钢骨混凝土组合结构发展与减震理论基础

田林林　李秋明　周彪

摘要：针对钢骨混凝土组合结构在现今土木工程中的重要性，探索其国内外的发展，由于城市化的建设，对建筑的高度和跨度要求，因此结构的消能减震能力是研究人员更为关注的。减震是结构被动控制之一，减震设计理论基础是发展和完善抗震的依据。结构受到地震能量破坏时对能量的分配和吸收是合理安装减震装置的依据。本文只是简单的介绍SRC发展和减震相关知识。

关键词：钢骨混凝土组合结构；消能减震；被动控制；理论基础

前言

随着经济快速发展，城市化进程与建筑技术的进步，超高层大跨度已经成为建筑结构的发展主要方向之一。由混凝土包裹的钢骨混凝土结构（SRC），充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点。钢骨混凝土组合结构是在钢筋混凝土内部埋置型钢或焊接钢构件的钢骨混凝土结构与钢筋混凝土结构共同作用而形成的一种组合结构。钢骨混凝土结构主要有梁、柱、墙、板等组合构件。

近几年国内外科学研究者从结构材料和安装减震装置来提高整体建筑的抗震能力，从经济和使用为出发点看取得了很大进步。减小地震灾害的根本途径就是要提高建筑物的抗震性能。本介文绍了钢骨混凝土组合结构，国内外发展及其特点，着重介绍对组合结构的减震消能理论基础。

一、钢骨混凝土组合结构的国内发展

在我国，20世纪50年代就开始有钢骨混凝土结构应用，但当时主要是根据苏联的设计方法将钢骨混凝土结构应用于工业厂房，比如包头电厂的主厂房就是由前苏联技术人员设计、我国工程人员施工建成的早期钢骨混凝土结构。这一时期的钢骨混凝土结构主要以空腹式为主，且不配纵筋和箍筋。我国对钢骨混凝土结构的系统研究是从20世纪80年代开始的。

由此可见，近年来，随着我国多高层建筑的迅速发展，钢骨混凝土组合结构在工程中己经得到了一些应用，并已初步显示出其对多、高层建筑在大跨度、大荷载情况下的设计优化，对改善结构抗震性能、减小构件截面尺寸、提高建筑的综合经济指标等方面的巨大潜力。

二、钢骨混凝土组合结构的工程应用

由于钢骨混凝土组合结构充分发挥了钢骨混凝土与钢筋混凝土两种结构的优点，因而在高层及超高层建筑中得到了广泛应用，例如香港中银大厦由贝聿铭合营建筑事务所设计。棱镜形建筑，高76层。采用空间桁架体系作为支撑体系，承受两个方向的侧向力和全部重量。为使空间桁架系统连续，没有采用三维钢结构焊接节点，而是将其浇筑在钢筋混凝土角柱中，形成一个整体。浇筑在钢柱周围的混凝土作为建立传递机构，平衡各桁架的偏心。

三、钢骨混凝土组合结构减震理论基础

1.钢骨混凝土组合结构减震研究发展

傳统的建筑抗震设计依据是以规范中的设防烈度为依据[1]，采用了建筑结构自身的刚度性能、强度性能和耗能能力来抵抗地震作用，减缓或减弱地震能量。根据传统观念国内为已经使建筑结构本身得到了很高的发展，钢骨混凝土结构就是很好的应用，提高了建筑结构的刚度、强度、和延性等性能，来达到了结构的减震作用。

但实际上依赖建筑自身和建筑基础消耗地震作用能量，会使建筑结构自身受到严重损耗更严重导致结构的扭曲坍塌。

1995年，赵世春，黄雄军，夏招广[2]对1榀单跨两层的由 SRC 梁和柱组成的框架进行拟动力试验。试件按照“弱柱强梁”设计，着重研究这种薄弱框架的抗震性能。结果表明，SRC 框架的滞回曲线比较饱满，捏拢现象不明显，耗能能力较强； Kazuhiro等[3] 进行了钢筋混凝土柱-钢梁和钢骨混凝土柱-钢梁的单榀单层框架低周往复加载试验， 观察了破坏特征。

