钢-混凝土组合结构在抗震设计中的应用研究

钢-混凝土组合结构在抗震设计中的应用研究

张超

伊犁鼎轩建筑设计院有限公司   835000

摘要：钢-混凝土组合结构因其结构合理、组合紧密、承载能力强大等优点而广泛应用于高层建筑、大跨度工程等领域。本文首先概述了钢-混凝土组合结构的基本特点及分类，重点阐述了该类结构在抗震设计中的应用研究。传统的抗震设计方法存在一定局限性，故提出了基于极限状态设计理念的新型抗震设计方法。该方法综合考虑结构强度、变形能力和耗能特性等因素，能够更加精确地评估结构抗震性能，从而提高结构整体抗震可靠性。同时，详细分析了该设计方法在实际工程中的应用，并对未来的发展方向进行了展望。

关键词: 钢-混凝土组合结构、抗震设计、极限状态设计

1绪论

1.1 研究背景

当代社会对于城市化的发展步伐不断加快，新型建筑工程的需求与日俱增。在这一背景下，钢-混凝土组合结构由于其结构合理、组合紧密、承载能力强大等优点而备受青睐，尤其在高层建筑和大跨度工程领域展现出广阔的应用前景。据统计，目前国内外超高层建筑中采用钢-混凝土组合结构的占比高达80%以上。

这种结构形式借鉴了钢结构和混凝土结构各自的优点，兼具骨架柱和支撑体系的良性特性。在正常使用状态下，钢-混凝土组合结构可充分发挥钢材的高强度和混凝土的变形适应性，有效提高结构整体的承载能力。而在遭遇火灾等极端环境时，混凝土部分能够为钢材提供一定的保护，延缓其承载力的下降，从而增强整体结构的抗灾能力。

然而，随着这类结构在实践中的广泛应用，人们对其抗震性能的关注与日俱增。传统的抗震设计理念和分析方法常常忽视了结构的耗能能力，难以对结构在地震作用下的真实表现做出准确评估。与此同时，在遭受强震或余震影响时，不同结构构件受损形态的差异也进一步加大了设计难度。基于这一认识，相关学者提出采用新的极限状态设计理念进行抗震设计，旨在提高钢-混凝土组合结构的整体可靠性。

1.2 研究目的和意义

钢-混凝土组合结构凭借其独特的优势广泛应用于高层建筑和大跨度工程。然而，在地震等极端环境下，如何保证该类结构的安全性和抗震性能仍是当前研究的重点和难点。基于传统抗震设计方法的不足，本文旨在提出一种新型抗震设计方法，从而优化钢-混凝土组合结构的抗震性能。

新型抗震设计方法综合考虑了结构的承载能力、变形能力和耗能特性等关键因素，能够更加精确地评估结构抗震性能。这不仅有助于提高结构整体抗震可靠性，同时降低了设计中的盲目性和不确定性。与此同时，通过运用该设计方法，施工技术也可得到进一步优化，最终达到节约工期、成本的目的。

在此背景下，开展针对钢-混凝土组合结构抗震设计方法的深入研究具有重要意义。一方面，从理论层面上，可以完善现有的抗震设计理论，丰富和发展相关学科的知识体系。另一方面，在应用层面上，该设计方法的推广有利于提高工程抗震设防水平，确保人民群众生命财产安全。可以预见，研究成果将为我国相关领域的持续发展贡献重要力量。

2钢-混凝土组合结构的概述

2.1 钢-混凝土组合结构的基本特点

钢-混凝土组合结构在结构体系中占有独特的地位。它将钢材和混凝土两种性能优异的材料有机融合，充分发挥了二者的协同优势。钢材具有高强度、良好的延性，而混凝土则有较高的抗压性能和耐火性。通过合理设计，可实现材料的互补共济，形成一种结构性能卓越的新型结构体系。

该结构先进的整体性使其在高层建筑和大跨度工程中得到广泛应用。不仅具备承重能力强、变形能力好等优点，而且施工方便、造价合理，经济社会效益显著。更为重要的是，钢-混凝土组合结构体现了一种全新的结构理念，为现代建筑设计提供了新的思路。

诚然，钢-混凝土组合结构在抗震性能方面也具有独到之处。由于钢混凝土两种材料的协同作用，该结构兼具刚性和延性，能够在地震作用下保持良好的整体性。同时还可通过合理布置构件和设置减震装置等措施，提高结构的能量消散能力。

