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型钢混凝土结构( SRC)设计规程比较 3 杨 勇 聂建国 (清华大学 土木工程系博士后流动站 北京 100084) 摘 要:首先对日本及欧美等国外有关型钢混凝土(SRC)结构的设计规程进行了介绍,并简单介绍了我 国现有的关于型钢混凝土(SRC)结构的两部规程 钢骨混凝土结构设计规程(Y B 9082 - 97)及 型钢混凝土组 合结构技术规程(JG J 138 - 2001)的编制背景和依据。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、 型钢混凝土(SRC)偏心受压构件、 剪力墙和梁柱节点的计算理论和计算方法进行了重点比 较分析,并结合型钢混凝土(SRC)梁、 型钢混凝土(SRC)偏心受压构件和梁柱节点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做了比较分析,为使用两部型钢混凝土结构设计规程提供参考。 关键词:型钢混凝土(SRC)结构 设计规程 承载能力 计算实例 COMPARISON OF THE SPECIFICATIONS FOR DESIGN OF SRC STRUCTURES Yang Y ongNie Jianguo (Postdoctoral Station Civil Engineering , Tsinghua UniversityBeijing100084) Abstract : The specifications for design of Steel Reinforced Concrete (SRC) structures of the foreign countries such as Japan , USA were introduced at first , and the two specifications for design of SRC structures in our country , which are the Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structures (JG J 138 - 2001) and Specification for Steel2 Reinforced Concrete Structures ( Y B 9082 - 97) were analyzed in detail based on their background. Discussions were focused on the calculation theoryof the two specificationson bending and shearing load2bearing capacityof SRC beams , SRC eccentric compression columns , shear walls and beam2column joints. The design methods and calculation steps for the two specifications were presented by means of a series of calculation examples of typical SRC beams , and SRC eccentric compression columns and beam2column joints. Finally the detail requirementsof SRC members in the two specifications were fully analyzed. This work is helpful to the engineering application of the two specifications in SRC structures design. Keywords : steel reinforced concrete (SRC) structuredesign specificationload2bearing capacitycalculation examples 3 中国博士后基金(编号:2005037062)、 国家自然科学基金资助项目 (批准号:50478120)。 第一作者:杨 勇 男 1976年11月出生 博士 华侨大学讲师 收稿日期:2005 - 08 - 20 型钢混凝土结构承载力高、 刚性大并具有良好的延性和 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1 - 4。