型钢混凝土结构抗震性态水平和容许变形值的研究

【摘要】结合国内外对钢筋混凝土结构性能水平的划分标准，将 src 结构的性能水平划分为正常使用、暂时使用、生命安全和接近倒塌四个阶段；介绍了 src 柱的主要破坏形态， 提出了四个性能水平的失效判别标准和参数；在总结国内外 src 试验柱和平面框架试验研 究资料的基础上，得出 src 框架结构四个性能水平极限状态对应的层间位移角限值和柱端 裂缝宽度分布范围。最后结合性能抗震设计理念，提出 src 结构基于性能抗震设计尚需深 入研究的问题。

关键词：型钢混凝土结构；抗震性能水平；容许变形值；量化指标

abstract

combining with performance grades of reinforced concrete structures at home and abroad, the seismic

performance of steel reinforced concrete (src) structures can be induced into four levels: normal service, temporary service, life safety and collapse prevention. the failure modes and characteristics of src columns are introduced, and limit states of the four seismic performance levels and their dominating parameters are put forward. on the basis of the experiments and results of src frames and columns, the story drifts angle limitation and range of crack width on the column end are obtained for four different seismic performance levels. finally considering ideas of performance based seismic design, problems needed much further study about src structures are proposed.

keywords: steel reinforced concrete (src) structures, seismic performance levels, tolerantdeformation values, quantitative index

1. 引 言

型钢混凝土结构（src 结构）又叫劲性钢筋混凝土结构或钢骨混凝土结构，是钢-混凝 土组合结构的一种形式。src 结构通过把钢和混凝土巧妙地组合在一起，充分发挥了这两 种材料的特性，其具有比传统结构承载力高、强度刚度大、稳定性和抗震性能好等优点。随 着超高层建筑的发展和理论研究的深入，src 结构在我国将具有非常广阔的应用前景。目 前国内外对 src 结构的研究工作和成果主要集中在构件的承载能力，即针对强度计算开展 研究[1]。随着基于性能抗震设计理论的提出和发展，人们意识到这种传统基于力的设计方 法还存在缺陷，开展基于性能的 src 结构抗震设计理论则更加科学合理，既符合当代抗震 设计理念的发展趋势，又为工程实践应用和推广型钢混凝土结构提供基础。

确定 src 结构在不同性能水平下的容许变形值是实现其基于性能抗震设计理论的前提 和关键。由于结构的性能与破坏状态有关，而结构的破坏状态又可由结构的反应参数或者某 些定义的破坏指标来确定，所以，结构性能水平可以用这些主要的参数来划分。容许变形值 被认为是比较重要的反应参数，但对此方面的研究还比较欠缺，本文即在此背景下研究 src 结构功能失效的判别参数和容许变形值的大小。

2. src 结构的性能水平和抗震设防目标

2.1 性能水平划分

结构的抗震性能水平是指建筑物在某一特定设防地震水准下预期达到的最大破坏程度， 或容许的损坏极限状态。目前对钢筋混凝土结构性能水平的划分比较明确，比如我国现行抗 震规范[2]将其分为三档，美国 vision2000、fema273 和 atc-40 分为四档，当然还有学者 提出其他不同的划分标准。

性能水平为基于性能的抗震设计和震后修复加固提供依据，对于 src 结构，结合已有 的划分方法和试验理论研究成果[2]，将其性能水平分为四档，见表 1 所示。

表 1 src 结构四个性能水平及其宏观描述

tab.1 target performance levels and damage control of src structures

2.2 抗震性能目标确定

结构的性能目标是指一定超越概率的地震发生时，结构期望达到的某种功能水平。我国 现行抗震规范采用小震不坏、中震可修、大震不倒的三水准设防目标，但在表 1 提出的 src 结构性能水平背景下，已有的三水准抗震设防目标需要更加细化。按照小中大三个地震作用 水平和“四档”性能水平，可对 src 结构建立表 2 所示的抗震性能目标。

表 2 src 结构抗震性能目标

tab.2 seismic performance objectives

(其中：①为基本目标，指一般使用要求的建筑应具备的最基本性能目标；②为重要目标，指重要性很高

或地震后危险性较大的性能目标；③为非常重要目标，指对安全有十分危险影响的性能目标)

