田林林　李秋明　周彪

摘要：針對(duì)鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)在現(xiàn)今土木工程中的重要性，探索其國(guó)內(nèi)外的發(fā)展，由于城市化的建設(shè)，對(duì)建筑的高度和跨度要求，因此結(jié)構(gòu)的消能減震能力是研究人員更為關(guān)注的。減震是結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制之一，減震設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是發(fā)展和完善抗震的依據(jù)。結(jié)構(gòu)受到地震能量破壞時(shí)對(duì)能量的分配和吸收是合理安裝減震裝置的依據(jù)。本文只是簡(jiǎn)單的介紹SRC發(fā)展和減震相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)；消能減震；被動(dòng)控制；理論基礎(chǔ)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程與建筑技術(shù)的進(jìn)步，超高層大跨度已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要方向之一。由混凝土包裹的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（SRC），充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點(diǎn)。鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼筋混凝土內(nèi)部埋置型鋼或焊接鋼構(gòu)件的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同作用而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要有梁、柱、墻、板等組合構(gòu)件。

近幾年國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究者從結(jié)構(gòu)材料和安裝減震裝置來(lái)提高整體建筑的抗震能力，從經(jīng)濟(jì)和使用為出發(fā)點(diǎn)看取得了很大進(jìn)步。減小地震災(zāi)害的根本途徑就是要提高建筑物的抗震性能。本介文紹了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展及其特點(diǎn)，著重介紹對(duì)組合結(jié)構(gòu)的減震消能理論基礎(chǔ)。

一、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)發(fā)展

在我國(guó)，20世紀(jì)50年代就開(kāi)始有鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用，但當(dāng)時(shí)主要是根據(jù)蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法將鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)廠(chǎng)房，比如包頭電廠(chǎng)的主廠(chǎng)房就是由前蘇聯(lián)技術(shù)人員設(shè)計(jì)、我國(guó)工程人員施工建成的早期鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。這一時(shí)期的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要以空腹式為主，且不配縱筋和箍筋。我國(guó)對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。

由此可見(jiàn)，近年來(lái)，隨著我國(guó)多高層建筑的迅速發(fā)展，鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)在工程中己經(jīng)得到了一些應(yīng)用，并已初步顯示出其對(duì)多、高層建筑在大跨度、大荷載情況下的設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)改善結(jié)構(gòu)抗震性能、減小構(gòu)件截面尺寸、提高建筑的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面的巨大潛力。

二、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

由于鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼骨混凝土與鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高層及超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，例如香港中銀大廈由貝聿銘合營(yíng)建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)。棱鏡形建筑，高76層。采用空間桁架體系作為支撐體系，承受兩個(gè)方向的側(cè)向力和全部重量。為使空間桁架系統(tǒng)連續(xù)，沒(méi)有采用三維鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)，而是將其澆筑在鋼筋混凝土角柱中，形成一個(gè)整體。澆筑在鋼柱周?chē)幕炷磷鳛榻鬟f機(jī)構(gòu)，平衡各桁架的偏心。

三、鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震理論基礎(chǔ)

1.鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震研究發(fā)展

傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計(jì)依據(jù)是以規(guī)范中的設(shè)防烈度為依據(jù)[1]，采用了建筑結(jié)構(gòu)自身的剛度性能、強(qiáng)度性能和耗能能力來(lái)抵抗地震作用，減緩或減弱地震能量。根據(jù)傳統(tǒng)觀(guān)念國(guó)內(nèi)為已經(jīng)使建筑結(jié)構(gòu)本身得到了很高的發(fā)展，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)就是很好的應(yīng)用，提高了建筑結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、和延性等性能，來(lái)達(dá)到了結(jié)構(gòu)的減震作用。

但實(shí)際上依賴(lài)建筑自身和建筑基礎(chǔ)消耗地震作用能量，會(huì)使建筑結(jié)構(gòu)自身受到嚴(yán)重?fù)p耗更嚴(yán)重導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭曲坍塌。

1995年，趙世春，黃雄軍，夏招廣[2]對(duì)1榀單跨兩層的由 SRC 梁和柱組成的框架進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)。試件按照“弱柱強(qiáng)梁”設(shè)計(jì)，著重研究這種薄弱框架的抗震性能。結(jié)果表明，SRC 框架的滯回曲線(xiàn)比較飽滿(mǎn)，捏攏現(xiàn)象不明顯，耗能能力較強(qiáng)； Kazuhiro等[3] 進(jìn)行了鋼筋混凝土柱-鋼梁和鋼骨混凝土柱-鋼梁的單榀單層框架低周往復(fù)加載試驗(yàn)， 觀(guān)察了破壞特征。

2.組合結(jié)構(gòu)的消能減震能量分析

鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)[4]減震研究主要是分析消能減震，其屬于被動(dòng)控制的中的方法之一，是在建筑結(jié)構(gòu)中斜撐、剪力墻、和斜拉鎖等非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)為消能結(jié)構(gòu)，或者在結(jié)構(gòu)中安裝阻尼裝置（粘滯阻尼器等）。

