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型钢混凝土结构设计规程对比分析.pdf

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'苏州科技学院学报（工程技术版）第!)卷第#期0%>=4<;M8?G;7N>=6@;8<@8F9>PN>=6QRO>QS>9%!)T>%#$’’(年-月（E9>PN）68U%$’’(型钢混凝土结构设计规程对比分析（!）杨勇!"#，邵永健$，郭子雄!（!%华侨大学土木工程系，福建泉州#&$’$!；$%苏州科技学院土木工程系，江苏苏州$!(’!!；#%清华大学土木工程博士后流动站，北京!’’’)*）摘要：首先对日本和欧美等国外有关型钢混凝土结构的设计规程进行了介绍，并结合我国现有的关于型钢混凝土结构的两部规程《钢骨混凝土结构设计规程》（+,-’)$.-/）及《型钢混凝土组合结构技术规程》（010!#).$’’!20!#’.$’’!）的编制背景和依据，对其进行了详细的比较分析。重点对两部规程中有关型钢混凝土梁的正截面抗弯、斜截面抗剪承载能力的计算理论和计算方法进行了比较。通过型钢混凝土梁承载能力的计算实例，对两部规程的应用方法、计算步骤和计算结果作了比较分析。可为两部型钢混凝土结构设计规程工程应用提供参考。关键词：型钢混凝土结构；设计规程；承载能力；计算实例中图分类号：34#-)文献标识码：5文章编号：!&/$.’&/-（$’’(）’#.’’’&.’*型钢混凝土（67889:8;<=>?@8AB><@?878，简称6:B）结构是钢与混凝土组合结构的一种主要形式C!"$D，在日本称之为钢骨钢筋混凝土（铁骨铁筋コンクリ—ト）结构，在欧美国家称之为混凝土包钢（67889E<@FG8AB><@?878C!H*D。型钢混凝土结构承载力高、刚性大并具有良好的）结构，在前苏联则被称为劲性钢筋混凝土结构延性和耗能性能，因而特别适用于地震区。在欧美和日本等国家，型钢混凝土结构的应用非常普遍，在国内的应用和推广亦日趋广泛C!H*D。目前日本C(D、前苏联C&D、美国C/D和欧洲C)D都制定了6:B结构的设计规范（或规程），我国原冶金工业部和建设部分别于!--)年和$’’$年制定了两部相应的行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（+,-’)$.-/）C-D及《型钢混凝土组合结构技术规程》（010!#).$’’!20!#’.$’’!）C!’D，但是目前我国尚未形成统一的6:B结构的设计规范。由于两部规程的编制依据和编制背景的不同，它们在6:B构件的计算理论、计算方法和构造要求上均有一定的差异，给6:B结构的工程设计带来了影响。因此对型钢混凝土结构规程的差异和区别进行探讨分析，掌握两部规程的计算理论和设计方法，具有一定的实际意义。!国外有关规程（规范）介绍型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结作用远远小于钢筋（尤其是变形钢筋）与混凝土的粘结作用。国内外的试验研究表明，型钢与混凝土的粘结作用大约只相当于光圆钢筋与混凝土的粘结作用的*(IC!D，因此在型钢混凝土结构中，粘结滑移的存在将直接影响到构件的承载能力、破坏形态、裂缝和变形计算等受力性能。而正是由于对型钢混凝土粘结滑移的不同考虑，各国关于型钢混凝土结构的规范和规程存在较大的差异。日本建筑学会经过四次修订，于$’’!年形成了新的型钢混凝土结构设计规范《铁骨铁筋コンクリ—ト计算规准·同解说》（5J0.6:B）C(D。日本的规范是基于累加强度的设计方法，它忽略混凝土与型钢共同工作的有利影响，计算结果偏于保守，并且当型钢配置不对称时，计算精度不高。前苏联规范《劲性钢筋混凝土结构设计指南》（"##./)）C&D主要规定了实腹式型钢截面的设计方法，所采—————————C收稿日期D$’’(.’/.!(C基金项目D国家自然科学基金资助项目K(’*/)!$’LC作者简介D杨勇（!-/&.），男，江西吉安人，讲师，博士。 第!期杨勇等：型钢混凝土结构设计规程对比分析（!）,用的计算方法与钢筋混凝土结构相同，它将型钢离散为钢筋，认为型钢与混凝土之间具有可靠的粘结力，型钢能与混凝土共同工作直到构件破坏为止，忽略了型钢混凝土结构在受力后期表现相当明显的粘结滑移现象，而按完全协同工作考虑，整个设计方法完全套用钢筋混凝土结构的设计方法，计算偏于不安全。欧美国家主要是以试验与数值分析为基础的经验公式，美国关于"#$结构的设计在混凝土结构设计规范%$&和钢结构设计规范%&"$’(#)*+,-中均有规定。