可以看出，排除掉不符合实际工程的情况，这里对 src 结构建立了 10 个抗震性能目标，

其比钢筋混凝土结构的三水准设防目标有所提高，且“中震可修”的性能目标变得更加具体 化。以上三个地震作用水平、四档结构性能水平和 10 个抗震设防目标的提出为实现 src 结 构基于性能的抗震设计理论奠定了基础。

3. src 框架柱的破坏模式及描述

src 构件是在混凝土中主要配置型钢，同时配有受力和构造钢筋。型钢分为实腹式和 空腹式，实腹式型钢主要有 i 字钢、h 形钢和 l 形钢等。理论和实践均证明，实腹式 src 构件具有较好的抗震性能，而空腹式 src 构件的抗震性能与普通 rc 构件的抗震性能基本 相同。因此，这里主要研究含钢率为 4%～8%的实腹式 src 构件。

3.1 破坏模式和特点

src 柱在水平荷载作用下主要产生三种破坏模式，破坏形态按剪跨比的不同大致分为 三种。当剪跨比小于 1.5 时，src 柱发生剪切斜压破坏，首先剪跨段产生许多大致平行的斜 裂缝，将混凝土分成斜向受压短柱，钢骨腹板此时基本处于纯剪应力状态，最后钢骨腹板在

近似纯剪应力状态下达到屈服强度，剪压区混凝土压碎而破坏；当剪跨比为 1.5~2.5 时，src

柱在反复荷载作用下发生剪切粘结破坏，首先在最大弯矩处出现剪切斜裂缝或竖向粘结裂 缝，随着荷载的增加与往复循环，粘结裂缝扩展成两条沿型钢翼缘的竖向粘结主裂缝，最后 裂缝处混凝土保护层剥落，剪切承载力下降，构件破坏；当剪跨比大于 2.5 时，src 柱的承 载力往往由弯曲应力起作用，一般发生弯曲破坏，其首先在最大弯矩截面处形成水平裂缝， 随着荷载增加，柱底纵筋屈服，紧接着型钢翼缘屈服，随之腹板屈服，混凝土不断剥落， 纵筋和型钢翼缘压屈，最后 src 柱达到最大承载力而破坏。

3.2 与 rc 柱破坏的主要区别

试验研究表明，src 柱比 rc 柱具有更优越的抗震性能，其优越性主要在于型钢的影响。 型钢的存在使构件的变形能力增强，破坏时吸收的能量增大，延性也相应得到提高。rc 柱 的最终破坏是由于压区混凝土的压酥，src 柱由于设置较强劲的钢骨，压区混凝土逐渐压 酥后，rc 部分的承载力将向钢骨转移，其后期仍有相当大的变形能力来延缓破坏。可见， 无论在承载能力和刚度方面，还是在延性和耗能能力方面，src 构件均体现了良好的抗震 性能，其在不同性能水平下的变形容许值也将大于传统 rc 结构，这方面的研究工作值得深 入开展。

4. src 结构功能失效的判别标准和容许变形值大小

4.1 四个性能水平及其极限状态

目前关于结构性能水平的划分方法很多，美国 vision2000、fema273 和 atc-40 均将 其划分为四种性能水平，日本和墨西哥则采取三重性能水准，参照已有的划分标准和我国新 的“建筑工程抗震性态设计通则（试用本）”，本文按照我国抗震设计的需要和建筑损伤加重 的程度，对 src 结构采用正常使用、暂时使用、生命安全和接近倒塌四个性能水平。

传统基于力的抗震设计理论将 rc 结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用 极限状态，基于性能的抗震设计考虑到“投资-效益”因素，从结构受力和业主损失两方面出 发，对应于所提的四个性能水平，将 src 结构的破坏极限状态分为正常使用极限状态、暂 时使用极限状态、生命安全极限状态和接近倒塌极限状态。

4.2 不同性能水平的失效判别标准和参数

为了确定 src 框架柱在四个性能水平下的容许变形值，首先应该能够对各种性能水平 的损坏极限状态进行描述，相应的就必须建立 src 柱不同性能水平的失效判别标准和参数。 传统的 rc 结构采用层间位移角这种单一指标作为量化参数，对于 src 结构，可以利用层 间位移角、裂缝宽度、塑形耗能、塑形转角和延性系数等加以描述和量化。

src 压弯构件经历了混凝土开裂、裂缝延伸扩展，直到压区混凝土剥落，受压纵筋和 型钢受压翼缘屈服，承载力达到峰值的一系列过程，构件最终以受压区混凝土破碎作为丧失 承载力的标志。为了与上述四档性能水平相对应，可将其整个受力过程划分为弹性阶段、带 裂缝工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段。

