型钢混凝土技术介绍及其在工程楼中的应用
yukai7922
yukai7922 Lv.12
2011年08月30日 11:47:32
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【摘要】本文基于结构构件和结构体系这两基本层面,就型钢混凝土技术在我国的研究历史和发展做了简要的介绍。并通过该技术在常熟科技城科技商务楼工程中应用,总结出该工程的结构设计方法和施工技术要点,供当地工程技术人员参考。 1 前言型钢混凝土又称钢骨混凝土(Steel Reinforced Concrete,简称SRC),是指在钢骨周围配置钢筋,并浇筑混凝土的结构。SRC结构属于钢-混凝土组合结构的一种,该体系充分发挥了钢和混凝土各自的优势,协调变形,共同同受力,可以在满足承载力的同时大幅度减小构件尺寸,从而减轻自重,获得更大的建筑实用空间。同时它具有抗震性能好、承载力高、耐火性和耐久性好等优点,现广泛用于高层、超高层、大跨度结构等重要建筑中。

【摘要】本文基于结构构件和结构体系这两基本层面,就型钢混凝土技术在我国的研究历史和发展做了简要的介绍。并通过该技术在常熟科技城科技商务楼工程中应用,总结出该工程的结构设计方法和施工技术要点,供当地工程技术人员参考。

1 前言
型钢混凝土又称钢骨混凝土(Steel Reinforced Concrete,简称SRC),是指在钢骨周围配置钢筋,并浇筑混凝土的结构。SRC结构属于钢-混凝土组合结构的一种,该体系充分发挥了钢和混凝土各自的优势,协调变形,共同同受力,可以在满足承载力的同时大幅度减小构件尺寸,从而减轻自重,获得更大的建筑实用空间。同时它具有抗震性能好、承载力高、耐火性和耐久性好等优点,现广泛用于高层、超高层、大跨度结构等重要建筑中。

2 SRC结构的特点
SRC结构在英国、美国等西方国家称之为“Concrete-Encased Steelwork”,或简称“Encased Beams”,“Encased Columns”等,日本则称为钢骨混凝土结构,前苏联则称之为劲性钢筋混凝土结构,将置于混凝土中的型钢称为劲性钢;把配置的钢筋称为柔性钢。受到英、美、苏、日等国的影响,我国对这种结构的名称叫法亦很不一致。后在中华人民共和国行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》的编制过程中,组织专家就命名进行讨论,最后确定名称“型钢混凝土”简称“SRC”。
SRC构件是在混凝土中主要配置型钢,也配有构造钢筋及少量受力钢筋。SRC构件与RC(钢筋混凝土)构件相比含钢率较高,因此对于同等截面而言,SRC 构件比RC构件的承载能力大大提高。混凝土中配置型钢以后,混凝土与型钢两者有着互相约束的作用。一方面混凝土包裹型钢,在构件达到承载能力前,型钢很少发生局部屈曲,所以一般在构件中配置的型钢不需要加设加劲板。另一方面,型钢又对核心混凝土起着约束作用,尤其是配置方钢管的闭口型钢时,约束作用更为显著。同时因为整体的型钢比钢筋混凝土中分散的钢筋刚度大得多,所以SRC 构件比RC构件的刚度明显提高。
与普通的RC结构相比,SRC结构具有许多显著的特点:
(1) 变形性能强、抗震性能好。钢筋混凝土结构由于混凝土材料的脆性特征,特别是当同一层中的柱刚度相差较大、担负剪力不均衡或是当结构存在较大的偏心扭转时,构件容易发生剪切破坏,结构的延性较差。钢骨混凝土由于钢骨的存在,构件延性得到很大改善。
(2) 在截面尺寸相同的条件下,可以合理配置较多的钢材。
(3) 当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时,采用钢骨混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。