在%$&规范中将型钢视为等值钢筋，然后再以钢筋混凝土结构的设计方法进行型钢混凝土构件的设计。在%&"$’(#)*规范中是以钢结构计算方法为基础，根据型钢混凝土结构大量的试验结果，经数值分析计算，引入一定的参数加以调整的经验公式。在.//0年123#4建筑业抗震设计规则的建议草案中也有关于组合结构的设计规定，其设计方法主要综合前面两规范，并在此基础上增加组合结构抗震设计的内容。在欧洲，英国、德国等国家对型钢混凝土结构都有相应的设计规范。欧洲国家关于"#$结构的计算模式是在型钢混凝土构件试验研究的基础上，通过大量的数值计算直接拟合试验结果得出近似的经验公式，./56+5-中，关于组合柱简易设计方年由英、德、法、荷兰四国共同制订的欧洲组合结构设计规范27#8$8*20法的!9"#9相关曲线的近似经验公式就是这样建立的。由于可靠度水准、材料基准强度取值不同，有些公式仅适用于对称截面，并且精度较低。英国$4..:规范关于型钢混凝土组合柱的计算方法的建立方法与%&"$’(#)*+.-。的建立方法相似;我国两部规程的编制背景;<.+/-钢骨混凝土结构设计规程原冶金工业部于.//5年颁布了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（=>/:5;’/,）+（/-以下简称=>规程）。这部规程主编单位是冶金工业部建筑研究总院，该规程主要编制单位大都是设计研究单位，参编人员主要是设计领域的专家，而且主要是钢结构方向的专家，清华大学是唯一参编高校，为规程理论和试验研究提供支持。该规程的特点是以日本规范模式为基础，包括其名称（钢骨混凝土结构）也是基于日本规范《铁骨铁筋コンクリ—ト计算规准·同解说》。该规程忽略了型钢和混凝土之间的粘结作用，按叠加原理建立承载能力和刚度的计算公式，工程实际应用比较方便，计算简单、可操作性强，带有浓厚的“设计”气息，但设计结果偏于保守，容易造成不经济。;<;+.:-型钢混凝土组合结构技术规程我国建设部于;::.年编制了《型钢混凝土组合结构技术规程》（?@?.!5’;::.A?.!:’;::.）+.（:-以下简称?@?规程）。这部规程的主编单位是中国建筑科学研究院，参编单位大都是高等院校，参编人员主要是高校科研人员，而且大都是从事钢筋混凝土结构方向教学研究的专家。该规程的编制主要是依据我国近;:年的试验研究结果，主要编制人员也都是当年“劲性钢筋混凝土课题研究组”的主要研究人员，因此该规程的特点是以钢筋混凝土理论为基础、以试验研究成果为依据建立的，在这套规程中引入了平截面假定，采用极限状态设计法设计，基本上反映了我国目前对型钢混凝土结构研究的最新成果，并且其设计思路基本上与我国钢筋混凝土结构的设计方法相一致。该规程理论依据较为充分、考虑因素全面、计算结果比较准确，但计算公式比较复杂，带有较浓厚的“学院”气息。!两部规程的比较分析由于编制背景和依据的差异，两部规程在很多方面存在差异，而对于"#$结构工程设计来讲，主要关心的是构件的承载能力计算、构件的设计方法和构造要求等。下面主要针对两部规程在"#$梁、柱、剪力墙和梁柱节点各种构件的承载能力、构造要求方面的区别进行比较，以方便对两部规程的掌握和理解应用。!<."#$梁正截面承载能力=>规程采用强度叠加理论，将"#$分为"部分（钢结构部分）和#$部分并分别计算，计算结果偏于保 .苏州科技学院学报（工程技术版）!""#年守，而且对不对称截面（图$（%）、图$（&）、图$（’）所示截面）计算精度不高，但计算方便简单，适合于截面估算和截面试设计。（1）（%）（&）（’）图$型钢混凝土梁截面形式()(规程采用钢筋混凝土计算理论，考虑到构件受力后期粘结失效的客观存在，将混凝土的极限压应变取为"*""+，并将《混凝土结构设计规范》（),($"-./）的!&0改为!&，以降低构件承载能力。但是新的混凝土结构设计规范（),#""$"-!""!）为提高可靠度，统一将!&0改为!&，所以()(规程采用这种考虑方法的结果会导致()(规程可靠度较混凝土规范低。两部规程都主要针对比较规则、常见的截面形式（充满型实腹型钢混凝土图$（1）），但一般不影响实际的工程应用，对于对称性差、较特殊的截面（图$（%）、图$（&）、图$（’）所示截面），规范中相应内容不多，可以参考有关文献2$3。算例已知型钢混凝土梁截面尺寸为"&4#&5$"""004$.""00，截面特征如图!所示，混凝土强度等级为6+"，型钢采用7+8#钢，纵筋采用9:,++#!，试计算梁截级钢筋，梁截面纵筋配筋量$;5$;<5848/"5$/="00图!型钢混凝土梁截面特征面的抗弯承载能力%>。（$）按()(规程计算!5$#?@00!，!5!<5+$#?@00!，!5!