钢-混凝土组合结构抗震性能研究综述

杨成虎

（重庆交通大学 重庆 400074）

摘要：钢-混凝土组合结构是实际工程中使用频率最多的结构体系之一。相对于钢筋混凝土结构，钢-混凝土组合结构可以减小地震作用、降低的结构重量、结构构件的截面尺寸可控、造价相对有所降低、方便安装、结构的延性较好等；与钢结构系相比，钢-混凝土组合结构对用钢量的需求有所降低、稳定性有所提高等。本文介绍了部分已有的钢-混凝土组合结构，并对其抗震性能进行了简单的介绍。

关键词：组合结构；地震

一、钢与混凝土组合梁

（一）钢-混凝土组合梁钢框架

在组合结构当中，钢-混凝土组合梁能很好的工作是因为其中的钢梁与钢筋砼翼缘或者通过剪力键连接组合而成以形成一个整体的受力情况^[1]。钢-混凝土组合梁钢框架是常用组合结构之一，该结构由组合梁和钢柱组成。相对于纯框架而言，钢-混凝土组合框架的用钢量较少，节约钢材，造价可降低大约三分之一，并且结构刚度有着显著的提高。为在最大程度上避免平面外失稳，其中钢-混凝土组合梁中的翼缘板可以为钢梁提供侧向约束，既可以抵抗由上部结构传递下来的竖向载荷，也可以抵抗框架梁所承受的弯矩作用，这样就能保证钢材和混凝土两种材料都能充分发挥各自的作用，钢梁的受力状态由原来的纯弯变为部分截面或全截面受拉，这就使得结构的整体性有了较大的提升，通过这样的组合，解决了工程当中常用单一材料作为受力构件的短板，同时也比较经济，这也是现目前以及以后建筑结构发展的方向。

（二）钢-混凝土组合梁钢框架抗震性能

现有研究发现^[2-3]，钢筋本身的强度对框架节点的受力影响不是很大，所以在设计过程中，应选择常用的经济型钢筋，组合节点性能对混凝土板的配筋率较敏感，在满足节点的延性要求以及在规范的允许范围内，应采用较为经济的配筋率；在侧向荷载的作用下，组合节点梁端下翼缘先于其他地方屈服，塑性铰最终形成在梁端，破坏模式符合理想的抗震破坏模式；混凝土的强度对节点性能影响较小，在设计时，应结合经济因素合理选着混凝土强度；混凝土的板厚对节点的承载力存在突变值，可认为是最优板厚，优先采用此最优值；通过反应谱分析得到的顶层位移和结构的层间位移分析对比，发现钢框架的两种位移均大于钢-混凝土组合梁钢框架，并且还得出钢-混凝土组合梁钢框架的基底剪力要大于钢框架结构；钢-混凝土组合框架结构的整体刚度较大，考虑混凝土的拉压损伤，结构整体的阻尼随之增加，这样就使得在地震作用下，结构可吸收更多的地震输入能量，结构的位移和变形随之减少。所以钢-混凝土组合梁框架的抗震性能明显比钢框架的抗震性能要好很多。

二、钢管混凝土

（一）钢管混凝土简介

将混凝土（砼）倒入薄壁钢管内，就形成钢管混凝土结构。由于在混凝土的存在，整个结构的侧向刚度得到提高，使得钢管混凝土结构具有良好的局部稳定性；同时，混凝土由于钢管的约束，其受力性能得到提高，尤其是抗压强度，所以其承载力也得到了提高；在外包钢管的约束下，混凝土处于三向受力的状态，提高了钢管混凝土弹性性能以及塑性性能；与纯钢结构相比，钢管混凝土的钢材用量比纯钢结构少一半左右；与钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土的混凝土使用量比钢筋混凝土也少了一半左右，但两者的用钢量大致一样，钢管混凝土比钢筋混凝土结构的自重要少一半左右，其优势较明显；在施工过程中，钢管可直接作为模板，直接在钢管内浇筑混凝土，同时钢管也可代替部分纵筋和箍筋的作用，减少了钢筋的用量，这样就省去传统钢筋混凝土现浇结构的施工工序，如模板的制作与安装、脚手架的搭建、钢筋箍筋的绑扎等，施工起来较方便，同时也缩短了工期。