(4) 在施工时,型钢骨架有较大的承载力,可以作为脚手架使用,如果再利用压型钢板作为混凝土楼板的模板的话,可以大大节省模板工作量。
(5) 由于在构件中同时存在钢骨和钢筋,浇筑起来比较困难。
(6) 钢材较多,建设费用较高。钢骨混凝土结构的用钢量为80~180/m2 其中钢骨占总用钢量的20-50%。
与纯钢结构相比,SRC结构有以下优点:
(1) 混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能,经济性较好。
(2) 结构刚度大,外力作用下变形小,在风荷载和地震作用下,结构的水平位移可严格控制。
(3) 混凝土有利于提高型钢的整体稳定性,钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生,如果结构构造设计合理,就能保证良好的延性。
(4)使用的型钢规格较小,钢板厚度较薄,比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。

3 基于规程的SRC结构构件(柱、梁和节点)的理论基础和设计方法介绍
《型钢规程》采用基于钢筋混凝土结构的计算理论,采用的是极限状态设计法设计。
该规程的主要依据是我国近20年来的试验研究成果,与钢筋混凝土梁的计算类似,在作了截面应变保持平面等基本假定的基础上,将型钢翼缘视为纵向钢筋的一部分,同时考虑到加载后期粘结滑移的客观存在,取混凝土的极限压应变为0.003,从而建立了型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算公式。基于平截面假定的计算理论其计算依据是:SRC压弯构件受力达到极限承载力时,截面的平均应变基本上为平面,且型钢截面与混凝土截面的变形基本一致,即两者变形基本上是协调的,得到的是精确计算结果。但计算公式和计算过程较为复杂。由于该规程主要针对的是抗震设计,因此给出的是充满型对称配置实腹式型钢的SRC梁。对于非充满型实腹型钢的SRC梁规程没有给出计算方法。
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yukai7922
2011年08月30日 11:48:05
2楼
目前对于型钢混凝土梁的斜截面受剪承载力主要有3种计算方法。第一种是模拟箍筋法。第二种是剪力分配法。第三种是叠加方法,即采用型钢部分和钢筋混凝土部分受剪承载力之和作为型钢混凝土梁的受剪承载力。目前规程就采用这种计算方法。《型钢规程》虽均采用叠加方法来建立型钢混凝土梁受剪承载力的计算公式,但它不是直接将混凝土结构设计规范中的受弯构件受剪承载力计算公式和钢结构设计规范中塑性设计时的计算公式进行叠加而得到,而是通过对已有试验数据的回归分析和可靠度分析得到的。
而对于型钢混凝土梁的挠度计算,目前规程仍停留在弹性计算阶段,即不考虑型钢和混凝土界面之间的滑移。同样对于裂缝的计算也几乎没有考虑滑移的影响。但是国内外型钢混凝土有关试验研究结果表明,设置足够数量剪力连接件的实腹式型钢混凝土构件,从加荷直到构件破坏,基本能保证构件的整体共同工作:未设置剪力连接件的构件,在荷载约达到极限荷载的80%前,型钢与混凝二者基本上能共同工作,在80%极限荷载以后,二者间有较大的相对滑移产生.变形不能协调一致。因此,合理的确定型钢混凝土的粘结性能,在设计中充分考虑到型钢混凝士之间的粘结作用.采取合理的设计计算理论,减少(或尽量避免)剪力连接件的设置,显然会大大简化施工并减小施工费用并极大地缩短现场施工工期,在经济上定将取得显而易见的效益。
