国内外型钢混凝土结构设计规范对比及研究

国内外型钢混凝土结构设计规范对比及研究

摘要型钢混凝土结构是一种应用广泛的组合结构体系，其能充分利用钢与混凝土各自的优点，具有高强经济的特点。本文从型钢混凝土结构的基本概念、历史应用、研究现状出发，对比分析国内外不同规范的异同，以综合评判此类结构的设计要点。

关键词型钢混凝土结构；组合结构；规范对比；强度叠加法；抗震设计

引言

型钢混凝土组合结构（SRC结构）是钢与混凝土组合成的结构形式。具备了比钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点；与钢结构相比具有防火性能好，结构局部和整体稳定性好，节省钢材的优点。SRC结构已被广泛应用于世界各地。1918年，日本的内田祥山设计了世界上第一座SRC结构大楼。在欧美，达拉斯的第一国际大厦（72层）等均采用了SRC外框架+内筒结构。在我国，80年代后以金茂大厦为代表的众多400米以上超高层建筑几乎都采用了巨型SRC柱或SRC核心筒墙等形式。

1 型钢混凝土的研究现状

SRC结构最初是利用混凝土对钢骨的保护作用，起到耐久耐火的作用。对SRC构件性能进行大量的研究是从20世纪50年代开始的。苏联的SRC理论坚持极限强度理论，认为钢与混凝土完全共同工作，并认为在极限状态下型钢达到完全屈服状态；欧美对SRC结构的研究是从配空腹式角钢骨架开始的。20世纪60年代，Bondnal提出了描述柱工作性能的强度理论；以东京大学的平井善胜、仲雄尾等研究小组的理论实验为基础，日本建筑学会于1958年制定了以累加强度为基本体系的《钢骨混凝土规范》。我国自80年代起对SRC结构开展了广泛的研究，包括受弯、受压构件和节点的受力性能、轴压比限制、构件的徐变与收缩、抗震承载力等，并通过模拟振动台实验、拟动力实验，深入研究了静力动力特性和分析方法。

2 美国规范的设计方法

美国的SRC规范主要包括：ACI编制的《混凝土结构设计规范》ACI 318-14；AISC编制的《钢结构设计规范》AISC-LRFD 99和ANSI/AISC 360-10；NEHRP 编制的FEMA P-1050这三类。

ACI 318规范将型钢视为等值的钢筋，然后再以钢筋混凝土结构的设计方法进行SRC构件的设计。优点是能够满足变形协调和内力平衡等基本问题，缺点是设计计算比较复杂。另外，因完全采用了混凝土结构的构造设计方法，其适用性值得探讨。AISC规范采用极限强度设计法进行设计，将钢筋混凝土部分转换为等值型钢，再按纯钢结构的设计方法进行结构的设计。在构件强度计算时需要

考虑型钢与混凝土之间的剪力传递。NEHRP规范整合了ACI 318规范和AISC-LRFD规范的内容。在强度计算时，折中考虑了混凝土黏粘结力的影响，在抗震设计时，采用单一阶段设计，主要以结构材料发挥塑性变形能力为依据，采用静力或动力设计方法，解决了前两本规范缺乏抗震设计的问题。

3 欧洲规范的设计方法

欧洲的SRC设计规范原本散落在各国规范中，随着欧盟的建立，1985年共同制定了欧洲组合结构设计规范EN 1994。另外，苏联的《型钢混凝土结构设计指南》（CИ3-78）也是SRC领域的重要规范之一。

EN 1994规范与CИ3-78规范均假定型钢与混凝土完全交互作用，按变形协调的方法考虑，构件截面仅有一个对称轴，将型钢与混凝土均按矩形应力块理论考虑，采用极限强度设计方法设计。显然这种做法偏于不安全，因为在实际工作中，靠近中和轴处的型钢应力图与简化应力图有较大差异，型钢完全达到屈服状态是不现实的。另外计算公式未考虑型钢与混凝土间的黏结滑移作用，按此计算得到的构件承载能力偏大。

4 日本规范的设计方法

日本建筑学会在1958年颁布了《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》（AIJ-SRC规范），目前的最新版本为2014年版，另外还有《钢骨钢筋混凝土建筑配筋指南及其说明》，组合结构设计规范等多本相关规范。

AIJ-SRC规范涉及了梁、柱、节点、剪力墙等结构的构造、承载力计算及抗震设计等，内容翔实完整。特别是抗震设计部分，对于高烈度区设计有较大参考价值。规范采用二次设计法，一次设计按正常使用极限状态设计，二次设计以极限强度验算保证有水平承载能力。这种方法主要是以强度叠加法为理论基础，忽略了钢筋与混凝土之间的黏结握裹力。总体而言，日本的计算方法较为保守。

5 我国规范的设计方法

我国规范编制起步较晚，现行规范为冶金部的《钢骨混凝土结构技术规程》（YB9082-2006），和建设部的《组合结构设计规范》（JGJ138-2016）。

我国的JGJ 138规范和YB9082规程包括了型钢梁、型钢柱、梁柱连接节点、剪力墙等构件部分的内容，其中JGJ138-2016规范增加完善了抗震等级、抗震调整系数等抗震措施及抗震工况计算，并添加了钢管混凝土、钢板剪力墙、钢与混凝土组合梁、组合楼板等方面的内容，较为完善，为目前国内型钢混凝土结构主流的参考规范。

YB9082规程借鉴了日本规范，采用了简单的强度叠加方式，而JGJ 138规范则更多借鉴苏联规范，采用比对混凝土结构设计的方法计算构件的抗压抗弯强度。

6 结束语

由上述分析可知，各国的SRC规范按设计理念大多可分成三大类型：

一是钢结构观点，即在SRC结构中將钢筋混凝土部分转化为相当的型钢，如美国AISC-LRFD和NEHRP规范。

二是钢筋混凝土结构观点，即将SRC结构的型钢受拉部分视为钢筋，然后利用钢筋混凝土结构设计规范进行设计，如CИ3-78、EN-1994、ACI 318及我国JGJ 138规范，采用这种方式的规范偏经济。

三是强度叠加观点，即将型钢与钢筋混凝土分开计算，然后进行强度叠加，如AIJ-SRC及我国YB9082规范。采用这种方式的规范偏保守。

鉴于SRC结构设计规范的使用范围、研究基础及实际经验，美国NEHRP 规范和日本AIJ-SRC规范较为全面和系统。建议在安全等级、重要性高的SRC 结构中优先使用日本规范或YB9082规范进行设计，而对安全等级、重要性较低的普通SRC结构采用JGJ 138规范进行设计。