīng)用。

6 結(jié)語

本文對型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀做了一定的總結(jié)，探討了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)有待研究的問題。

[1] 趙小芹.型鋼混凝土深受彎構(gòu)件研究現(xiàn)狀與展望[J].江西建材,2014(9):1.

[2] 張芙蓉.型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與展望[J].建筑與文化,2011(10):116-117.

[3] GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 白國良,趙鴻鐵.實腹式型鋼混凝土梁抗彎承載力計算方法[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報,1999,31(3):211-214.

[5] 邵永健,閻 石.型鋼混凝土梁受剪承載力的計算及其可靠度分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,22(4):579-583.

[6] 方鄂華,葉列平.鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程總則及應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),1999(7):17-21.

[7] 周起敬.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

[8] 周 欽,劉進朝.型鋼混凝土梁受彎承載力的簡化計算[J].甘肅科技,2008,24(9):130-131.

[9] JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[10] 蔡 健,鄭 宇,楊 春，等.箱形型鋼混凝土梁的試驗研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,30(7):52-56.

[11] 徐 杰,傅傳國,戴 航,等.型鋼混凝土及預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁試驗研究[J].工程抗震與加固改造,2007,29(5):57-62.

[12] 孫文君.基于ABAQUS的型鋼混凝土梁三維非線性分析[J].福建建筑,2011(1):54-55.

[13] 任 瑞,薛建陽,陳宗平,等.槽鋼骨架型鋼混凝土梁受扭性能及有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,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

曲偉偉(1983- )，女，工程師

TU392.1

A