关于型钢混凝十粘结滑移性能的研究则主要集中于型钢混凝土粘结强度和粘结机理研究。已有研究成果表明,型钢与混凝土之间的粘结和光圆钢筋与混凝土之间的粘结相类似,主要由三部分组成:混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力,型钢与混凝土接触面上的摩擦阻力和型钢表面粗糙不平的机械咬合力。化学胶结力主要存在于型钢与混凝士表面发生相对粘结滑移之前。当连接面上发生相对粘结、滑移后.水泥晶体被剪断或挤碎,化学胶结力火大降低,对于型钢而言,化学胶结力在总粘结力中的比重远远大于在光圆钢筋中的比重。当化学胶结力退出工作后,粘结力就主要依靠摩擦阻力和机械咬合力来维持,摩擦阻力主要取决于型钢与混凝土界面上的正应力和摩擦系数,主要与型钢混凝土构什的受力和横向约束(混凝土凝固时的收缩、混凝土保护层厚度和横向配箍率等)及型钢的表面特性有关。机械咬合力主要取决于型钢表面状况。在型钢混凝土结构中,与型钢混凝土粘结滑移性能相关的主要问题有:a、型钢混凝土结构和构件计算理论;b、型钢混凝土构件中剪力传递机理;c、有限元分析中型钢混凝土粘结滑移的数值模拟;d、考虑自然粘结的型钢混凝土结构锚固可靠度问题。目前国内外的主要研究手段主要是通过试验以及有限元模拟的方法,来总结出滑移影响对SRC构件的强度,刚度以及耐久性的影响。
在型钢混凝土结构的设计和计算中,节点的设计和计算是关键问题之一。因
为节点是连接梁和柱的关键部位,梁和柱的内力通过节点传递,因此节点工作的
安全可靠是保证结构正常工作的前提。节点受力复杂,通常处于压弯剪复合应力
状态,因此研究并弄清楚节点的受力性能、破坏机理,使节点设计得传力明确、
计算可靠,构造合理是非常重要的。在复杂的地震作用下,更应该重视节点的合
理正确的设计。在抗震设计中,提出了“强柱弱梁,节点更强”的设计原则,充分体现了节点在结构中的重要地位。目前规程在SRC结构节点设计的章节主要是通过构造来保证节点的传力。主要是注意以下几点:a、节点构造应与结构分析所采用的计算简图相符合,必须满足在正常使用荷载下的变形连续条件和在极限设计荷载下的静力平衡条件;b、要防止连接部件(尤其是传递剪力的牛腿腹板)在塑性阶段对型钢壁产生局部撕裂力;c、梁端的竖向剪力应以最短的途径传递到节点的核心部分;d、尽量保持型钢内部无穿心部件,以方便浇注混凝土;e、尽量避免或减少现场焊接。
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yukai7922
2011年08月30日 11:50:02
3楼
4 型钢混凝土作为不同构件组成的结构体系介绍
《高层建筑混凝土结构技术规程》给出了“混合结构”的定义,即有钢框架或SRC框架与钢筋混凝土筒体组成的共同承担竖向和水平作用的建筑结构体系常称为“混合结构”。需要强调的是“混合结构”和“组合结构”是两个不同的概念。同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。具体而言,包括两种结构:钢与混凝土组合结构和组合砌体结构。而一般情况下把钢与混凝土组合结构称为“组合结构”。
型钢混凝土作为转换框架的转换层结构在目前是应用很广泛的结构形式。首先同等条件下,型钢混凝土转换梁的跨高比较钢筋混凝上转换梁的跨高比有一定程度的提高。型钢混凝土转换梁由于型钢的存在,刚度和承载力远大于同截面的钢筋混凝土转换梁,因此,采用型钢混凝土转换梁可以有效降低梁截面高度,获得更为有利的使用空间。其次结构的周期与质量的平方根成正比,与刚度的平方根成反比。模态分析结果表明,型钢混凝土框支剪力墙结构由于采用了型钢混凝土框支构件使得结构整体刚度要大于同等截面的钢筋混凝土框支结构的刚度,因而周期要小于钢筋混凝土结构的周期,且随着含钢率的增加,结构的刚度有所增加,因而周期随着含钢量的增加而减小。虽然型钢混凝上框支结构中的型钢混凝土转换梁与钢筋混凝土转换梁在同样动力作用下其内力反应相差不大,然而由于型钢混凝土构件具有更高的刚度和强度,因而采用更小的截面,减小转换梁的刚度和质量,获得更小的地震反应。再者,使用型钢混凝土转换梁可以减少转换层的层高,提高转换层的刚度,减少刚度突变提高抗震性能。