<5+""?@00!，!#5$B#00&;;AA$"，!!#"5$=!#00=""4!#4$=!*#C848/"4B"$B#$=!#式中，#"5#-5$=8.00；!$55"*$"=；!!55"*/.==""4!#C848/"$=8.$=8.所以可以得到&5!!*#"-（!C!）"’#!5!!*#"-（"*$"=C"*/.=）"4$=4$=8.4+$#5!*"B=4$"B"-/*"B4$"=（$）1D$!D";根据规程公式（#*$*!-$）可以得到$#4$"""4"4$=8.C!*"B=4$"B"-/*"B4$"=5"（!）求解得到"5"*!"，所以(5++"00E);5!&"(##"-(@!$C!A<$;<##"-);<$C!;<$;F<##"-);;<$C%1D5$#4$"""4++"4#$=8.-$=#$C+""4848/"4#$=8.-B"$C+$#4=""4!#4#$=8.-$=!*#$C（+）!!!!!5B*+84$"/C/*!.4$".CB*"!4$"/-!*!+4$"/5$+"#.G?!"*##!$C!!$-#!$C!!$C!*#"-#$*!#"$"’D#";·0（!）按H,规程计算根据截面特征可得到*5!*B!4$"B00+，代入H,规程计算公式（=*!*!-$）、（=*!*+-$）得到;;%;;5$*"#4!*B!4$"B4+$#5.//=*8G?·0（8）%I&5848/"4+""4（$+"-B"）5/.$*/=G?·0（#）%>5.//=*8C/.$*/=5//B.*+=G?·0（=）比较H,规程和()(规程计算结果可以看出，H,规程计算结果相对()(规程较为保守，但计算很方便，可以用于初步设计确定型钢的截面。()(规程计算相对复杂，但考虑因素较为全面，理论依据较为充分，计算 第!期杨勇等：型钢混凝土结构设计规程对比分析（’）:结果较为准确，可以用于梁截面的准确设计或强度校核。!"#$%&梁斜截面承载能力在’(规程和)*)两部规程中，梁的斜截面抗剪承载能力计算理论都与钢筋混凝土斜截面的承载能力计算理论相同，将型钢混凝土截面的斜截面抗剪能力从形式上分为三部分：箍筋抗剪作用!箍筋、混凝土抗剪作用!&和型钢（钢骨）抗剪作用!$，即!$%&+!,-.!$+!箍筋.!&.!$（/）两部规程关于!箍筋、!&和!$的规定主要区别在于系数取值不同（见表0），通过比较各系数取值，可以大致看出两部规程的主要区别在于混凝土的抗剪承载力，)*)规程考虑到核心混凝土的约束作用，提高了混凝土的抗剪能力，但降低了箍筋的抗剪作用，型钢部分差别不大（"112!3"45"11）。总体上来说，对于工程实际的斜截面抗剪计算，两部规程计算结果相差不太大。应该注意，)*)规程考虑了剪跨比!对集中荷载作用下型钢部分抗剪能力的影响，而在’(规程未曾考虑。表0两部规程关于梁斜截面承载能力系数取值6结语（0）我国现行的两部$%&结构设计规程的主要区别在于：’(规程以日本规程为基准，主要根据强度叠加原理建立构件承载力计算理论，计算简单方便，但计算结果准确度不高并且偏于保守。)*)规程以我国自己的试验研究结果为依据，基本上以钢筋混凝土模式建立计算方法，计算过程和计算公式比较复杂，但计算结果较为准确。（#）根据以上探讨和算例比较，对于$%&梁可以采用以下设计步骤："按’(规程初步确定型钢截面。可以按3"/73"5#8来选择型钢截面；#按照构造要求进行截面设计（保护层厚度、截面高度）、混凝土强度等；$按)*)规程对截面进行配筋计算，确定纵筋配筋量。（!）两部规程在很多内容上以《混凝土结构设计规范》（*()0395:）为基准，随着新的《混凝土结构设计规范》（*(433039#33#）的施行，两部规程应该进行相应地修订和统一，以适应我国建筑结构提高可靠度的需要，也为制定我国统一的$%&结构设计规范提供依据。参考文献：;0<赵鸿铁"钢与混凝土组合结构;=<"北京：科学出版社，#330";#<叶列平，方鄂华"钢骨混凝土构件的受力性能研究综述;)<"土木工程学报，#333>!!?4@A0900";!<%BCDC,&E"&BFGB1HICJKD=HLCD&BK1I,8-IHBK;=<"01ICD"MCN’B,OAP$&Q，0:56";6<)BRK1BK%S"&BFGB1HIC$I,8-I8,C1BT$ICCUJKD&BK-,CIC>VBU8FC09(CJF1>1UJW1>&BU8FK1JKDX,JFC1TB,(8HUDHKY;=<"#KDCD"Z[XZ%A(UJ-ONCUU$-HCKIHTH-S8WUH-JIHBK1>0::4"0049#!3";4<日本建筑学会"铁骨铁筋コンクリ—ト计算规准·同解说;$<，#330";]<柳春圃"苏联劲性钢筋混凝土结构设计指南（%&!9/5）;=<"北京：冶金工业部建筑研究总院技术情报室汇编，0:5!";/0::!";5&BFFBK‘KHTHCD%8UC1TB,&BFGB1HIC$ICCUJKD&BK-,CIC$I,8-I8,C1;$<"&BFFH11HBKBTQ8,BGCJK&BFF8KHIHC1>0:54";:<’(:35#9:/，钢骨混凝土结构设计规程;$<";03<)*)0!59#330a)0!39#330，型钢混凝土组合结构技术规程;$<"（下转第06页） .