羅聞捷

同濟大學 上海 200092

引言

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)（SRC結(jié)構(gòu)）是鋼與混凝土組合成的結(jié)構(gòu)形式。具備了比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大、抗震性能好的優(yōu)點；與鋼結(jié)構(gòu)相比具有防火性能好，結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性好，節(jié)省鋼材的優(yōu)點。SRC結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于世界各地。1918年，日本的內(nèi)田祥山設(shè)計了世界上第一座SRC結(jié)構(gòu)大樓。在歐美，達拉斯的第一國際大廈（72層）等均采用了SRC外框架+內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。在我國，80年代后以金茂大廈為代表的眾多400米以上超高層建筑幾乎都采用了巨型SRC柱或SRC核心筒墻等形式。

1 型鋼混凝土的研究現(xiàn)狀

SRC結(jié)構(gòu)最初是利用混凝土對鋼骨的保護作用，起到耐久耐火的作用。對SRC構(gòu)件性能進行大量的研究是從20世紀50年代開始的。蘇聯(lián)的SRC理論堅持極限強度理論，認為鋼與混凝土完全共同工作，并認為在極限狀態(tài)下型鋼達到完全屈服狀態(tài)；歐美對SRC結(jié)構(gòu)的研究是從配空腹式角鋼骨架開始的。20世紀60年代，Bondnal提出了描述柱工作性能的強度理論；以東京大學的平井善勝、仲雄尾等研究小組的理論實驗為基礎(chǔ)，日本建筑學會于1958年制定了以累加強度為基本體系的《鋼骨混凝土規(guī)范》。我國自80年代起對SRC結(jié)構(gòu)開展了廣泛的研究，包括受彎、受壓構(gòu)件和節(jié)點的受力性能、軸壓比限制、構(gòu)件的徐變與收縮、抗震承載力等，并通過模擬振動臺實驗、擬動力實驗，深入研究了靜力動力特性和分析方法。

2 美國規(guī)范的設(shè)計方法

美國的SRC規(guī)范主要包括：ACI編制的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》ACI 318-14；AISC編制的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》AISC-LRFD 99和ANSI/AISC 360-10；NEHRP編制的FEMA P-1050這三類。

ACI 318規(guī)范將型鋼視為等值的鋼筋，然后再以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行SRC構(gòu)件的設(shè)計。優(yōu)點是能夠滿足變形協(xié)調(diào)和內(nèi)力平衡等基本問題，缺點是設(shè)計計算比較復雜。另外，因完全采用了混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計方法，其適用性值得探討。AISC規(guī)范采用極限強度設(shè)計法進行設(shè)計，將鋼筋混凝土部分轉(zhuǎn)換為等值型鋼，再按純鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在構(gòu)件強度計算時需要考慮型鋼與混凝土之間的剪力傳遞。NEHRP規(guī)范整合了ACI 318規(guī)范和AISC-LRFD規(guī)范的內(nèi)容。在強度計算時，折中考慮了混凝土黏粘結(jié)力的影響，在抗震設(shè)計時，采用單一階段設(shè)計，主要以結(jié)構(gòu)材料發(fā)揮塑性變形能力為依據(jù)，采用靜力或動力設(shè)計方法，解決了前兩本規(guī)范缺乏抗震設(shè)計的問題。

3 歐洲規(guī)范的設(shè)計方法

歐洲的SRC設(shè)計規(guī)范原本散落在各國規(guī)范中，隨著歐盟的建立，1985年共同制定了歐洲組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EN 1994。另外，蘇聯(lián)的《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》（CИ3-78）也是SRC領(lǐng)域的重要規(guī)范之一。

EN 1994規(guī)范與CИ3-78規(guī)范均假定型鋼與混凝土完全交互作用，按變形協(xié)調(diào)的方法考慮，構(gòu)件截面僅有一個對稱軸，將型鋼與混凝土均按矩形應(yīng)力塊理論考慮，采用極限強度設(shè)計方法設(shè)計。顯然這種做法偏于不安全，因為在實際工作中，靠近中和軸處的型鋼應(yīng)力圖與簡化應(yīng)力圖有較大差異，型鋼完全達到屈服狀態(tài)是不現(xiàn)實的。另外計算公式未考慮型鋼與混凝土間的黏結(jié)滑移作用，按此計算得到的構(gòu)件承載能力偏大。

4 日本規(guī)范的設(shè)計方法

日本建筑學會在1958年頒布了《鋼骨鋼筋混凝土計算標準及其說明》（AIJ-SRC規(guī)范），目前的最新版本為2014年版，另外還有《鋼骨鋼筋混凝土建筑配筋指南及其說明》，組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范等多本相關(guān)規(guī)范。

AIJ-SRC規(guī)范涉及了梁、柱、節(jié)點、剪力墻等結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、承載力計算及抗震設(shè)計等，內(nèi)容翔實完整。特別是抗震設(shè)計部分，對于高烈度區(qū)設(shè)計有較大參考價值。規(guī)范采用二次設(shè)計法，一次設(shè)計按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，二次設(shè)計以極限強度驗算保證有水平承載能力。這種方法主要是以強度疊加法為理論基礎(chǔ)，忽略了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)握裹力。總體而言，日本的計算方法較為保守。

5 我國規(guī)范的設(shè)計方法

我國規(guī)范編制起步較晚，現(xiàn)行規(guī)范為冶金部的《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（YB9082-2006），和建設(shè)部的《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JGJ138-2016）。

我國的JGJ 138規(guī)范和YB9082規(guī)程包括了型鋼梁、型鋼柱、梁柱連接節(jié)點、剪力墻等構(gòu)件部分的內(nèi)容，其中JGJ138-2016規(guī)范增加完善了抗震等級、抗震調(diào)整系數(shù)等抗震措施及抗震工況計算，并添加了鋼管混凝土、鋼板剪力墻、鋼與混凝土組合梁、組合樓板等方面的內(nèi)容，較為完善，為目前國內(nèi)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主流的參考規(guī)范。

YB9082規(guī)程借鑒了日本規(guī)范，采用了簡單的強度疊加方式，而JGJ 138規(guī)范則更多借鑒蘇聯(lián)規(guī)范，采用比對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法計算構(gòu)件的抗壓抗彎強度。

6 結(jié)束語

由上述分析可知，各國的SRC規(guī)范按設(shè)計理念大多可分成三大類型：

一是鋼結(jié)構(gòu)觀點，即在SRC結(jié)構(gòu)中將鋼筋混凝土部分轉(zhuǎn)化為相當?shù)男弯摚缑绹鳤ISC-LRFD和NEHRP規(guī)范。

二是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)觀點，即將SRC結(jié)構(gòu)的型鋼受拉部分視為鋼筋，然后利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計，如CИ3-78、EN-1994、ACI 318及我國JGJ 138規(guī)范，采用這種方式的規(guī)范偏經(jīng)濟。

三是強度疊加觀點，即將型鋼與鋼筋混凝土分開計算，然后進行強度疊加，如AIJ-SRC及我國YB9082規(guī)范。采用這種方式的規(guī)范偏保守。

鑒于SRC結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的使用范圍、研究基礎(chǔ)及實際經(jīng)驗，美國NEHRP規(guī)范和日本AIJ-SRC規(guī)范較為全面和系統(tǒng)。建議在安全等級、重要性高的SRC結(jié)構(gòu)中優(yōu)先使用日本規(guī)范或YB9082規(guī)范進行設(shè)計，而對安全等級、重要性較低的普通SRC結(jié)構(gòu)采用JGJ 138規(guī)范進行設(shè)計。