型钢混凝土结构动力性能研究现状及发展

(西南科技大学土木与建筑学院 四川 绵阳 621010)

型钢混凝土结构动力性能研究现状及发展

管旭

(西南科技大学土木与建筑学院四川绵阳621010)

型钢混凝土结构具有优良的抗震性、耐火性，其强度高，稳定性、耐久性好，近年来在我国蓬勃发展。本文就型钢混凝土结构动力性能方面的研究进展做出总结。主要针对抗震、抗火、抗爆等动力性能方面，对该结构的研究现状及其发展给出全方位详细归纳，同时指出研究过程中尚存的不足，为其进一步应用于土木工程建筑中提供一定的方向指引。

型钢混凝土；动力性能；现状及发展

一、引言

随着中国各行业蓬勃发展，科学技术不断进步，传统建筑结构也面临不断被革新和颠覆，对建筑结构的工作性能要求越来越高，型钢混凝土结构其独特的力学性能和经济效益正在逐步向土木工程领域扩展，目前已经得到建筑行业诸多青睐。正因如此，国内外专家一直在对型钢混凝土进行研究。了解和认识型钢混凝土结构的动力性能意义重大。

二、型钢混凝土结构概述

型钢混凝土结构，也称型钢混凝土组合结构，英文名“Steel Reinforced Concrete Structure”，简称SRC结构。该结构是在混凝土中主要配置型钢同时辅以钢筋的一种新型结构形式。型钢混凝土结构由于在混凝土中增加了型钢，相比于以往的混凝土结构，无论在抗震性能还是刚度特性方面都得到了提升，具有较好的抗风、抗震以及抗爆性能，同时相比于钢结构又具有经济性好，耐火性强的特点。其结构施工方便，能有效缩短工期，综合效益好，在国内外高层建筑中得到广泛应用，对高层建筑的发展具有重要的经济与社会价值。

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(Reinforced Concrete,简称RC)构件基本相同。目前在抗震结构中多采用实腹式SRC构件。

SRC结构应用到建筑结构中时，可以全部结构构件均采用型钢混凝土，也可以部分结构构件采用型钢混凝土。目前，国内外将型钢混凝土构件主要应用于框架结构、框架—剪力墙结构、底部剪力墙结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构等结构体系中。

世界上最早的型钢混凝土结构出现在欧美，其发展初衷是为了提高钢结构的防火和耐久性能，设计计算理论也是基于钢结构理论，不考虑混凝土对强度和刚度的影响。总体来看，欧美国家在型钢混凝土结构在公路、桥梁、海洋工程领域的使用多于建筑结构。我国最早是上世纪50年代开始应用型钢混凝土结构，最初主要用于工业厂房。上世纪80年代以后，迅速被应用到高层、超高层民用建筑中。

型钢、纵向钢筋和箍筋、混凝土构成了型钢混凝土结构。从其受力性能来看，其基本属于钢筋混凝土的范畴。由于型钢混凝土之间的粘结作用，型钢才能与混凝土共同工作、共同承担荷载，组合成一种真正的“组合”结构。

试验研究结果表明，未设置剪力连接件的构件，在荷载约达到极限荷载的80%前，型钢与混凝土基本上能共同工作，在80%极限荷载以后，二者间有较大的相对滑移产生，变形不能协调一致。因此，SRC结构设置抗剪连接件至关重要！其关键技术：

(1)与不同材料的连接节点

(2)避免沿高度因结构类型改变引起的承载力和刚度突变

(3)为确保型钢与混凝土共同工作应充分考虑型钢混凝土的粘结滑移性能，必要时设置抗剪连接件和配置纵筋和箍筋。

三、抗震研究现状及发展

(一)抗震性能优越

型钢混凝土结构具有承载能力高、刚度大及抗震性能好的优点，目前已普遍应用于大跨结构和地震区的高层建筑，特别是超高层建筑，多采用型钢混凝土组合结构。与普通钢筋混凝土结构(RC)相比，型钢混凝土构件的抗剪承载能力得到很大提高，并改善了受剪破坏时的脆性性质，具有更高的强度和良好的延性，从而提高了结构的抗震性能。