目前,日本5、 前苏联(见1983年冶金工业部建 筑研究学院技术情报室汇编8302)、 美国6和欧洲7都制定 了SRC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1998年和2002年制定了两部相应的行业标准 钢 骨混凝土结构设计规程( Y B 9082 - 97) (以下简称 “Y B规 程”)及 型钢混凝土组合结构技术规程(JG J 138 - 2001) (以 下简称 “JG J规程” ) , 但我国尚未形成统一的SRC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,二者在 SRC构件计算理论、 计算方法和构造要求上均有一定的差异。 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。 1 我国两部规程编制背景 111 钢骨混凝土结构设计规程(Y B 9082 - 97) Y B规程的特点是以日本规范模式为基础,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。 112 型钢混凝土组合结构技术规程(JG J 138 - 2001J 130 - 2001) “JG J规程” 的特点也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。 08Industrial Construction Vol136 ,No11 ,2006 工业建筑 2006年第36卷第1期 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SRC结构工程设计方面,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SRC梁、 柱、 剪力墙和梁柱节点的承载能力、 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。 2SRC梁承载能力 211SRC梁正截面承载能力 Y B规程:采用强度叠加理论,将SRC分为钢结构部分和 混凝土部分并分别计算,计算结果为实承载能力下限值,偏 于保守,而且对不对称截面(图1b图1d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。 图1 型钢混凝土梁截面形式 “JG J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 01003 ,并将 混凝土结构设计规范(G BJ 10 - 89)中的fcm改 为fc,以降低构件承载能力,而新的 混凝土结构设计规范 (G B 50010 - 2002)为提高可靠度,统一将fcm改为fc,所以JG J 规程的结果会导致其可靠度较 “规范”(G B 50010 - 2002)低。 两部规程都主要针对比较规则、 常见的截面形式(实腹 型钢混凝土如图1a) ,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1b图1d所示截面 ) , 规程中相应 内容不多,可以参考文献1。 算例:已知型钢混凝土梁截面尺寸为bchc=1 000mm 1 800mm,截面特征如图2所示,混凝土强度等级为C30 ,型钢 采用Q345钢,纵筋采用HRB335级钢筋,梁截面纵筋配筋量 As=A s=4490 =1960mm 2 ,试计算梁截面的抗弯承载能力Mu。 图2 型钢混凝土梁截面特征 1) 按 “JG J规程” 计算 fc= 15MPafs=f s= 315MPa fy=f y= 300MPa 1h0= 175mm 2h0= 1 625mm h0=h- 6002516215 + 449070 60025 + 4490 = 1 648mm 1= 1751 648 = 01106;2= 1 6251 648 = 01986 所以,可得到: Naw= 215 - ( 1+2 ) twh0fs= 21076107- 9107106 根据 “JG J规程” 公式 (5 1112 - 1)可以得到: 151 000 1 648 + 21076107- 9107106= 0 求解得到= 0120 ,所以x= 330mm a s+tf= 150 + 25 = 175mm。 代入 “JG J规程” 公式 (5 111 2 - 2) 和公式 (5 1112 - 6) ,得到: Mu=fcbx(h0-x2) +f yAs(h0- a s ) + f sAsf(h0- a ss ) + Maw= 13 058kNm 2) 按 “Y B规程” 计算 根据截面特征可以得到Wss= 2172107mm3,代入 “Y B 规程” 公式 (6 1212 - 1)、 公式 (6 1213 - 1)得到: Mss= 11052172107315 = 8 99614kNm Mrc= 4490300(1 730 - 70) = 981196kNm Mu= 8 99614 + 981196 = 9 978136kNm 比较 “Y B规程” 和 “JG J规程” 计算结果可以看出,“Y B规 程” 计算结果相对 “JG J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。 “JG J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,计算结果较为准 确,可以用于梁截面的准确设计或强度校核。 212SRC梁斜截面承载能力 在两部规程中,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相同,将型钢混凝土截面的斜 截面抗剪能力从形式上分为3部分:箍筋抗剪作用V箍筋、 混 凝土抗剪作用Vc和型钢(钢骨)抗剪作用Vs,即: VSRC=Vrc+Vs=V箍筋+Vc+Vs(1) 两部规程关于V箍筋、Vc和Vs的规定主要区别在于系数 取值不同(表1) ,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大小,“JG J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(fssv0158fss)。 总体上,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,“JG J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 “Y B规程” 未曾 考虑。 3 偏心受压构件正截面承载能力 两部规程关于偏压构件的正截面承载能力计算这一部 分区别较大。 “Y B规程” 采用两种叠加模式:简单叠加方法 和改进叠加方法,计算比较方便,但计算结果相对保守,计算 用钢量偏大。 “JG J规程” 采用与钢筋混凝土构件正截面承载 力计算相同的基本假定,以钢筋混凝土偏心受压柱正截面承 载能力计算理论为基本模式,将型钢腹板的应力简化为拉压 矩形应力图,采用极限平衡法推导出简化计算方法,并对大、 小偏心受压情况分别给出了不同腹板的受弯承载力和受压 承载力的计算公式,在一定程度上保持了与钢筋混凝土结构 设计的连贯性。 “JG J规程” 的计算方法理论依据比较充分, 但一般需要进行复杂的数学运算。 18 型钢混凝土结构(SRC)设计规程比较 杨 勇,等 表1 两部规程关于梁斜截面承载能力计算比较 规程 混凝土抗剪作用箍筋抗剪作用型钢抗剪作用 均布荷载作用 集中荷载作用 均布荷载作用 集中荷载作用 均布荷载作用 集中荷载作用 截面尺寸校核 (剪压比校核) 型钢腹板最小尺 寸验算 Y B0107fcbh0 0120 + 115fc bh0115fyvh0Asvs1125fyvh0Asvsfssvtwhwfssvtwhw V fcbh0 0140 JG J0108fcbh0 0120 + 115fc bh0110fyvh0Asvs110fyvh0Asvs0158fsstwhw 0158 fsstwhw V fcbh0 0145 fsstwhw fcbh0 0110 按 “JG J规程” 计算SRC偏压构件,建议采用以下步骤编 制计算程序可以简化计算 :1) 根据轴压比和保护层厚度初步 确定偏心受压柱截面尺寸和柱中型钢截面 ;2) 按构造要求配 置纵向钢筋 ;3) 根据M和N相互关系,大致判断属于 “JG J规 程” 中哪种情况。由于型钢截面变化较大,很难有统一的判 断标准,因此可以先假定1h0 1125x2h0,计算Naw ;4) 再假定x bh0,计算x,如果满足条件,则可以直接计算 Mu ;5) 如果不满足,则按x bh0计算x和相应的Mu ;6) 如 果以上两种情况都不满足1h0 1125x2h0,则按 1h0 2h0M,则按第 2) 步预先确定 的纵筋配筋,如果MuM,则调整初步设计,重新进行计算。 算例:已知型钢混凝土柱承受设计轴力N= 9 000kN和 绕强轴x轴的设计弯矩M= 1 600kNm。柱截面尺寸为bc= hc= 800mm ,截面如图3所示。混凝土强度等级为C30 ,型钢 采用Q345钢,钢筋采用HRB335级钢筋。计算型钢混凝土柱 截面所需纵筋配筋量As=A s。 图3 柱截面特征 1) 按 “Y B规程” 中简单叠加法计算 fc= 15MPa ,fs=f s = 315MPa fy=f y= 300MPa ,Wa= 2 89610 6mm3 所选型钢截面的抗弯承载力为: M0a=sWafa= 957185kNm M= 1 220kNm 假定钢筋混凝土承担全部轴力,型钢承担弯矩,不足部 分由钢筋混凝土截面承担,因此钢筋混凝土截面承担的轴力 和弯矩分别为:N= 9 000kN ,Mrc=M-M0a= 642kNm ,截面有 效高度为h0= (4730 + 2 660) 6 = 706mm。 