劲性型钢混凝土结构理论与设计方法

彭韶欢

该文简要地介绍了型钢泥凝土组合结构。综合国内外有关资料总结了型钢泥凝土在国内外研究和应用以及设计方法，对需要进一步开展的研究工作进行了探讨。

型钢混凝土（SRC）结构是以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋和浇筑混凝土的埋入式组合结构体系，这种结构体系在日本称之为钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete）。在英、美等西方国家称之为混凝土包钢结构（Steel Encased Concrete），在前苏联则称之为劲性钢筋混凝土结构。这类结构主要用来构成建筑物的梁和柱，主要用于高层建筑结构中，特别是应用于抗震设防地区的高层建筑结构中。内含型钢可分为实腹式和空腹式两大类：实腹式型钢通常采用由钢板焊接拼制成或直接轧制而成的工字型、口字型、十字型截面。空腹式型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而成。空腹式型钢由于制作简便、承载力大，以及良好的抗震性能，目前被广泛采用。

型钢混凝土结构在日本的应用和研究

SRC结构在日本应用较早，应用极为广泛，相关研究和试验也在国际上处于领先地位。20世纪20年代，日本在一些工程中开始采用SRC结构。1930年以前，日本的SRC结构以钢骨为主要配筋，钢筋只是辅助性的。从1930～1970年，日本的SRC结构以空腹式钢骨为主要形式；1970年以后，日本的SRC结构则以实腹式钢骨为主。1964年以前SRC结构主要应用在6～10层的建筑物上，1964年以后开始应用到超高层建筑上。根据统计：1981～1985年间，6层以上的建筑物中，采用SRC结构的栋数占总栋数的45.2%，采用SRC结构的栋数占总面积的62.8%。截止到目前，SRC结构的工程应用日益广泛，它与钢结构、木结构、和RC结构并列为四大结构之一。

19世纪20年代，日本就开始做SRC结构的有关试验。1928年齐田时太郎做了轴心受压柱试验，1929年槟田捻做了偏心受压柱试验，1932年内藤多仲做了梁柱节点试验，1937年棚桥做了梁的试验。1951年日本建筑学会成立了SRC结构分会，开始对SRC结构进行了全面系统的研究。1958年第一次制定了《钢骨混凝土结构设计标准》，并前后进行了三次修订，基本上形成较为完整的设计理论和方法。

型钢混凝土结构在欧美的应用和研究

SRC结构在欧美的应用虽不及在日本广泛，但是欧美应用SRC结构的时间更早。欧美国家的工程技术人员最初是为了满足钢结构的防火要求，在钢结构外包上混凝土，称为混凝土包钢结构。1902年加拿大学者Mackay进行了混凝土内埋型钢的空腹式SRC梁的试验，认为混凝土与型钢具有协同工作的性能。1908年Burr做了空腹式SRC柱的试验，发现混凝土外壳使柱的强度明显提高。但是，在很长的时间内，混凝土包钢结构仍按照普通钢结构设计，并不考虑混凝土外壳对构件强度和刚度的提高。19世纪40年代后，欧美国家的工程技术人员开始意识到外包混凝土对提高刚度的有利作用，在考虑折算刚度后仍按照普通钢结构设计。美国在《钢筋混凝土房屋建筑规范》（ACI318～89）中有“组合受压构件”的专门规定。英国在《英国标准BS5400》（1978～83）规程中也列有SRC柱的技术规定。折算刚度法一直沿用，并编入1985年欧洲统一规范EC4《组合结构》。

型钢混凝土结构在东欧国家的应用和研究

前苏联在二次世界大战后，为了加快恢复重建，采用了大量的SRC结构。1951年苏联电力建设部出版了劲性钢筋混凝土结构设计规范，主要是关于空腹式钢骨混凝土梁和柱以及框架结构的设计规定，但是钢骨混凝土构件中没有设置柔性钢筋和箍筋。1978年苏联混凝土结构研究所编制了（劲性混凝土结构设计指南》（CN3-78），它是以实腹式SRC构件为主要内容，强调必须设置柔性钢筋和箍筋。对SRC梁的正截面计算根据中和轴不经过型钢、经过型钢和经过型钢翼缘3种情况而定。对SRC柱采用将型钢折算成等效混凝土，由此求其偏心距增大系数。在计算临界荷载时，考虑荷载偏心距，柱子长细比，荷载作用时间等影响。

型钢混凝土结构在我国的应用和研究

50年代初，我国从前苏联引进了SRC结构，内蒙古电厂的主厂房和鞍山钢铁公司的沉铁炉基础是由前苏联设计，由我国施工的SRC结构，后来由于片面追求节省钢材，其应用只限于少量工业厂房和特殊结构，并于60年代末，这种结构几乎停止使用。80年代后，随着我国建筑业迅猛发展，SRC结构又一次在全国兴起。北京的国际贸易中心和京广大厦等超高层建筑的底部几层都是SRC结构；北京香格里拉饭店高24层，其柱子为型钢混凝土柱，而梁采用组合梁；北京燕莎中心、大连渤海大酒店以及上海的金茂大厦等都采用了型钢混凝土结构。其中金茂大厦是目前我国采用SRC结构的最高建筑物。但总体来说，SRC结构在我国应用相当有限。

我国对型钢混凝土的研究起步较晚，自20世纪80年代才开始对型钢混凝土结构进行较系统的研究。西安建筑科技大学与原冶金部建筑研究总院最早开始研究。1986年国家计委工程建筑国家标准规范重点科研项目“混凝土结构设计规范第四批科研课题”将“型钢混凝土结构性能及方法”列为研究课题之一，组成专门研究课题组，进行了一系列的试验研究，并负责编写技术规程。经过多年的试验研究和工程实际应用，参考日本的SRC结构设计标准，1998年冶金工业部颁发了我国第一部型钢混凝土结构行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97）。

型钢混凝土现有设计方法简介

目前国内外型钢混凝土结构计算理论主要有三种：

基于钢结构的计算方法并考虑外围混凝土作用。这种方法主要是欧美国家采用。适用于用钢量较大的情况。

基于钢筋混凝土结构的设计方法，认为型钢和混凝土共同工作的。前苏联采用这种方法。

叠加方法。即将型钢部分和钢筋混凝土部分承载力叠加。日本主要采用这种方法。现有的不同理论各有千秋，有待于进一步发展。在我国，《钢骨规程》采用简单叠加方法；《型钢规程》采用基于钢筋混凝土结构的设计方法。

针对型钢混凝土结构的研究与应用现状，笔者认为应进一步研究的课题有：SRC结构的动力性能，特别是抗震性能；型钢初应力以及混凝土徐变对SRC结构性能影响：节点性能；高性能SRC结构力学性能；可靠度；SRC结构粘结强度；SRC在桩基中的应用；型钢轻骨料混凝土组合构件性能。目前我国高层发展迅速，建筑体型和建筑功能越来越复杂，而我国大部分的沿海经济发达地区均为要求进行抗震设防的地区。由于SRC结构具有良好的抗震性能和较高的承载能力，SRC结构在我国有着非常广阔的发展和应用前景。