使用型钢混凝土转换梁可有效降低转换梁的截面高度,可降低转换层的计算高度,提高转换层的刚度,更好地保证转换层上下层的刚度比,提高转换层结构的抗震性能。在地震作用下,型钢混凝土框支柱的地震反应要小于钢筋混凝土框支柱的反应。说明在地震作用下,型钢混凝土柱抗震性能优于钢筋混凝土框支柱的抗震性能。型钢混凝土框支结构在转换位置处的位移突变要小于钢筋混凝土框支剪力墙结构。型钢混宁凝土转换构件的刚度大于同等截面的钢筋混凝土转换构件,使得其在竖向上刚度突变有所减小,结构抗震性能有所改善。并随着含钢量的增加,突变进一步减小,其转换层处抗震性能有所增加。
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yukai7922
2011年08月30日 11:50:34
4楼
在高层建筑剪力墙中插入型钢的钢筋混凝土剪力墙,被称为型钢混凝土剪
力墙(即SRC剪力墙),虽然其更偏向于混凝土结构。SRC剪力墙的抗弯、抗剪性能及延性都很好。在下列情况中通常应采用SRC剪力墙:a、在钢一混凝土组合结构中采用混凝土核心筒时,很多情况下需要加型钢,使钢梁与核心筒连接做成刚接;b、在SRC框架与剪力墙协同工作的结构中,由于柱内配置型钢,与柱浇成整体的有边框剪力墙就成为SRC剪力墙;c、对于无翼缘或仅有小翼缘的剪力墙,型钢可增加剪力墙平面外的刚度,避免出现平面外的错断,并可改善平面内的受力及抗震性能,提高延性;d、剪力墙开洞出现小墙肢时,用型钢代替密集的纵向钢筋,既能改善小墙肢的抗剪和抗弯性能又能方便施工。在SRC剪力墙中,多数都将型钢配置在墙的端部,其腹板仍然由钢筋混凝土组成,少数情况下也可在腹板中配置型钢(暗柱或斜撑)。SRC剪力墙按截面形式可分为两类:不带边框SRC剪力墙和带边框SRC剪力墙,无论是有边框或无边框剪力墙,其设计计算是将墙看成一个整体截面。因此,配筋构造必须保证剪力墙腹板与端部暗柱或明柱的可靠连接,以实现其整体性。无边框SRC剪力墙与无边框钢筋混凝土剪力墙破坏的不同之处在于墙板部分发生受剪破坏后,由于边框型钢混凝土柱对墙体的约束作用,剪力墙水平承载力的衰减减缓,具有较好的延性。由于型钢混凝士剪力墙的特点,除了混凝土腹板外,端部型钢也参与抗剪。在抗震结构中,SRC剪力墙也必须按照抗震要求设计。因此,都同样有强墙弱梁、强剪弱弯、强锚固等保证剪力墙良好抗震性能的构造要求。
除了以上介绍,SRC还可以做为高层剪力墙结构中的连梁,多层SRC框架结构的应用已经很普及,下节将以常熟科技城科技商务楼为例,具体介绍一下SRC框架设计过程和施工的要求。

5 多层SRC框架结构在常熟科技城科技商务楼中的应用
本工程位于常熟东南开发区东南大道以南,S227道路东侧,东南大道入口重要地段,属于常熟科技城的核心区域。地块用地36893平方米,功能定位为科技研发及商务办公。建筑总面积:44495平方米(其中地上建筑面积34103平方米,地下建筑面积10392平方米)。主体建筑由一幢高层建筑(建筑高度69.4M)及其三层裙房组成。
由于裙房具有大空间规划展示以及大空间会议的要求,柱网跨度达到16米,而且裙房屋面还具有屋顶花园的使用要求,屋面荷载很大,同时根据建筑体型的需要,局部有4.5米的楼层悬挑。所以在结构选型的时候,选择了SRC框架作为这部分的结构形式,一举解决了以上问题,同时还获得比较优良的抗震性能。
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yukai7922
2011年08月30日 11:50:56
5楼
在设计中采用设计中常用的中国建筑科学研究院的PKPM 系列软件— SATWE 空间有限元分析与设计软件,对该结构进行空间有限元分析。首先估计构件所承担的内力,根据结构内力,确定构件截面、型钢尺寸及配筋。然后将所选择的型钢混凝土构件输入程序,进行整体计算,再根据整体计算的结果,调整截面或配筋、配钢。整体计算时型钢混凝土构件的刚度是根据规程推荐的方法执行的。最后用整体计算的组合内力来复核型钢混凝土构件的强度,挠度和裂缝。后期的工作主要是根据规程的要求手算进行。