SRC结构在日本经历了1923年关东大地震却基本保持完好，其优越的抗震性能逐渐显现；在1964年新涛地震以来的多次大地震中SRC结构所表现出的优越抗震性能，使得型钢混凝土结构在日本得到了广泛的推广应用，其良好的抗震性能在1995年日本阪神地震中再次得到很好的实证。目前在日本六层以上的建筑物中采用型钢混凝土结构的建筑物已占总建筑面积的62.8%。日本等国家的震害经验表明型钢混凝土结构具有比钢筋混凝土结构更优越的抗震性能。我国也是地震多发区，在我国推广发展SRC结构具有非常重大的意义。

实践表明，SRC结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益。型钢混凝土结构将逐步成为高层建筑的一种主要结构体系。我国近年来建造的许多超高层建筑中，就有许多是型钢混凝土结构体系或部分型钢混凝土结构体系，比如上海中心大厦(2016年完工，中国第一、世界第二高楼)、上海环球金融中心(2008年完工，中国第三高楼)、深圳地王大厦、上海森茂大厦、香港中银大厦和北京香格里拉饭店等。

(二)基于性能的抗震设计理论和方法

在国内外开展的众多基于性能抗震设计理论的研究工作中，研究的焦点更多集中在钢筋混凝土结构和钢结构等传统结构体系，面对型钢混凝土结构这一较强发展潜力和推广前景的结构体系却没有给予足够的关注。因此，大力开展基于性能的抗震设计理论和方法的研究是一大趋势。

基于性能的结构抗震设计理论是二十世纪九十年代土木工程学界出现的一种全新的抗震设计理念，引起广大学者的极大兴趣并展开多方面的研究。这一理论的研究在我国还处于起步阶段，系统地研究基于性能的结构抗震设计理论，对我国抗震设计理论的发展具有重要的理论意义和实用价值。基于性能的抗震设计理论和方法的研究领域将是今后型钢混凝土结构研究领域的重要研究方向。型钢混凝土结构基于性能抗震设计理论和方法研究的重点主要有：

(1)各种性能水平极限状态的定性描述和量化，失效的判别参数和标准。建立正常使用、可修和不倒等三种性能水平的失效判别参数和标准，并建立性能指标与损坏极限状态的定量关系；

(2)不同性能水平下型钢混凝土结构抗震变形容许值研究；

(3)建立型钢混凝土构件合理计算单元模型和恢复力模型；

(4)型钢混凝土结构地震反应简化分析方法研究；

(5)建立实用的型钢混凝土结构性能评价和验算方法。

目前，虽然型钢混凝土结构的抗震性能和设计方法的试验和理论研究已经取得了较大进展，但与付诸性能抗震设计的工程实践尚存在较大差距。因此必须通过试验研究、理论分析和数值模拟等研究手段，对型钢混凝土结构性能抗震设计的理论与方法进行深入研究，建立实用的型钢混凝土结构性能评价和验算方法。

(三)抗震研究现状

从20世纪80年代中期开始，随着我国超高层建筑的发展SRC结构也得到我国工程界的重视。建设部先后组织了包括中国建筑科学研究院、冶金部建筑科学研究总院、西南交通大学、西安建筑科技大学、东南大学、同济大学、南京建筑工程学院等单位对型钢混凝土结构梁、柱和节点等在不同受力状态下的性能进行了大量的试验研究，这些研究的重点是揭示型钢混凝土构件的受力机理和承载能力。清华大学、湖南大学、重庆大学等科研单位结合实际工程和型钢混凝土结构发展需要也开展了很多的深入研究工作。

随着高强混凝土的发展和应用，型钢高强混凝土结构和新型型钢混凝土结构体系的研究也逐步得到重视。为了满足抗震性能设计的需要，钢筋混凝土结构弹塑性地震反应简化分析方法得到地震工程界的广泛关注，地震反应分析方法的理论体系仍可为型钢混凝土结构体系的地震需求计算所借鉴。