2.组合结构的消能减震能量分析

钢骨混凝土组合结构[4]减震研究主要是分析消能减震，其属于被动控制的中的方法之一，是在建筑结构中斜撑、剪力墙、和斜拉锁等非承重构件设计为消能结构，或者在结构中安装阻尼装置（粘滞阻尼器等）。

从式（1-1）可以看出，要想减弱结构在地震作用下的反应，可以有三个途径：（1）可以改变结构的质量和刚度，来使结构的自振频率改变 ；（2）增加结构自身的阻尼系数；（3）在结构上施加外部荷载或者输入能量来提高结构的耗能效果。

四、建筑结构性能水平与性能目标

我国修正的抗震规范（GB50011）[7]将地震等级划分为小震、中震和大震三重等级。性能水平是根据建筑物本身在受到可能遇到的地震破坏的预期严重毁坏或可接受的破坏极限。建筑物毁坏估计包括建筑结构承重构件和非承重结构构件的毁坏造成的一切后果。

美国各研究机构对性能的划分条件不一致，但各差距也不大。美国SEAOC将其划分为四个不同等级。四个性能水平等级为：

1.功能正常，建筑结构主体结构和非结构构件没有受到严重毁坏，建筑结构可以正常使用。

2.可以使用，建筑结构主体构件没有严重毁坏，保持地震之前的强度和延性，非结构构件受到毁坏，但经过修整可正常使用。

3.生命安全，建筑结构主体构件严重毁坏，刚度、强度和延性退化，但没有到达坍塌的程度，非结构构件大部分失去功能，经过一段阶段抢修才能居住。

4.防止倒塌，建筑结构主体构件和非结构构件毁坏严重，结构的强度、刚度和延性基本退化，很快达到倒塌程度，不能居住。

我国抗震规范是以地震破坏等级为标准，根据震后的大量数据和实际对建筑结构损害程度，把结构的性能水平划分为五种：

4.1基本完好，承重构件完好，个别非承重构件轻微破坏，装饰结构有部分毁坏一般不需修理即可继续使用。

4.2轻微损坏，个别承重构件轻微裂缝，个别非承重构件破坏明显，装饰结构破坏严重，需要简单修理可以继续使用。

4.3中等破坏，多数承重构件轻微裂缝，部分明显裂缝，非承重构件破坏严重，需要一般修理，对部分构件进行检查，应用安全措施后可将就使用。

4.4严重破坏，多数承重构件严重破坏或部分倒塌塌应。要进行全方面的排险大修，危险部分拆除。

4.5倒塌，多数承重构件倒塌，需全部拆除。

我国抗震规范明确规定性能目标“两阶段设计，三水准设防”表明三个层次的性能目标：大震不坏、中震可修、大震不倒。对应的建筑地震设计采用抗震水准有低至高。对于不同环境和不能应用的建筑物合理规定性能目标来保证建筑结构在受到地震作用能保证财产和生命的安全，使性能化的抗震设计理念更全面的应用在实际工程。

五、结束语

本章介绍了钢骨混凝土组合结构的国内为发展和实际应用，组合结构在未来的建筑的应用研究更为重要与迫切。对组合结构的减震消能控制研究[6]更有效的解决了建筑受到地震作用时主体结构的耗能压力，采用被动控制是最有效、最普遍和经济的方法。根据地震作用时地震能量在建筑结构中的消耗具体情况做了分析。在对减震消能研究前提下，介绍了抗规对抗震性能的设计方法和建筑性能目标的规定。

参考文献：

[1]王亚勇， 戴国莹.《建筑抗震设计规范》的发展沿革和最新修订[J]. 建筑结构学报， 2010， 06：7-16.

[2]赵世春，黄雄军，夏招广. SRC 单跨两层框架结构拟动力地震反应试验研究[J].西南交通大学学报，1995，30（4）：360-367.

[3]白晓红， 白国良. 新型钢-混凝土组合结构的应用与展望[J]. 工业建筑， 2006， S1：521-527.

[4]聂建国， 陶慕轩， 黄远 等. 钢-混凝土组合结构体系研究新进展[J]. 建筑结构学报， 2010， 06：71-80.

[5]叶列平， 方鄂华. 钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J]. 土木工程学报， 2000， 05：1-12.

[6]杨昊明. 钢与混凝土组合结构技术分析[J]. 科技创新与应用， 2015， 15：240.

[7]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.