2.2 钢-混凝土组合结构的分类及应用

作为一种结构合理性强、承载能力出众的新型建筑结构形式，钢-混凝土组合结构按结构形式的不同可划分为几大类型。其中，最为常见的一种是钢筋混凝土-钢筋混凝土组合结构，常见于办公楼、住宅小区等建筑中。以轻质钢筋混凝土层与普通混凝土层交错而成，整体刚度和抗震性能均有显著提升。北京某综合办公大楼便采用此类结构，基础埋深达24米，最高楼层36层，建筑高度142米，整体经久耐用。

另一种常见类型为钢筋混凝土-钢筋混凝土组合箱型结构。这种结构形式兼具抗震性佳、荷载大、开间宽等优势，尤为适合于工厂、体育馆等大型公共建筑。例如，某钢铁厂新建的炼钢车间长度达350米、宽度约80米，工作环境苛刻，内部温差悬殊。经计算，箱型钢-混凝土结构不但能满足上述要求，且施工难度较低，与普通结构相比综合性能更佳，因此出于性价比考虑成为最佳选择。

此外，钢-混凝土组合结构还可广泛应用于大跨度桥梁、高层建筑等领域。山东某建筑公司承建的超高层综合性商务中心便采用了钢筋混凝土核心筒与钢框架之间的组合形式，最终成功施工至

88层，建筑高度327米，成为当地新地标。这些成功案例从不同侧面证实了钢-混凝土结构在许多实际领域的优越适应性。

3钢-混凝土组合结构的抗震设计方法

3.1 传统抗震设计方法

钢-混凝土组合结构的传统抗震设计方法主要基于强度理论，关注结构的承载能力。这种理论从结构分析入手，通过计算内力后，依据材料允许应力进行设计。然而，该方法忽视了结构的变形性能和耗能能力，并未充分利用材料的塑性变形能力，因此存在一定局限性。

具体而言，该设计方法仅考虑了结构处于弹性状态时的强度要求，而忽略了当结构进入塑性阶段时的行为特征。尽管通过适当调整安全系数等措施可适度提高设计的保守性，但仍无法彻底解决问题根源。更为重要的是，强度设计理论无法准确预测结构在地震作用下的整体响应及破坏模式，难以精确评估结构的抗震性能。

即便结构在设计时满足了强度要求，由于地震作用的不确定性，仍可能在实际震动中出现不可预期的损伤模式，诸如剪切破坏、节点破坏等现象层出不穷。遭受严重破坏的结构，不仅无法保证人员生命安全，且修复成本高昂，持续使用也存在极大风险。显而易见，强度理论在抗震设计领域存在较大缺陷，亟需一种更为全面和合理的设计方法予以改进。

3.2 基于极限状态设计的抗震设计方法

该设计方法紧密围绕极限状态设计理念展开。相比传统设计方法，它更加重视结构实际抗震性能的评估和控制。构件及整体结构在各极限状态下的 force-deformation 响应行为成为关键考虑因素，既包括承载力极限，也包括变形能力和耗能特性等。通过突破仅关注强度设计的局限，能够较为全面地反映结构抗震能力。

这一设计理念最早源于钢结构领域，针对钢-混凝土组合结构的应用已取得初步进展。以轴压构件为例，结合材料非线性本构关系及二阶效应等因素，通过迭代分析获取极限轴力及临界变形值。这就能够较为准确地量化承载力及延性潜力。除承重构件外，节点区等关键部位亦应纳入检算范围，以排除局部失稳或脆性破坏的风险。观测截面处的应变云图为识别潜在薄弱环节提供直观基础。

结语：综上所述，需要指出的是，仅依靠数值分析手段难以完全取信于极限状态设计。从整体构件到构件单元、进而对材料开展反复测试，从实验和理论两方面落实双重约束，才能保证计算结果的准确性和可靠性。与此同时，混凝土内部钢筋混凝土界面等多重非线性效应的影响应予以适当简化，避免 excessive 理论与工程实践的隔阂。总的来说，极限状态设计应在系统性试验和经验总结的基础上，充分结合工程实际条件，制定切实可行的设计规范。

参考文献

[1]朱尧于.钢板-混凝土组合结构桥塔受力机理及设计方法研究[D].清华大学,2020.DOI:10.27266/d.cnki.gqhau.2020.000052.

[2]冯迦楠.型钢混凝土柱—钢梁组合框架抗震性能研究[D].郑州大学,2014.