2010年，山东建筑大学的傅传国，李玉莹等通过试验，研究了两榀预应力和非预应力型钢混凝土框架在竖向荷载及水平低周反复荷载作用下的受力情况与抗震性能，结果表明：在型钢混凝土梁中采用预应力，可以使结构裂缝宽度得到有效控制，使结构的正常使用性能得到有效改善，并且充分发挥了型钢材料和混凝土材料各自的优势；

2011年，西安建筑科技大学的赵鸿铁，武启明等进行了四个模型试件的低周反复荷载试验，用来研究型钢混凝土异形柱框架角节点的抗震性能，结果表明：型钢混凝土异形柱框架角节点的抗震性能良好；他们同时对四个模型试件进行了仿真分析，通过对比实验结果和模拟结果，二者符合较好。华侨大学的刘阳，郭子雄，叶勇等通过试验，对8个核心型钢混凝土柱和1个普通混凝土柱的抗震性能进行了研究，以不同的轴压比和配钢率为参数，对比分析混凝土短柱的试验结果，结果表明：配置型钢能显著提高混凝土短柱的变形能力和抗倒塌能力，从而提高其抗震性能。

2014年，西安建筑科技大学的薛建阳，王刚等通过试验对一榀框架进行低周反复水平加载，研究了型钢再生混凝土框架的抗震性能，结果表明：结构的破坏形态符合“强柱弱梁”，其变形能力、承载力、抗倒塌能力均良好，说明型钢再生混凝土框架的抗震性能良好。

四、抗火研究现状及发展

(一)抗火性能概述

众所周知，钢结构自重较轻，易施工，拥有传统钢筋混凝土结构所不具有的优势，然而其弊端也日渐显现。其较差的耐火性能、容易失稳都给这种结构的发展带来重大挑战。相比而言，型钢混凝土结构抗火能力则大为增强。同时可节省大量钢材，克服了钢结构耐火性、耐久性以及易屈曲失稳的缺点。

国际上从20世纪50年代开始重视结构抗火研究。波特兰水泥协会、美国混凝土协会、美国预应力混凝土协会、欧洲国际混凝土协会先后成立混凝土结构抗火研究小组，主要研究了混凝土的高温材性、梁、柱和板的抗火性能与计算方法及框架的火灾反应。20世纪80年代国际上开始研究钢—混凝土组合构件的抗火问题，特别是加拿大国家防火实验室对钢管混凝土柱的抗火性能进行了系统的试验与理论研究。

国内的抗火研究起步较晚，原冶金部建筑科学研究总院、清华大学、同济大学等从20世纪80年代中后期开始进行了混凝土的材性、构件和结构的抗火性能及反应研究；国内原哈尔滨建筑大学、福州大学90年代后期开始研究钢管混凝土柱的抗火性能；同济大学则于90年代末以后分别研究了钢—混凝土组合板和组合梁的抗火性能。在结构抗火工程应用方面我国远不如国外该领域的先进国家，抗火研究仍然有较大发展前景和需求。

(二)抗火研究现状及发展

2008年，福州工程学院和清华大学郑永乾、韩林海利用纤维模型法和有限元分析软件ABAQUS研究了火灾下型钢混凝土梁力学性能。计算了火灾下型钢混凝土梁的变形以及耐火极限，初步了解了型钢混凝土梁的高温力学性能。并利用纤维模型法分析了截面尺寸、截面含钢率、受拉钢筋配筋率、型钢屈服强度、钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比和钢筋的混凝土保护层厚度等参数对火灾下构件承载力的影响规律，最后提出了型钢混凝土梁耐火极限的实用计算公式。

2013年王传奇等利用有限元分析软件ANSYS，建立了薄壁型钢一混凝土梁—柱组合节点在火灾作用下的有限元理论分析模型，对ISO—834火灾升温模型下的薄壁型钢—混凝土梁—柱节点弯矩-时间曲线和节点耐火时间进行参数化分析。研究结果表明：荷载水平对薄壁型钢—混凝土梁—柱节点的耐火极限影响很大；当荷载比一定时，防火保护层厚度对梁—柱组合节点的耐火极限影响显著，而其他参数如材料特性、构件几何尺寸等对梁—柱组合节点耐火极限影响很小。