（二）钢管混凝土的抗震性能

由于该结构的自重较轻，可以减小地震作用。同时因为外包钢管的存在，整体结构的延性得到提高，所以其抗震性能优越；在地震作用下，可能会发生相应的次生灾害，若发生火灾，由于混凝土具有优越的吸热性，钢管混凝土结构的耐火性有明显的提高，相对于传统的钢结构而言，钢管混凝土结构的抗火性能有优越抗火性能；同时，也可以将高强度混凝土充填到钢管内，进一步弥补混凝自身的一些缺点，如延性差、脆性大等。

三、型钢混凝土

（一）型钢混凝土简介

型钢混凝土结构是钢-混凝土组合结构中常用的结构形式之一，型钢、纵筋和箍筋都内置于混凝土内。在混凝土中布置型钢之后，混凝土与型钢彼此之间通过面面接触相互约束，一方面，由于型钢是被混凝土包裹起来的，型钢混凝土结构在到达其极限承载力之前，型钢混凝土内部的型钢是不会发生局部屈曲的，所以，型钢混凝土内部的型钢，没有特定的要求下，没必要对其布置相应的加劲肋提高强度；同理，型钢对包裹它的混凝土也存在相应的约束关系，这就相当于混凝土的强度被提高了一些。型钢混凝土与钢筋混凝土构件相比较而言，由于型钢混凝土构件中有型钢钢骨，所以相较于钢筋混凝土构件，其含钢量而言偏大，因此两者在截面相同的情况下，就承载力而言，钢筋混凝土构件要低于型钢混凝土；还有，由于型钢的集中配置，所以型钢混凝土的整体刚度比钢筋混凝土的整体刚度要大。型钢混凝土可以作为梁、柱使用，型钢可采用焊接等方式。

（二）型钢混凝土框架

框架结构中梁柱节点部位的受力情况非常复杂，处于荷载阶段的节点甚至已经部分超出弹性受力的状态而发生了内力重分布。赵鸿铁等^[4]对型钢混凝土框架节点进行了水平滞回试验，对不同配钢形式、不同部位的型钢混凝土节点性能进行了详细的分析，以及在核心区和柱端、梁端采用一些可靠的构造方式。吕西林等^[5]对型钢高强度混凝土框架节点进行了试验研究。

（三）型钢混凝土框架的抗震性能

满足设计要求的型钢高强高性能混凝土框架节点，其破坏形式一般是框架节点核心区发生的剪切破坏，而且在发生破坏的时候，框架节点的核心区的剪切变形非常明显，这就导致了其引起的结构的层间位移在结构的总水平位移中占了较大的比例，特别是在梁柱节点破坏阶段，其核心部分的剪切变形已转化为使得柱子顶部发生侧移的主要部分。随着混凝土强度提高，梁柱节点的极限承载力也随之提高，但混凝土强度提高的同时，就会使得在相同变形条件下的试件，其损伤会加重，而梁柱节点从极限荷载到破坏荷载这个阶段，产生的变形却不是很大。因为相较于钢筋混凝土构件而言，不论是对比其延性还是对比其耗能能力，型钢混凝土构件都要优于钢筋混凝土构件。所以由型钢混凝土组成的混合结构，整体结构的适用高度相较于钢筋混凝土结构而言，有一定程度的提高。当全部结构都采用型钢混凝土时，除了抗震设防烈度为9度的地区外，结构的高度能增加大约35%左右。

四、结论

本文对部分钢-混凝土组合结构进行了简单介绍，并对其抗震性能进行了总结。总体而言，钢-混凝土组合结构不论是在桥梁还是房屋建筑中的应用，在抗震需求上都表现出了极大的优势。目前在现有钢-混凝土组合结构的研究当中，各类试验给出的结果，由于各种原因，如试验条件、手段的限制或试验目的本身的局限性，存在较大的离散性。因此对钢-混凝土组合结构中的子结构的强非线性、弹塑性性能开展试验研究是十分有必要的，这样才能检验钢-混凝土组合结构的对应模型的可靠性、准确性、合理性，这就需要更多的研究学者参与钢-混凝土组合结构相关课题的研究，为人们提供安全、舒心、可靠的生存环境。

参考文献：

[1]兰艳妮.钢-混凝土组合结构在实际工程中的应用[J].沿海企业与科技. 2005,12: 131-132．

[2]宋毛毛. 基于ABAQUS的钢—混凝土组合梁钢框架抗震性能研究[D].哈尔滨工业大学,2013.

[3]王艳杰. 钢—混凝土组合梁钢框架抗震性能研究[D].西安工业大学,2017.

作者简介：杨成虎（1996-），男，汉族，四川广安人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：结构工程