‘苏州科技学院学报（工程技术版）!""#年$%&赵宝成’偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策$(&’西安：西安建筑科技大学)!""*’$+&,-,."./00，建筑抗震试验方法规程$1&’$0&赵宝成，顾强’偏心支撑钢框架在循环荷载作用下非线性有限元分析$,&’土木工程学报，!""#)*+（!）：!%/*.’1234561789:;<=>>63?@2>8559A@8>6<1?665B@8C6=36@49/<2DD2E8?2;3F3<6@G9>552>H;8M634，-NO2834（(6E?’;PG2Q25=342366@234)N1R1)1FSM;F!.#"..)GM238）!"#$%&’$(123456D789@;<6>>63?@2>8559T@8>6>63?@2>8559T@8>6?F@672?M7655@6D2D?83?/D62DC2>83<636@49/<2DD2E8?2;3’K36783859?2>85C;<657M2>M23>5F<6D<64636@8?6DM655656C63?8EE526<6P;@C8?2;383?F@62DE@6D63?6<23?M2DE8E6@P;@83859S234D23456D789@;<6>>63?@2>8559T@8>6;CE526<83<6D2438@6E@6D63?6<’)*+,-%.#：D23456D789@;<6>>63?@2>8559T@8>62P2>8?2;3DP;@(6D243;P1?665:623P;@>6@6?61?@F>?F@6DW!XYKZ-Y;34.)*，1JKLY;34/[283!，-NLI2/2;34.W.’(6E?’;PG2Q25=342366@234)JF8]28;N32Q6@D2?9)OF83SM;F*^!"!.)GM238V!’(6E?’;PG2Q25=342366@234)N1R1)1FSM;F!.#"..)GM238V*’_;D?<;>?;@851?8?2;3;PG2Q25=342366@234)RD234MF8N32Q6@D2?9)A62[234."""+‘)GM238X!"#$%&’$(a3?M2DE8E6@)?M6DE6>2P2>8?2;3DP;@<6D243;P1?665:623P;@>6@6?6W1:GXD?@F>?F@6D8<;E?6;F3?@26DDF>M8D,8E83)N1K76@623?@;6<8?P2@D?VK32P2>8?2;3DP;@<6D243;P1:GD?@F>b?F@6D23;F@>;F3?@9)7M2>M8@6?M6R6>M32>851E6>2P2>8?2;3P;@1?665:623P;@>6@6?6G;CE;D2?61?@F>?F@6DW,-,.*+/!"".c,.*"/!"".X83<1E6>2P2>8?2;3P;@1?665/:623P;@>6@6?61?@F>?F@6DWYA0"+!/0%X)76@6838b59S6<23<6?825T8D6<;3?M62@>;CE25234T8>U4@;F3<’(2D>FDD2;3D76@6P;>FD6<;3?M6>85>F58?2;3?M6;@9;PT638E8>2?9;P1:GT68CD23?M6?7;DE6>2P2>8?2;3D’RM6<6D243C6?M;85>F58?2;3D?6EDP;@?M6?7;DE6>2P2>8?2;3D76@6E@6D63?685>F58?2;368CE56;P?M6?9E2>851:GT68CD’RM67;@U78DM65EPF5?;6342366@2348EE52>8?2;3;P?M6?7;DE6>2P2>8?2;3D231:GD?@F>?F@6D<6D243’)*+,-%.#(1?665:623P;@>6@6?6W1:GXD?@F>?F@6V<6D243DE6>2P2>8?2;3VT68@234>8E8>2?9V>85>F58?2;368CbE56'

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