2015年，宁波大学和中国建筑科学研究院李俊华、邱栋梁等对高温后型钢混凝土粘结滑移性能展开研究，试验结果表明：高温后型钢混凝土短柱试件的荷载—滑移曲线与常温下大体相似，但随着曾经经历最高温度的提高及最高温度持续时间的增大,型钢与混凝土之间的极限粘结强度和残余粘结强度降低,与极限粘结强度相对应的滑移减小,与残余粘结强度相对应的滑移增大。

有关其梁柱节点抗火性能的研究也急需深入开展，因此对于SRC组合结构，有待开展的一个研究方向是：针对我国目前常用的一些薄壁型钢一混凝土结构梁柱节点形式，对一些关键问题进行研究。

我国规范关于结构防火的整体结构反应、承载能力和破坏特征缺乏深入、系统的研究，作为研究框架结构在火灾下的力学性能和抗火设计方法的前提和基础的梁柱节点的耐火性能的测试及耐火标准也都没有相关明确的规定。

五、抗爆研究现状及发展

近年来，建筑物由于爆炸作用而发生倒塌现象时常发生。由于爆炸荷载作用时间短，对结构物产生了巨大冲击力，对建筑物会造成严重破坏甚至连续性倒塌。因此，提高结构抗爆性能的研究，一直是热门课题之一。目前，我国对SRC结构抗爆研究主要集中于柱。

2006年，同济大学孙建运等以LS-DYNA软件模拟为基础，对型钢混土柱在爆炸冲击荷载作用下的反应特征和破坏模式进行了研究分析。建立了型钢混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的等效简化单自由度分析模型，给出了型钢混凝土柱抗爆设计和抗爆评估流程图，并分别给出型钢混凝土柱抗爆设计和抗爆评估的实例。

2008年，同济大学孙建运等以数值模拟为手段，研究分析了SRC柱在爆炸冲击荷载作用下型钢周围混凝土的断裂破坏原理。发现SRC柱中的混凝土可以分为3种破坏模式：冲击波直接破坏、冲击波冲量破坏和冲击波能量破坏。该研究成果不仅为进一步研究SRC柱在爆炸冲击荷载作用下的破坏模式提供了研究基础，并且为SRC柱的抗爆设计和抗爆加固提供了指导作用。

2013年，长江大学谢志英、谭继可利用有限元软件ABAQUS对不同柱端约束条件下，SRC柱在爆炸荷载作用下的响应进行了研究。得出了适当提高配箍率和提高型钢截面能提升型钢混凝土柱的延性结论，从而减少柱端位移幅值以及对柱的破坏程度，以此来提高防爆性能。

2016年，湖北工业大学姚西北等借助LS-DYNA对典型爆炸荷载下SRC柱进行了深入分析，研究了爆炸冲击波在柱内传播过程引起的动态响应状况，之后分析了型钢混凝土受损状况，研究了其在应变率效应下的屈服情况并对其中一种爆炸工况下的型钢混凝土柱采用了删除单元法来模拟混凝土的开裂，发现损伤的发展与裂纹扩展规律一致，裂纹均出现在损伤值较大处。因此在分析裂缝的扩展时，可用损伤值来代替裂纹，通过观察损伤云图来判断裂纹的扩展。

六、结语

型钢混凝土结构在我国还是一种较新结构，它兼有钢结构和钢筋混凝土结构的优点。目前，我国对SRC结构的研究还主要集中在抗震性能以及耐火方面，对于型钢混凝土抗爆、抗风、抗冲击等方面的动力问题还有待开展研究；而数值模拟方面，多数研究都避开了SRC结构粘结滑移方面的影响，这与工程实际有很大差别，需进一步研究，同时实际工程结构受力比试验和模拟中的情况复杂很多，对于SRC结构的设计和计算理论仍需改进。

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