在前述 src 柱破坏形态与剪跨比的定量关系基础上，可以建立 src 柱三种破坏模式各 自的失效判别标准。经过分析，发现得出的三种失效判别标准之间有很多共同点，因此可将 其归纳为统一的判别标准以便应用。对于 src 柱，从开始加载到沿柱身出现剪切斜裂缝或 弯曲裂缝为正常使用性能阶段，此为弹性工作阶段，以开始出现斜裂缝或弯曲裂缝为正常使

用性能极限状态；从混凝土开始出现裂缝到受拉钢筋或型钢受拉翼缘屈服为暂时使用性能阶

段，此阶段是带裂缝工作阶段，以受拉纵筋或型钢翼缘屈服为暂时使用性能极限状态；从型 钢开始出现屈服到混凝土剥落，纵筋压屈且水平荷载达到最大值为生命安全性能阶段， 此为弹塑性工作阶段，以水平荷载达最大值为生命安全性能极限状态；从 src 柱承载力达 最大值到混凝土保护层严重剥落，直至核芯混凝土发生局部破碎且承载力严重下降为接近倒 塌性能阶段，此阶段为塑形阶段，以核芯混凝土发生局部破碎为接近倒塌性能极限状态。

4.3 不同性能水平的容许变形值

结合上述判别标准，可分别以层间位移角、裂缝宽度、塑形耗能和延性系数等作为 src 结构四个性能水平极限状态的判别参数。考虑到其中一些指标计算的难度，并为了与我国抗 震规范的性能指标相一致，这里以层间位移角和框架柱的裂缝宽度作为各种性能水平极限状 态的判别指标。

为了得到各种性能水平的层间位移角范围，本文对国内外 src 试验柱、src 平面框架 试验共约 90 个数据进行了统计分析，试验框架柱大部分为实腹式 src 构件，轴压比范围为

0.3~0.8，体积配箍率为 0.8%~2.2%。通过分析文献[4]-[20]中试验柱和平面框架的变形性能， 以及对各个性能水平极限状态的层间位移角统计结果来看，所有试件在未开裂弹性阶段的层 间位移角分布范围为 1/400～1/185，其中 1/400 对应的 src 柱仅有不到 4%的配钢率且轴压 比较高，大部分试件的弹性位移角集中在 1/350～1/200 范围内；仅有少数试件测到 src 柱 受拉钢筋或型钢屈服时的层间位移角，分布范围为 1/120～1/100，有的学者统计为 1/133～

1/100，但大部分集中在 1/120 左右；所有试件均得到了 src 构件在接近倒塌极限状态的层 间位移角，其分布范围为 1/53～1/11。

表 3 src 结构各性能水平的层间位移角分布范围及分布比

tab. 3 distribution range and proportion of inter-storey drift

正常使用阶段

从上表各性能阶段的层间位移角分布情况来看，src律性较好。按照各个性能水平层间位移角的分布比例，在达到一定安全保证率的情况下，将

src 框架结构正常使用、暂时使用和接近倒塌三个性能水平极限状态的层间位移角限值定

为 1/350、1/120 和 1/35；同时，将生命安全状态的层间位移角限值设在 1/120 和 1/30 之间， 取为 1/75。

另外，框架柱的裂缝宽度也易于作为各种性能水平极限状态的判别指标。文献[4]-[20]

所做的 src 框架柱抗震性能试验中，在对层间和柱端位移角测量的同时，考察到的柱端裂

缝宽度 在正 常使用 、暂 时使用 、生 命安全 和接 近倒塌 四个 性能水 平的 分布范 围为

0.05~0.1mm、0.5~1mm、1~2mm 和大于 2mm。

综上所述，本文提出的 src 框架结构在不同性能水平时的层间位移角限值和柱端裂缝 宽度可总结为表 4。

表 4 src 框架结构性能水平量化指标限值

tab. 4 limit value of quantitative index for src structures

5. 结论及建议

1) 提出基于性能的 src 结构抗震设计理论这一新课题，结合国内外对钢筋混凝土结构 性能水平的划分标准，将 src 结构的性能水平划分为正常使用、暂时使用、生命安全和接 近倒塌四个等级，在此基础上建立了 src 结构的 10 个抗震设防目标；