本工程型钢混凝土结构的施工是根据以下几方面要点进行的:a、型钢骨架施工时符合《钢结构工程施工质量验收规范》的规定。在安装柱的型钢骨架时,首先是在上下型钢骨架处作临时连接,然后观测纠正其垂直偏差,再进行焊接或高强度螺栓连接,其次是在梁的型钢骨架安装后,要再次对型钢骨架进行观测纠正。为防止上层型钢骨架垂直偏差积累超过允许值,除了力求柱的型钢骨架下部校正准确外,还应将上部的安装垂直中心线对准。为使梁柱接头处的交叉钢筋贯通且互不干扰,加工柱的型钢骨架时,在型钢腹板上要预留穿钢筋的孔洞,而且要相互错开。预留孔洞的孔径,既要便于穿钢筋,又不能过多削弱型钢腹板,一般预留孔洞的孔径较钢筋直径大4~6mm。在梁柱接头处和梁的型钢翼缘下部,由于浇筑混凝土时有部分空气不易排出或因梁的型钢翼缘过宽妨碍浇筑混凝土,为此要在一些部位预留排除空气的孔洞和混凝土浇筑孔。b、型钢混凝土结构的钢筋绑扎与钢筋混凝土结构中的钢筋绑扎基本相同,但也有其特点。由于柱的纵向钢筋不能穿过梁的翼缘,因此柱的纵向钢筋只能设在柱截面的四角或无梁的部位。在梁柱节点部位,柱的箍筋要在型钢梁腹板上已留好的孔中穿过,由于整根箍筋无法穿过,只能将箍筋分段,再用电弧焊焊接。不宜将箍筋焊在梁的腹板上,因为节点处受力较复杂。如腹板上开孔的大小和位置不合适时,需再用电钻钻补孔或用绞刀扩孔,不得用气割开孔。c、型钢混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的区别在于型钢混凝土结构中有型钢骨架,在混凝土未硬化之前,型钢骨架可作为钢结构来承受荷载,因此施工时利用这个特点,合理选择了模板材料和支模方法。d、型钢混凝土结构的混凝土浇筑,符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定。在梁柱接头处和梁型钢翼缘下部等混凝土不易充分填满处,仔细进行浇筑和捣实。型钢混凝土结构外包的混凝土外壳,要满足受力和耐火的双重要求.浇筑时要保证其密实度和防止开裂。

6 结语
目前,型钢混凝土技术的研究和实践已经得到长足的发展,但行业规范的滞后以及实践范围的局限使得该技术的普及还不广泛。故希望通过本文的介绍,能使型钢混凝土技术在常熟地区得到广泛的应用,取得比较好的经济效益,为当地建设做出贡献。
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zh6364341
2011年10月22日 21:27:46
6楼
好贴在 学习了不少东西
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叶子83
2012年01月09日 15:12:14
7楼
用了这种新技术后,特别是型钢混凝土楼板,在造价上会更经济吗?!
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杨晓亮
2012年11月19日 15:44:52
8楼
正好在找这方面的资料,谢谢
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波love露
2013年04月08日 23:31:47
9楼
最近搞实验,研究的就是这方面,楼主给力哈哈
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快乐结构
2013年04月09日 12:55:31
10楼
不错,学习下
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