浅谈影响型钢混凝土结构抗震性能的因素

浅谈影响型钢混凝土结构抗震性能的因素
浅谈影响型钢混凝土结构抗震性能的因素
摘要：由于型钢混凝土具有刚度大，防火、防腐性能好及重量轻、延性好等优点，因此在土木工程中具有广阔的应用前景。

从抗震性能来讲，型钢混凝土结构适用于抗震烈度为6度至9度的多层、高层和一般构筑物。

本文总结出了影响型钢混凝土结构抗震性能的六大因素：轴压比、剪跨比、型钢含量和型钢形式、
配箍率、混凝土强度、型钢的锚固形式。

关键字：型钢混凝土；轴压比；剪跨比；配箍率；型钢的锚固形式
中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：
型钢混凝土组合结构是一种优于钢结构和钢筋混凝土结构的新
型结构，它分别继承了钢结构和钢筋混凝土结构的优点，克服了两者的缺点而产生的一种新型结构体系。

型钢混凝土结构充分利用钢（抗拉性能好）和混凝土（抗压性能好）的特点，按照最佳几何尺寸，组成最优的组合构件，这种组合构件具有刚度大的特点，与钢结构相比，防火、防腐性能好，具有较大的抗扭和抗倾覆能力，而且，与钢筋混凝土结构相比，具有重量轻，构件延性好，增加净空高度和使用面积，同时缩短施工期，节约模板，特别是在高层和超高层建筑及桥梁结构中使用组合构件，更加体现了它的承载能力高和能克服混凝土结构施工困难的特点。

由于型钢混凝土结构具有上述特点，因此在土木工程中具有广阔的应用前景。

从抗震角度来讲，型钢混凝土结构适用于抗震烈度为6度至9度的多层、高层和一般构筑物。

通过实验，总结出了影响型钢混凝土抗震性能的主要因素为：
1、轴压比
实验和工程实践表明，轴压比是影响型钢混凝土偏心受压构件破坏形式、延性、变形能力和抗震性能的最重要因素。

当轴压比超过一定限值时，无论配箍率如何提高，框架柱的延性都不能得到明显改善，
在大轴压比下，框架柱承受水平荷载前已因为高轴力的存在而产生较大的预压应变，预压应变使柱截面的塑性转动能力大大降低，延性变差。

不论型钢混凝土柱的混凝土强度等级如何，随着轴压比的增加，构件延性逐渐降低。

另一方面，如果在设计中轴压比定的太小，虽然可以较好地控制柱的破坏形态，构件延性也较好，箍筋用量也较少，但是，柱截面的尺寸也将因此变大，同时，有可能导致短柱的形成，反而降低柱的延性。

故确定一个合适的轴压比限值对型钢混凝土框架柱的抗震性能和延性而言非常重要。

轴压比对柱的剪切与抗震性能的影响主要反映在两个方面，首先轴压比越大，柱的延性越差，而且影响十分明显；轴压比对柱的剪切的影响的另一方面是对柱剪切承载能力的影响，在一定范围内，随着柱轴压比的增加，柱的剪切承载力也提高。

但是，轴压比增大到一定程度后，其承载能力即不再提高。

因为，斜截面剪切问题，实际上是斜截面上抵抗受拉主应力的问题，而轴压比的存在显然对抵抗主拉应力有利。

2、剪跨比
剪跨比也是影响型钢混凝土偏心受压构件延性的主要因素，剪跨比较小的型钢混凝土偏心受压构件多发生剪切斜压破坏、剪切粘结破坏等脆性破坏，剪跨比较大的型钢混凝土偏心受压构件多发生弯曲破坏。

剪跨比对柱的剪切与抗震性能的影响主要表现为两个方面，首先，剪跨比对柱的剪切破坏形态有着明显的影响，当剪跨比很小时，特别是当剪跨比小于1.5时，试件均为斜压破坏。

斜压破坏脆性很大，因此对抗震极为不利。

抗震设计中应竭力避免短柱的出现，抗震规范中一般要求框架柱的剪跨比大于2.0。

在短柱无法避免的情况下，要求采取专门措施以提高柱的延性。

实验表明，当剪跨比λ小于1.5时，一般均为斜压破坏；当剪跨比λ=1.5~2.5时，柱一般为剪切粘结破坏，当剪跨比λ>2.5~3.5时，弯曲有着明显的影响，一般为受弯破坏或俗称剪压破坏。