2) 总结了 src 柱在不同剪跨比时的破坏形态，提出了四个性能水平的失效判别标准和 参数，建议各自的层间位移角限值分别取 1/350、1/120、1/75 和 1/35，并将对应的柱端裂缝 宽度范围定为 0.05~0.1mm、0.5~1mm、1~2mm 和>2mm；

3) 本文所提四个性能水平的容许变形值仅建立在少量试验基础上，还需要将试验量测 结果和大量数值模拟结合起来，从理论上建立容许变形值的计算公式；同时，已有的 src 结构试验研究主要针对框架结构，目前迫切需要开展型钢混凝土组合件和型钢混凝土剪力墙 的试验研究，以便为全面实现 src 结构性态抗震设计提供依据。

参考文献

[0]免费论文网

[1] jgj138—2001/j130-2001. 型钢混凝土组合结构技术规程[s]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2] gb50011－2001.抗震结构设计规范[s]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 李俊华, 王新堂等. 低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能试验研究[j]. 土木工程学报.2007,

40(7):11~18.

[4] 贾金青,姜睿,厚童.钢骨超高强混凝土框架柱抗震性能的试验研究[j].土木工程学报,2006,39(8):14～18.

[5] 闻洋.钢骨高强混凝土柱受力性能的试验研究[j].混凝土,2006,(9):25～26.

[6] 薛伟辰,胡翔.钢骨混凝土框架滞回分析研究[j].地震工程与工程振动,2005,25(6): 76～80.

[7] 李斌,闻洋,李云云.钢骨高强混凝土柱受力性能的试验研究[j].包头钢铁学院学报,2006,25(2):197～199.

[8] 蒋东红 , 王连广 , 刘之 洋 . 钢 骨高强 混凝土框 架 柱开裂荷 载 的试验研 究 [j]. 四川建筑 科 学 研 究,2002,28(3):7~9.

[9] 曹万林等.异性截面钢骨混凝土柱抗震性能试验研究[j].世界地震工程,2004,20(2):64~68.

[10] 白国良,石启印.空腹式型钢混凝土框架柱的恢复力性能[j].西安建筑科技大学学报,1999,31(1):32~34.

[11]黄亮.深圳时代财富大厦超高层建筑结构若干问题研究[j].工程抗震与加固改造,2006,28(3):60~64.

[12] 薛建阳,赵鸿铁.型钢混凝土框架模型的弹塑性地震反应分析[j].建筑结构学报,2000,21(4):28~33.

[13] 徐培福等.带转换层型钢混凝土框架—核心筒结构模型拟静力试验对抗震设计的启示[j].土木工程学 报,2005,38(9):1~8.

[14] 杨勇, 郭子雄, 聂建国. 型钢混凝土竖向混合结构过渡层抗震性能研究综述[j]. 工程抗震与加固改 造,2006,28(5):78~86.

[15] 李丕宁, 秦荣.基于性能的高层钢—混凝土混合结构住宅设计 [j].工程力学, 2007, 24(sup1):87~93.

[16] 田玉基等.钢骨混凝土梁式托柱转换层结构的研究[j].工业建筑,2000,30(2):54~57.

[17] 刘阳.核心型钢混凝土柱抗震性能实验研究[硕士论文].华侨大学硕士学位论文,2006.

[18] 庄云.src 柱—rc 梁组合件抗震性能试验研究[硕士论文]. 华侨大学硕士学位论文,2006.

[19] 王妙芳 , 郭子 雄 . 型钢混凝土柱抗震性态水平及极限状态的讨论 [j]. 工程抗震与加固改造 .2006,

28(3):31~36.

[20] mizuo inukai, kazuya noguchi, masaomi teshigawara, and hiroto kato. seismic performance composite columns using core steel under varying axial load [j]. 13th

world conference on earthquake engineering, 2004:598～606.

study on seismic performance levels and tolerant

deformation values about src structures