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型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete,简称SRC)结构是钢混凝土组合结构的一种主要形式。与钢结构相比可节省大量钢材,增大截面刚度,克服钢结构耐火性、耐久性差及易屈曲失稳等缺点,使钢材的性能得以充分发挥。与全钢结构相比可节约1/3~1/5钢材,从而降低了造价;与普通钢筋混凝土(RC)结构相比,型钢混凝土结构的容许配筋率比钢筋混凝土结构大很多,可以在有限的截面面积中配置较多的钢材,不锈钢结构件加工,因此,型钢}昆凝土构件的承载能力比相同截面的钢筋混凝土构件的承载能力高1倍以上,从而可以减小构件的截面积,增大建筑钢结构的使用面积和空间,节省混凝土用量、减轻地基荷载、减小地震作用、节省模板和支撑,降低建筑的综合造价,并且有更好的延性等优点,可产生较好的经济效益。因仳,它越来越多地被应用于高层结构以及超限高层结构,工程界对此十分重视,在1998 -2008的10年间,我国各部门、各地对此编制出版了5部不同规程,这是之前从来没有过的现象,它们依据不同的理论,又有不同的安全度。这一方面显示了学术空气活跃,另一方面也说明大家对这种结构的设计理论分歧严重,给广大设计人员应用带来了很大困惑,特别是大多数设计人员只了解JGJ 138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》,对其他规程了解不多,但是恰恰这个规程存在一些安全问题。
为此,有必要对这5部规程的不同点及其问题作一些介绍。
1 型钢混凝土钢结构的应用与有关规范简介
目前关于型钢混凝土结构的计算理论,国际上主要有3种。
欧美采用的是基于钢结构的计算方法;前苏联采用的是基于钢筋混凝土结构的计算方法,认为型钢与混凝土是完全共同工作的;日本则采用的是叠加法,认为型钢混凝土结构的承载能力是型钢与钢筋混凝土两者承载能力的叠加。3种计算理论的主要差别之一是对型钢与混凝土之间的粘结滑移性能给予了不同的考虑。日本规范没有考虑混凝土与型钢之间的共同工作,计算简单但结果偏于保守。前苏联规范的承载力计算结果偏大,因此并不安全。
20世纪50年代初,我国从前苏联引进了型钢混凝土结构,包头电厂的主厂房和鞍山钢铁公司的沉铁炉基础是由前苏联设计、由我国施工的第1个型钢混凝土结构。国外建成的典型型钢混凝土建筑有美国休斯城市大厦,49层,高207 m;休斯顿得克斯商业中心大厦,79层,高305 m;达拉斯国际大厦,72层,高276 m;日本北海饭店,36层,高121 m;新加办公大楼,55层,高242 m;雅加达中心大厦,21层,高84 m;悉尼款特斯中心,高198 m。20世纪80年代以来,在我国北京、上海、大连等地也相继建成了一批型钢混凝土结构高层建筑,典型的有北京香格里拉饭店,24层;北京长富宫饭店,地上25层,地下3层;上海瑞金大厦,地上27层,地下1层,高107 m;大连联合大厦,地下3层,地上48层;香港中心大厦,建筑高度为292 m,采用型钢混凝土组成巨型结构体系。
我国对型钢混凝土的研究起步较晚,自20世纪80年代才开始进行较系统的研究。西安建筑科技大学与原冶金部建筑研究总院最早开始对此立项研究,专业做钢结构,1986年国家计委工程建筑国家标准规范重点科研项目“混凝土钢结构设计规范第四批科研课题”将“型钢混凝土结构性能及方法”列为科研课题之一,组成专门研究课题组,进行了一系列的试验研究,并负责编写技术规程。经过多年试验研究和工程实际应用,参考日本的SRC钢结构设计标准,1998年冶金工业部颁发了我国第1部型钢}昆凝土结构行业标准YB 9082-97《钢骨混凝土钢结构设计规程》口1,并于2006年修订为YB 9082-2006《钢骨混凝土钢结构设计规程》‘2]。2002年建设部颁布了JGJ 138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》‘朝。在G11 -2001《建筑抗震设计规范》、0010 - 2002《混凝土钢结构设计规范》及17 - 2003《钢钢结构设计规范》颁布以后,上海市颁布了地方标准DG/TJ 08015-2004《高层建筑钢一混凝土混合钢结构设计规程》。近年来中国工程建设协会又颁布了协会标准CECS 230:2008《高层建筑钢混凝土混合钢结构设计规程》。在短短的10年间各地先后编制了5本规程,可见大家对此的重视。各个规程的颁发和我国经济的快速发展,促进了SRC结构的广泛应用,但是由于各种规程依据的理论不同、安全度不同,因此也给]一程应用常来了困惑,为此有必要对此进行讨论。
