钢-混凝土组合结构抗震性能研究综述

钢—混凝土组合结构抗震性能研究综述

摘要：通过对钢-混凝土组合框架结构体系的简要介绍以及其抗震性能的研究，提出一些加强钢—混凝土组合结构抗震性能的建议。

关键词：组合结构，框架结构，抗震性能

Abstract: By introducing the steel concrete composite frame structural and discussing its behavior of anti-seismic, then giving some advises about improving the behavior of anti-seismic of the steel concrete composite structural.

Key words: composite structral , frame structural, anti-seismic

0.引言

随着我国经济的快速发展，各种新的结构形式不断涌现。其中钢-混凝土组合结构越来越受到大家的重视，由于组合结构具有许多突出的优点，高层建筑与大型桥梁等建构筑物在我国各地大量兴建，各种型式组合结构逐渐被广泛应用。组合结构已经和钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砌体结构并称五大结构。组合结构主要包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。

在国外，钢—混凝土组合结构最初大量应用于土木工程旨在二次世界大战结束后，当时的欧洲急需恢复战争破坏的房屋和桥梁，工程师们采用了大量的钢—混凝土组合结构，加快了重建的速度，完成了大量的道路桥梁和房屋的重建工程。1968年日本十胜冲地震以后，发现采用钢—混凝土组合结构修建的房屋，其抗震性能良好，于是钢—混凝土组合结构在日本的高层与超高层中得到迅速发展。60年代以后世界上许多国家（包括英、美、日、苏、法、德）根据本国的试验研究成果及施工技术条件制定了相应的设计与施工技术规范。1971年成立了由欧洲国际混凝土委员会（CES）、欧洲钢结构协会（ECCS）、国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁及结构工程协会（IABSE）组成的组合结构委员会，多次组织了国际性的组合结构学术讨论会，并于1981年正式颁布了《组合结构》规范。

我国对钢—混凝土组合结构的研究和应用起步较晚，从五十年代才开始开展组合梁的研究和应用，至今除了钢与混凝土组合梁已纳入《钢结构设计规范》（GBJ 17-88）外，其余的组合结构和构件还停留在行业标准的基础上。具有代表性的三部行业标准是：（1）国家经济贸易委员会颁布的中华人民共和国电力行业标准《钢—混凝土组合结构设计规程》（DL/T 5085-1999）；（2）国家冶金工业部颁布的行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（YB 9082-97）；（3）中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）。这三部规程的颁布标志着我国的钢—混凝土组合结构实际应用已进入一个崭新的时代。

1.钢-混凝土组合框架结构体系介绍

欧洲规范中对钢-混凝土组合框架作了如下定义:一个组合结构框架是指结构中的部分或全部梁、柱为组合构件，而其余的构件均为钢构件的框架结构。其中，不考虑结构中其他类型构件的使用，例如混凝土、预应力混凝土构件及砖石砌块等。与钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土框架相比，由此定义的组合框架性能比较接近钢框架。目前，我国研究人员和结构工程师普遍采用的组合结构定义是:含有钢-混凝土组合构件的结构称为钢-混凝土组合结构。因此组合框架结构的范围也随之扩大。本文钢-混凝土组合框架结构均采用此定义，考虑主要承重构件(梁和柱）部分或全部为钢-混凝土组合构件，而其余构件为钢筋混凝土构件或件或钢构件的框架结。

2.钢-混凝土组合框架结构研究

（1）实验研究

对于钢梁-钢管混凝土柱框架结构，目前开展的低周反复水平荷载试验研究主要有对4个钢梁-圆钢管混凝土柱单层单跨框架进行了恒定轴力和水平往复荷载共同作用下的试验研究。研究了轴压比、长细比、梁柱线刚度、钢材的屈服弯矩比对滞回曲线形状的影响。结果表明，试件的侧向力和位移的滞回环很饱满，刚度退化缓慢，表现出很大的延性和很高的耗能能力。此外进行了工字梁-单层单跨圆钢管混凝土柱平面框架的试验研究，实测结果表明，钢管混凝土框架具有良好的变形能力，曲线形状饱满，无捏拢现象，基本无刚度、强度退化现象。以及对一榀2跨3层钢梁-圆钢管混凝土柱框架结构模型，进行恒定竖向荷载和低周反复水平荷载共同作用下的抗震性能试验研究。结果表明：框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等性能均满足延性框架的抗震要求，由此可以得到钢管混凝土框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构和钢框架结构。王来、王铁成等设计了一榀2跨3层钢梁-方钢管混凝土柱框架模型，通过拟静力试验研究了框架在低周反复水平荷载作用下的滞回性能，并进一步探讨了承载力、延性、耗能及变形能力、刚度退化和破坏机制等性能。王文达、韩林海等进行了4组12榀钢梁-圆形及方形截面钢管混凝土柱平面框架在恒定轴力和水平往复荷载共同作用下的试验研究。研究了柱截面形状、含钢率、轴压比、梁柱线刚度比等变化时钢梁-钢管混凝土柱平面框架的力学性能及破坏规律。结果表明，钢管混凝土框架具有良好的抗震耗能能力。Matsui和Morino、Kawaguchi等进行了单层单跨的H型钢梁-方钢管混凝土柱平面框架在反复荷载作用下的试验研究。上述试验研究得到的钢管混凝土框架的滞回曲线饱满，稳定性好，没有明显的刚度退化现象，说明此类结构体系具有良好的抗震性能。