a1 计算偏心距 取= 110 ,e0= Mrc N = 7113mm ,e0Nssc0=fssAss= 1 980kN 则按Nrcc= 9 000 - 4 980 = 4 020kN ,Mrcc= 1 600kNm计算配筋 量。 = 110 ,e0= Mrcc Nrcc = 398mm ,e0 013h0,按大偏心受压 情况考虑。则: e=e0+ h0 2 -a= 704mm = Nrcc fcbh0 = 01474 b= 01518 As=A s= Ne-(1 - 015)fcbh20 fy(h0-a) = 3 632mm2 按第一种情况计算钢筋配筋量小于按第二种情况计算 的钢筋配筋量,所以按第一种情况计算结果配筋,实配622 , As=A s2 280mm 2 。 3) 按 “JG J规程” 计算 按所配钢筋622 ,As=A s= 2 280mm 2 ,计算承载能力 Mu。 a1 假定1h0 1125x2h0,则: 1= 200 650 = 01307 ,2= 600 650 = 01923 Naw= 215 - ( 1+2 ) twh0fs= 5189106- 219106 b1 再假定x bh0,则: x 347mm ,假定不成立。 c1 重新假定xbh0= 01534h0= 347mm ,根据 “JG J规 程” 公式 (6 1112 - 1) ,可以得到: = 01727 ,x= 473mm ,1125x= 591mm 满足假定条件:xbh0= 01534h0= 347mm和1h0 1125x 015bc= 200mm ,所以bj=bc= 400mm ,hj=hc= 500mm。 混凝土抗剪能力: Vc= 1 RE Vj= 1 37312kN ,因此,不 必按计算配置箍筋,只需按构造要求进行箍筋加密,并且体 积配箍率不小于015 %。 2) 按 “Y B规程” 计算 a1 节点的剪力设计值 8度地震设防,框架梁为型钢混凝土梁,所以: Vj= 111M bL+MbR hb- 2ab H n H = 1 16314kN b1 节点抗剪能力 混凝土抗剪能力: Vc= 1 RE011 jfcbjhj= 1 05819kN 节点区型钢腹板抗剪能力: Vw= 1 RE fssvtwhw= 54410kN 轴压力对抗剪提供的有利作用为: VN= 1 0185 011115106= 17615kN 因为,Vju=Vc+Vw+VN= 1 77914kN Vj= 1 16314kN ,因 此不必按计算配置箍筋,仅需按构造要求进行箍筋加密。 比较上述 “Y B规程” 和 “JG J规程” 计算结果可以看出,对 于梁柱节点的抗震承载力验算,两者还是比较接近的,两部 规程关于梁柱节点抗剪能力计算公式的区别主要表现在对 轴压力有利作用的不同考虑。应该注意,“Y B规程” 和 “JG J 规程” 中按构造要求配置的箍筋会相差较大。 6 构造要求 构造要求对型钢混凝土构件的受力性能尤其是抗震性 能的影响很大,两部规程对型钢混凝土构件均提出了详细的 构造要求,包括构件的纵筋配置、 箍筋加密、 保护层厚度、 型 钢的宽厚比要求和型钢含钢率以及体积配箍率的要求。表2 中主要列出了两部规程关于型钢含钢率、 保护层厚度、 宽厚 比限值、 纵筋设置等方面的不同要求,相对来说,“JG J规程” 对构造要求的规定更为详细和全面,与 “规范”(G BJ 10 - 89) 更为接近和相似。 7 结 语 1) “Y B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,但计算结果偏 38 型钢混凝土结构(SRC)设计规程比较 杨 勇,等 于保守。 “JG J规程” 以我国试验研究为依据,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。 表2 两部规程构造要求区别 规程纵筋配置含钢率及型钢配置保护层厚度箍筋配置 “Y B规程”d12mm,并有详细的纵筋间 距规定,纵筋与型钢的净间距 不得小于30mm,且不小于粗 骨料最大粒径115倍 梁柱构件中,型钢含钢率 不小于2 % ,也不宜大于 15 %。型钢板材厚度不 小于6mm,且满足宽厚比 要求 型钢的保护层厚度对梁宜 采用100mm,对柱宜采用 150mm,型钢的最小保护层 厚度不得小于50mm 对于梁柱构件规定 :1) 箍筋直径和 间距符合规范要求 ; 2) 在距梁端 115h(梁高)范围内箍筋进行加密; 对于深梁全长加密 ;3) 梁柱箍筋配 置构造要求相同 “JG J规程”d16mm,纵筋与型钢的净间 距不宜小于30mm,并且梁配 筋率宜大于013 % ,柱配筋率 宜大于018 % ,柱内纵向钢筋 净距不宜小于60mm。