钢-混凝土组合结构抗震研究综述

曹智杰

重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400074

摘要：钢-混凝土组合结构是组合结构当中较为常见的一种，也是土木行业当中使用频率最多的一种结构体系。与钢筋混凝土结构相比，钢-混凝土组合结构可以减小地震作用、降低的结构重量、减小构件的截面尺寸、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。本文介绍了钢-混凝土组合结构在土木工程中的实际运用，并对其抗震性能进行了简单的介绍。

关键词：组合结构；抗震；组合剪力墙

一、引言

地震作为自然界中最严重的具有毁灭性的自然灾害，对人们的生命财产安全带来了不可估量的威胁，比如唐山大地震[1]、汶川大地震[2-3]等，至今令人悲痛不已。因此，土木领域的研究人员对抗震的研究从未停止。而且充分的事实证明，相比于其他自然灾害，地震对建筑结构的破坏无疑是最大的。正因为如此，有关钢-混凝土组合结构的抗震研究才更加吸引人们的眼球。现目前，研究人员一直对钢-混凝土组合结构在进行研究，也取得了很多成果，但也存在诸多不足。钢-混凝土组合结构抗震的评估方法有IDA评估分析方法和Pushover评估分析方法。

二、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[4]。钢-混凝土组合梁钢框架是一种重要且常用组合结构，组合梁和钢柱组成的框架就是钢-混凝土组合梁钢框架。相对于纯框架而言，钢-混凝土组合框架节约钢材，造价相较于之前，降低大约三分之一左右，并且结构刚度的增加也较为显著，同时，钢-混凝土组合梁中的翼缘板可以为钢梁提供侧向约束，以便于最大程度上避免平面外失稳，除了承受上部结构传递下来的竖向载荷，也可以参与框架梁所承受的弯矩作用[5]，钢与混凝土两种材料都能充分发挥各自的作用，钢梁由原来的纯弯状态受力变为部分截面或全截面受拉的状态，这使得结构的整体性有了较大的提升，通过这样的组合，弥补了单一材料作为受力构件的短处，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

文献[6-7]分别对组合节点进行了循环加载试验，观察组合节点的抗震性能；分别利用有限元分析软件ANSYS和ABAQUS对组合节点复杂的受力环境作用下的力学性进行了数值模拟研究分析，对组合节点进行了单向荷载的实验研究。

文献对钢-混凝土组合梁钢框架的抗震性能进行了研究分析。研究发现，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镜率较为敏感，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反感；组合梁钢框架在循环荷载作用下，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一突变值，可认为是最优板厚，在设计时，可优先采用此最优值；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。

三、钢板-混凝土组合剪力墙

（一）钢板-混凝土组合剪力墙简介

钢板-混凝土组合剪力墙，它是在钢板剪力墙和混凝土剪力墙的基础上提出来的新型组合结构。该组合剪力墙包括三部分：外包混凝土板、内嵌钢板和连接件。混凝土板可采用现浇，也可采用预制。混凝土板采用现浇的时候，可以通过在钢板上焊接相应的栓钉来连接钢板和混凝土板。混凝土板采用预制的时候，常采用高强度螺栓连接钢板和混凝土板。设置混凝土板目的是为钢板提供一个面外约束、使得钢板的受力状态一直保持在一个平面内以充分利用钢材良好的塑性设置能力；此外混凝土板还可作为钢板的隔热层，降低了成本。相对于钢筋混凝土剪力墙而言，就承载、耗能、变形能力而言，钢板-混凝土组合剪力墙都优于钢筋混凝土剪力墙，即使是在较大的层间位移下，该组合剪力墙仍能保持优越的耗能性能和延性，并且能和具有较好延性和耗能能力的组合柱或钢柱相对应匹配；钢板-混凝土组合剪力墙的相对而言较小，所以结构的自重也相应的被减轻，提高经济效应，且在震后容易修复。相对于钢板剪力墙而言，该组合剪力墙的耗能能力比钢板剪力墙更好，因为外包钢板的混凝土板能很好的约束钢板；因为混凝土的耐火性能较高，有混凝土板的保护，提高了中间钢板的保温、隔热性能。钢板-混凝土组合剪力墙根据与框架的连接方式的不同，可分为两边连接钢板-混凝土组合剪力墙和四边连接钢板混凝土组合剪力墙。两边连接钢板-混凝土组合剪力墙是指钢板-混凝土组合剪力墙通过上下梁、不通过柱与框架相连，这种连接方式具有两边钢板剪力墙一样的优点，就是具有便于门窗、洞口布置等优点；四边连接钢板-混凝土组合剪力墙是指该组合剪力墙四边通过连接梁、柱与框架相连，相对于两边连接钢板-混凝土组合剪力墙而言，其极限承载力略微提高，但不利于门窗、洞口的布置。

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。总而言之，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。现目前在钢-混凝土组合结构的研究当中，各类实验给出的结果，由于各种原因，如实验条件、手段的限制或实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、弹塑性性能开展实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(References)：

[1]丁剑霆,姜淑珍,包峰.唐山地震桥梁震害回顾[J].世界地震工程,2006(01):68-71.

[2]清华大学土木工程结构专家组,西南交通大学土木工程结构专家组,北京交通大学土木工程结构专家组,叶列平,陆新征.汶川地震建筑震害分析[J].建筑结构学报,2008(04):1-9.

[3]王亚勇.汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008(04):20-25.

[4]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．

[5]Daniels J H,Kroll GD,Fisher J W. Behavior of composite-beam to column joints [J]. Journal of the Structural pision,1970,96(3):671-685.

[6]郑德胜.平齐式端板连接组合节点抗震性能的试验研究［D］．南京:南京工业大学，2005．

[7]苏迪.考虑组合效应的钢结构梁柱节点抗震性能研究［D］．北京:清华大学，2005．

作者简介：曹智杰（1998-），男，汉，重庆，重庆交通大学硕士研究生，研究方向:土木水利