对于钢-混凝土组合梁-钢管混凝土柱框架，目前开展的试验研究很少。主要有：宗周红、林东欣进行了一榀2层单跨组合梁-圆钢管混凝土柱平面框架结构的拟静力和拟动力试验研究和弹塑性地震反应分析。研究了此类结构在地震作用下的动力反应、恢复力特性和耗能性能。试验结果显示，累积损伤导致结构底层刚度的较大弱化，结构基频下降；钢管混凝土柱屈服，角区混凝土开裂，结构呈现较好的变形延性。根据试验结果建立了一个预测组合框架结构在地震作用下弹塑性性能的分析模型，理论计算和试验结果基本吻合。试验和计算表明，这种形式的组合梁-钢管混凝土框架结构具有良好的抗震性能。朱喻之完成了一榀4跨2层组合转换梁-矩形钢管混凝土柱框架模型的竖向荷载试验及水平往复荷载试验，研究了模型的受力性能和破坏机制。

（2）计算研究

随着计算机技术的发展，数值计算方法在工程实践中得到了广泛的应用。研究者可以通过有限元方法对组合框架结构进行精确的分析。在钢-混凝土组合结构计算中，采用精细的有限元模型可以分析构件截面的应力、应变分布，整体和局部屈曲，交界面滑移，混凝土开裂，钢材屈服等复杂问题，并得到较为准确的结果。但受技术条件的限制，这种精细的有限元模型分析方法还不适用于大型结构的整体分析。对于框架结构，通常采用杆系单元模型对结构进行整体分析。在弹性阶段，结果是足够精确的;对于塑性阶段，运用较多的是塑性铰方法，研究表明，采用塑性铰方法对组合框架结构进行分析是可行的，其计算精度能够满足工程要求。

目前对钢管混凝土框架开展的理论研究和计算分析主要有:王文达、韩林海等基于非线性有限元理论，对影响钢管混凝土框架荷载-位移骨架曲线的主要因素进行了分析，建议了单层钢管混凝土框架的荷载-位移恢复力模型。孙修礼、梁书亭等使用非线性分析程序分析了钢梁-钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类框架结构的骨架曲线。聂建国等对

一个10层方钢管混凝土框架结构进行了Pushover分析，为方钢管混凝土框架结构的抗震性能分析提供了参考数据。黄襄云、周福霖等分别对圆钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱5层框架结构进行了抗震性能对比试验研究，并从理论上分析比较了两种结构的动力特性，多种地震波输入下的结构加速度反应和位移反应，综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能。李向真等利用杆系模型理论，对高层钢管混凝土结构简化模型进行了非线性弹塑性时程分析。

20世纪70年代中期以来，日本对组合梁-钢框架的抗震设计方法进行了深入细致的研究，建立了组合框架梁的弹性及弹塑性刚度矩阵，为进行地震反应分析打下了基础。Richard Liew提出了一种非线性分析方法来研究组合梁-钢框架的极限状态。我国在20世纪90年代初期由哈尔滨建筑大学开始对组合梁-钢框架的抗震性能进行研究，已对组合梁的弯矩-曲率滞回特性、栓钉连接件的低周往复荷载作用下的性能进行了初步研究]。陈戈等对已有钢-混凝土组合梁研究成果进行了总结，建议了简化框架组合梁的弯矩-曲率骨架曲线，并对组合梁一钢框架进行了Pushove分析。王元清，王锁军等研究了组合梁刚度、组合节点刚度对组合梁-钢框架结构弹性抗震性能的影响。

3.钢-混凝土组合框架结构体系抗震性能研究

目前，刘阳冰在方-钢管混凝上(CFST)柱和钢-混凝上组合梁(CB)弹塑性模型研究的基础上，采用SAP2000有限元分析软件，分别建立了15层的组合梁-方钢管混凝上柱框架结构(CB-CFST)、钢梁-方钢管混凝上柱框架结构(SB-CFST)，组合梁-等刚度RC柱组合框架结构(CB-ETRC)，钢梁-等刚度RC柱框架结构(SB-ETRC)以及RC框架结构的弹性模型和弹塑性力学模型；并对这5个结构进行模态分析、反应谱分析、多遇地震下的弹性时程分析以及罕遇地震下的弹塑性时程分析，通过对各个结构内力和变形结果的比较，研究了钢-混凝上组合框架结构体系的抗震性能。最后对由方钢管混凝上柱和钢-混凝上组合梁组成的组合框架结构的“强柱弱梁”问题进行讨论。得出如下结论：