有关规程对比及其存在的问题由于规程间的编制依据和编制背景不同,时间不同,造成了各个规程设计方法的不同。
2.1 抗震增大系数问题
因为有的规程早于国家标准1- 2001编制,或者是同时编制的,所以其中有关计算公式中,没有考虑抗震增大系数,或者小于抗震规范。其中YB 9082-97 L1 3和JGJ 138-2001'30就属于这种情况,因此它们都存在抗震安全问题。但是后来《钢骨混凝土钢结构设计规程》编制了新版本即YB9082-2006,与后来相继编制出版的DG/TJ 08-015 2004、CECS 230:2008都按现行抗震规范考虑了弯矩与剪力的抗震增大系数,因此这3本规程都不存在抗震安全问题。
2.2 计算方法问题
YB 9082- 2006与DG/TJ 08 - 015 - 2004参照日本规范的叠加方法(以下简称为叠加法),进一步提出了较为准确的轴力分配方法,称为改进简单的叠加方法。改进简单叠加方法与理论方法及一般叠加法基本吻合,即将型钢和钢筋混凝土所分别承担的弯矩叠加,同时考虑构件轴向力的影响。在YB 9082-2006中,无论是构件的承载力计算还是刚度、裂缝验算,均采用盈加原理,原理清晰,这种简单的强度叠加在计算时忽略实际构件中型钢与混凝土之间存在的粘结力,且不考虑彼此间变形的相互约束作用,因此得到的计算结果偏于安全。CECS 230:2008完全采用了YB 9082 2006的计算方法。
在JGJ 138 2001中,构件的承载力计算采用平截面假定,型钢与混凝土变形协调,通过构件截面平衡方程求解构件承载力(以下简称为平衡法),即“受压区钢骨与混凝土之间始终没有相对滑移,构件截面始终保持为平面”,但试验证明,在构件达到极限承载力之前,型钢与混凝土之间已经产生了相对滑移,计算假定与实际并不相符。若要满足平截面假定则必须沿全构件焊接栓钉,并满足一定构造要求,在工程应用中则会增加造价与施工工序。在承载力计算中,公式复杂,适合于已知各配筋条件下的承载力验算,而已知内力求配筋则计算复杂,并且未给出常用的双向偏心受压柱的承载力计算公式。工程应用不方便。特别要指出的是,以截面平衡法为基础的JGJ 138-2001中,承载力的计算公式中有关弯矩与剪力的抗震增大系数,比G0011-2001所规定的小得多,有的甚至没有考虑,因此是不安全的。
全球视角制定钢结构产业发展战略
中国钢铁工业的发展史就是中国钢结构的发展史,国家从限制用钢到鼓励用钢政策的调整,为钢结构行业发展奠定了良好的物资基础和政策环境。钢结构行业包括设计与施工(制造、安装),其中设计居于首要位置。钢构设计的步是正确选择结构方案,方案选择正确,钢结构才会具有更好的建筑节地、节能、节材、经济、适用、美观等优势。
王仕统教授提出“空间结构新分类”,从力学结构理论和科学发展观的高度,滨海钢结构,对什么是空间结构进行阐述和注释。我们应该转变传统的价值观念,提倡省材、美观,加速实现钢结构固有的三大核心价值——最轻的钢构、最短的工期和的延性。从而,产生的抗震性。当前一些重大项目基本上都是由国外设计,其中不少项目结构方案不合理,用钢量太大,造价惊人,同时也为制作和安装带来诸多难题,不符合中国国情。
未来10年将是世界钢结构行业调整格局和进一步发展的时期,不锈钢结构工程,也是我国实现世界钢结构大国和强国宏伟目标的关键时期。在钢铁、船舶制造,高铁建设中,我国已跃居世界,正在努力向钢结构大国前行。中国经济已进入了一个非常重要的转型时期,这个时期可以从两个方面进行理解。一方面,从现在到2020年,这一时期可以被看作中国的战略杌遇期。从长远来看,围际经济大势对中国国力的增强是有益的;另一方面,这一时期也可以被看做中国的战略转型期。中国经济体制各方面的转型都将在这一时期内更加深化。经济发展方式将会发生系统的、根本的转变。衡量经济发展的标准将不再单纯围绕GDP,而是要综合生产方式、创新成果、研发能力、运行方式等多方面的因素加以衡量。
改革开放30多年来,中国经济取得飞速发展,中国已经成为一个经济大国,但还称不上经济强国。未来我们的国家、我们的企业在发展过程中,将面临更大的挑战。企业在扩张规模的同时,更要注重提升控制力和核心技术创新能力。更应当注重坚持以科学发展观为指导,转变发展方式,拓展视野,进而推动中国钢结构行业持续、健康、快速的发展。
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