從式（1-1）可以看出，要想減弱結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，可以有三個(gè)途徑：（1）可以改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度，來(lái)使結(jié)構(gòu)的自振頻率改變 ；（2）增加結(jié)構(gòu)自身的阻尼系數(shù)；（3）在結(jié)構(gòu)上施加外部荷載或者輸入能量來(lái)提高結(jié)構(gòu)的耗能效果。

四、建筑結(jié)構(gòu)性能水平與性能目標(biāo)

我國(guó)修正的抗震規(guī)范（GB50011）[7]將地震等級(jí)劃分為小震、中震和大震三重等級(jí)。性能水平是根據(jù)建筑物本身在受到可能遇到的地震破壞的預(yù)期嚴(yán)重毀壞或可接受的破壞極限。建筑物毀壞估計(jì)包括建筑結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件和非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的毀壞造成的一切后果。

美國(guó)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)性能的劃分條件不一致，但各差距也不大。美國(guó)SEAOC將其劃分為四個(gè)不同等級(jí)。四個(gè)性能水平等級(jí)為：

1.功能正常，建筑結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒(méi)有受到嚴(yán)重毀壞，建筑結(jié)構(gòu)可以正常使用。

2.可以使用，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件沒(méi)有嚴(yán)重毀壞，保持地震之前的強(qiáng)度和延性，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到毀壞，但經(jīng)過(guò)修整可正常使用。

3.生命安全，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件嚴(yán)重毀壞，剛度、強(qiáng)度和延性退化，但沒(méi)有到達(dá)坍塌的程度，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分失去功能，經(jīng)過(guò)一段階段搶修才能居住。

4.防止倒塌，建筑結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件毀壞嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性基本退化，很快達(dá)到倒塌程度，不能居住。

我國(guó)抗震規(guī)范是以地震破壞等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)震后的大量數(shù)據(jù)和實(shí)際對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損害程度，把結(jié)構(gòu)的性能水平劃分為五種：

4.1基本完好，承重構(gòu)件完好，個(gè)別非承重構(gòu)件輕微破壞，裝飾結(jié)構(gòu)有部分毀壞一般不需修理即可繼續(xù)使用。

4.2輕微損壞，個(gè)別承重構(gòu)件輕微裂縫，個(gè)別非承重構(gòu)件破壞明顯，裝飾結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，需要簡(jiǎn)單修理可以繼續(xù)使用。

4.3中等破壞，多數(shù)承重構(gòu)件輕微裂縫，部分明顯裂縫，非承重構(gòu)件破壞嚴(yán)重，需要一般修理，對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行檢查，應(yīng)用安全措施后可將就使用。

4.4嚴(yán)重破壞，多數(shù)承重構(gòu)件嚴(yán)重破壞或部分倒塌塌應(yīng)。要進(jìn)行全方面的排險(xiǎn)大修，危險(xiǎn)部分拆除。

4.5倒塌，多數(shù)承重構(gòu)件倒塌，需全部拆除。

我國(guó)抗震規(guī)范明確規(guī)定性能目標(biāo)“兩階段設(shè)計(jì)，三水準(zhǔn)設(shè)防”表明三個(gè)層次的性能目標(biāo)：大震不壞、中震可修、大震不倒。對(duì)應(yīng)的建筑地震設(shè)計(jì)采用抗震水準(zhǔn)有低至高。對(duì)于不同環(huán)境和不能應(yīng)用的建筑物合理規(guī)定性能目標(biāo)來(lái)保證建筑結(jié)構(gòu)在受到地震作用能保證財(cái)產(chǎn)和生命的安全，使性能化的抗震設(shè)計(jì)理念更全面的應(yīng)用在實(shí)際工程。

五、結(jié)束語(yǔ)

本章介紹了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)為發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，組合結(jié)構(gòu)在未來(lái)的建筑的應(yīng)用研究更為重要與迫切。對(duì)組合結(jié)構(gòu)的減震消能控制研究[6]更有效的解決了建筑受到地震作用時(shí)主體結(jié)構(gòu)的耗能壓力，采用被動(dòng)控制是最有效、最普遍和經(jīng)濟(jì)的方法。根據(jù)地震作用時(shí)地震能量在建筑結(jié)構(gòu)中的消耗具體情況做了分析。在對(duì)減震消能研究前提下，介紹了抗規(guī)對(duì)抗震性能的設(shè)計(jì)方法和建筑性能目標(biāo)的規(guī)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亞勇， 戴國(guó)瑩.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的發(fā)展沿革和最新修訂[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010， 06：7-16.

[2]趙世春，黃雄軍，夏招廣. SRC 單跨兩層框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，30（4）：360-367.

[3]白曉紅， 白國(guó)良. 新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與展望[J]. 工業(yè)建筑， 2006， S1：521-527.

[4]聶建國(guó)， 陶慕軒， 黃遠(yuǎn) 等. 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系研究新進(jìn)展[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010， 06：71-80.

[5]葉列平， 方鄂華. 鋼骨混凝土構(gòu)件的受力性能研究綜述[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2000， 05：1-12.

[6]楊昊明. 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2015， 15：240.

[7]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.