其他构 造应符合 “规范”(G BJ 10 - 89) 要求 柱含钢率不宜小于4 % , 且不宜大于10 % ,对于梁 没有规定。型钢板材厚 度不小于6mm,且要满足 宽厚比要求 钢筋的保护层厚度按“规 范”(G BJ 10 - 89)采用,型钢 的保护层最小厚度对梁不 宜小于100mm,且梁内型钢 翼缘离两侧距离之和不宜 小于截面宽度的13;对柱 不宜小于120mm 1) 规定梁柱构件的箍筋配置直径和 间距以及加密区长度和加密区箍筋 配置 ;2) 规定不同轴压比情况下,柱 的最小体积配箍率 ;3) 梁柱节点核 心区的最小体积配箍率对于一、 二、 三级抗震等级分别规定不宜小于 016 %、015 %、014 % 注 :1) 其他构造要求暂不全面列出,可以参看相应规程 ;2) “JG J规程” 与 “规范”(G BJ 10 - 89)比较类似,两部规程同时规定有关构造要求应 符合 “规程”(G BJ 10 - 89)和 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JG J 3)要求。 2) SRC偏压构件正截面承载能力采用 “JG J规程” 计算较 为准确,但是计算比较繁琐,采用本文建议的计算步骤可以 使计算简化。 3) SRC梁柱节点的设计计算采用两部规程的计算结果 相差不大,“JG J规程” 采用 “规范”(G BJ 10 - 89)的模式,将节 点的计算更加细化,准确度有所提高。 4) “JG J规程” 相对 “Y B规程” 的构造要求更加严格和细 化,与 “规范”(G BJ 10 - 89)比较相似,便于广大工程人员掌握 和应用。 5) 两部规程在很多内容上以 “规范”(G BJ 10 - 89)为基 准,随着新的 混凝土结构设计规范(G B 50010 - 2002)的施 行,两部规程应该进行相应地修订和统一,为制定我国的 SRC结构设计规范提供依据。 参考文献 1 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京:科学出版社,2001 2 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,2000 ,33(5) :1 - 11 3Roeder C W. 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Commission of European Communities ,1985 (上接第29页) 度42010Nmm2、 剪跨比为5、 纵筋配筋率110 %、 截面宽度 015m、 截面高度015m。由图5可知,混凝土强度增大,柱侧 向承载力提高。 3 结 论 本文探讨了采用人工神经网络技术预测双向压弯钢筋 混凝土柱侧向承载力,建立了一个三层BP神经网络模型,利 用数值模拟数据,当给定截面尺寸、 轴压比时,考虑10种影 响因素,对该模型进行训练,并将预测值与数值模拟值进行 比较,二者吻合较好。表明通过人工神经网络的方法,可以 将双向压弯钢筋混凝土柱侧向极限承载力与其复杂的影响 因素模拟为非线性关系。对于其他情况下,如果样本数据足 够充足丰富,人工神经网络可以进行更加广泛的构件延性等 的预测,该方法具有很强的拓展性。 参考文献 1 李永靖,王 强,高 平.基于改进BP神经网络的路基材料性 能预测.辽宁工程技术大学学报,2004 ,23(1) :57 - 58 2 杨天才,刘 鸿,程绍佳,等.一种神经网络模型在混凝土配比设 计中的应用.武汉工程职业技术学院学报,2003 ,15(2) :21 - 23 3 魏 星,黄茂松,虎旭林.采用神经网络材料本构模型的智能有 限元及其算法.宁夏大学学报,2002 ,23(3) :237 - 240 4范颖芳,周 晶.受腐蚀钢筋混凝土梁极限承载力神经网络预 测.大连理工大学学报,2003 ,43(3) :349 - 353 5雷汲川,白绍良.人工神经网络在双向板弹性内力计算中的应 用.重庆建筑大学学报,2002 ,24(4) :31 - 34 6 饶文碧,程洪斌,方复兴.结构损伤神经网络辨识系统的实现.武 汉理工大学学报,2002 ,24(1) :28 - 30 7 吴 波,李英民.基于神经网络的结构地震反应仿真.世界地震 工程,2003 ,19(3) :144 - 149 8Rotter J M. Rapid Exaci Inelastic Biaxial Bending Analysis. ASCE, Journal of Structural Engineering ,1985 ,117(12) :2 659 - 2 674 9K wan K H,Liauw T C. 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