1)楼板组合作用对框架结构的弹性动力性能有较大影响；如果忽略钢梁和楼板的组合作用，就低估结构的抗侧刚度，使结构的自振周期和位移反应增大。对于与钢管混凝土柱等刚度的RC 柱框架结构，结构位移反应均大于相应的钢管混凝土柱框架结构，且等刚度的RC 柱截面的极限承载力小于钢管混凝土柱，轴压比和抗弯承载力均不能满足截面抗震验算的要求，需要增大截面来满足承载力的要求；

2) 考虑楼板组合作用后，框架梁刚度和承载能力提高，总体上看，组合梁－方钢管混凝土柱框架结构位移反应要小于钢梁－方钢管混凝土柱框架结构，且层间位移角包络值沿高度变化较均匀；由于组合梁刚度和承载力的提高，改变了梁柱线刚度比和承载力比，进而也改变了结构的整体刚度和承载能力，使 2 种结构在罕遇地震下破坏状态并不相同，因此忽略楼板组合作用，并不能反映结构的真实破坏状态；

3) 考虑楼板组合作用后，框架梁刚度和承载能力提高，总体上看，组合梁－方钢管混凝土柱框架结构位移反应要小于钢梁－方钢管混凝土柱框架结构，且层间位移角包络值沿高度变化较均匀；由于组合梁刚度和承载力的提高，改变了梁柱线刚度比和承载力比，进而也改变了结构的整体刚度和承载能力，使2种结构在罕遇地震下破坏状态并不相同，因此忽略楼板组合作用，并不能反映结构的真实破坏状态；

保证组合结构有良好的抗震性能，就要保证结构的延性能力。从而保证组合结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：

1）.“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳

定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

2）.“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

3）.抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。

这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。

新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰，而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。为此，这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。

新西兰抗震措施的好处在于“理想梁铰机构”完全利用了延性和塑性耗能能力较好的梁端塑性铰来实现框架延性和耗散地震能量，同时因为除底层柱底外的其它柱端不出现塑性铰，也就不必再对这些柱端加更多的箍筋。但是这种思路过于受塑性力学形成理想机构概念的制约，总认为底层柱底应该形成塑性铰，这样就对底层柱底提出了较严格的轴压比要求，同时还要用足够多的箍筋来使柱底截面具有所需的延性，此外，底层柱底如果延性不够发生破坏很容易导致结构整体倒塌。这些不利因素使该方法丧失了很大的优势。因此很多研究者认为不需要被塑性力学的机构概念所限制，只要能在大震下实现以下的塑性耗能机构，就能保证抗震设计的基本要求：

1.以梁端塑性铰耗能为主；

2.不限制柱端塑性铰出现（包括底层柱底），但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量；

3.同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路，采用了“梁柱塑性铰机构”模式，而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理想梁铰机构”模式。

对钢-混凝土组合结构抗震性能进行分析是抗震研究的一项重要内容，非线性时程分析，非线性静力分析是目前常用的几种抗震分析方法。其中针对结构非线性反应的非线性时程分析法（非线性动力反应分析），从建立在层模型或单列梁柱模型上的方法到建立在截面多弹簧模型上的方法，再到目前正在研究发展的建立在截面纤维滞回本构规律的纤维模型法，模拟的准确程度正在不断提高。其基本思路是通过一系列数值方法建立和求解动力方程从而得到结构各个时刻的反应量。但由于对地震特点和结构特性所做的假设，其结果存在不确定性，其主要价值是用来考察地震作用下普遍的而非特定的反应规律，以及对抗震设计后的结构进行校核分析，评估其抗震性能。非线性静力分析法（pushover）是近年来得到广泛应用的一种结构抗震能力评估的新方法。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，但它将反应谱引入了计算过程和结果。其根本特征是用静力荷载描述地震作用，在地震作用下考虑结构的弹塑性性质。它的基本原理和步骤是先以某种方法得到结构在可能遭遇地震作用下所对应的目标位移，然后对结构施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的一组水平静力荷载以单

调递增的形式作用到结构上，在达到目标位移时停止荷载递增，最后在荷载中止状态对结构进行抗震性能评估，判断是否可以保证结构在该水平地震作用下满足功能需求。

4.结束语

具有优异抗震性能的钢-混凝土组合结构推广应用对于我国这样一个多地震的国家具有非常重要的现实意义。目前,国内对钢-混凝土组合结构的研究多集中于基本的力学行为对于地震作用下SRC整体结构的受力性能还缺乏系统的试验研究和理论分析这应成为今后研究的重要内容。从现代抗震设计思路提出至今，世界各国的抗震学术界和工程界又取得了许多新的成果，比如进行了大量钢筋混凝土构件的抗震性能试验；通过迅速发展的计算机技术编制了准确性更好的非线性动力反应程序；在设计方法上也不再拘泥于以前单一的基于力的传统抗震设计方法，开始尝试基于性能和位移的新的抗震设计理念。在这样的环境中，我国的抗震设计思路也应该在完善自身不足的同时，不断向前发展。

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