剪跨比对柱剪切性能的另一方面影响，反映在对柱剪切承载能力的影响。

在一定范围内，1.5<λ<2.5,剪跨比增大，剪切承载力下降，反之剪跨比越小，剪切承载力越高。

因为剪跨
比实质上反映了压弯剪复合受力构件中弯矩与剪力的相互作用。

剪跨比越大，说明构件中弯矩作用越大（相对于剪力），则构件的抗剪能力降低；剪跨比越小，说明构件以受剪为主（相对于弯矩），其抗剪能力越强。

但是抗剪承载力的增加与降低并非无限制的，当剪跨比小于一定的值或大于一定的值，构件剪切承载力均趋于稳定。

3、型钢含量和型钢形式
型钢含量和型钢形式是影响型钢混凝土偏心受压构件延性的另一重要因素。

相同条件下，型钢含量越大，型钢混凝土偏心受压构件延性越好。

和型钢含量相比，型钢形式对构件延性的影响更为显著。

国内外对于普通型钢混凝土柱的实验表明，实腹式型钢混凝土柱的抗震性能优于格构式型钢混凝土柱，同样是实腹式型钢混凝土柱，十字型钢的约束能力强，承载力下降缓慢，工字型型钢对内包混凝土约束小，破坏阶段外围混凝土剥落严重，且有可能发生侧向失稳，因此，型钢为十字形的柱抗震性能优于型钢为工字型的柱。

4、配箍率的影响
在型钢混凝土偏心受压构件中，配箍率对其抗震性能的影响没有对钢筋混凝土柱显著。

在较高轴压比情况下，配箍率对型钢高强混凝土柱的抗震性能有一定影响，其他条件均相同，配箍率越高，曲线也相对丰满。

钢筋混凝土偏心受压构件中，配置箍筋主要是为了约束混凝土，型钢混凝土偏心受压构件中，型钢既能承担轴力，其腹板也相当于连续配置的箍筋，从实验结果看，外围混凝土剥落后，型钢内部混凝土几乎完好，因此，在型钢混凝土偏心受压构件中，型钢对混凝土的约束起主要作用，配置箍筋主要是起保护外围混凝土不过早剥落的作用。

另外，增加配箍率可以防止剪切粘结破坏。

钢箍间距越小，钢箍越密越多，不仅提高了柱的抗剪能力，而且对外围混凝土的约束增加，这就提高了混凝土的应变能力。

在配角钢骨架柱中，由于钢箍是平腹杆和斜腹杆角钢组成的封闭箍，角钢比箍筋刚度大，因此对混凝土的约束作用更为有效。

所以加密箍筋或减小平腹杆间距对提高柱的延性是有效的。

所以在配实腹钢的型钢混凝土柱中配置一定数量箍筋是必需的。

5、混凝土强度
混凝土强度不同，构件的延性也不同，一般混凝土强度较高的构件，其延性较差，其抗震性能也较差。

6、型钢的锚固形式的影响
从实验结果可以看出，采用锚脚锚固梁内型钢的试件其抗震性能最好，若不加锚脚，梁内型钢直接伸入节点内，尽管试件的耗能性较差，但也可以使梁或柱达到其抗弯强度，在非抗震或抗震等级不高时，这种简单的锚固方式也是可行的，当然型钢伸入节点的长度不能太短。

综上所述，影响型钢混凝土结构抗震性能的主要因素为：轴压比、剪跨比、型钢含量和型钢形式、配箍率、混凝土强度、型钢的锚固形式等。

参考文献：
1、周东华、刘坚主编，钢与混凝土组合结构设计原理；
2、赵鸿铁主编，组合结构设计原理
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