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摘要:由于型钢混凝土的优越性能，在现代的建筑中得到了越来越广泛的应用，因此对于型钢混凝土框架结构的力学性能分析也有了更迫切的要求，本文以实际型钢混凝土框架结构工程为研究对象，通过尝试改变型钢混凝土框架结构的混凝土强度等级、型钢含钢率和型钢混凝土保护层厚度，分析这些因素的改变对型钢混凝土框架整体结构和局部构件的力学性能影响。通过对这些性能指标的分析，为型钢混凝土框架结构的设计和研究提供可靠的参考。
关键词：型钢混凝土；框架结构；力学性能分析；混凝土等级
Abstract: Because of the superior performance of steel reinforced concrete, has been more and more widely used in modern architecture, so the mechanical properties of steel reinforced concrete frame structure is also more urgent requirements, based on the actual steel reinforced concrete frame structure as the research object, by trying to change the steel reinforced concrete frame the structure of the grade of concrete strength, steel ratio of steel and steel concrete protective layer thickness, analysis the influence of the change of these factors on the mechanical properties of steel reinforced concrete frame structure and the local members. Through the analysis of these performance indicators, and provide reliable reference for the design and research of steel reinforced concrete frame structure.
Keywords: reinforced concrete; frame structure; mechanical analysis; concrete grade
中图分类号：TU2
一、型钢混凝土结构的特点
型钢混凝土即在混凝土中内置型钢，简称SRC（Steel Reinforeed Conerete）。型钢混凝土结构是由型钢混凝土梁柱组合构件构造而成的结构体系。型钢混凝土梁和柱可以依据内置型钢的不同分为实腹式和空腹式截面，但是由于空腹式型钢截面施工难度大，费用高，力学性能没有实腹式型钢混凝土截面好。一般在工程中多采用实腹式型钢混凝土截面[1]。
型钢混凝土由于由混凝土和内置型钢组合而成，因此在力学特性方面兼具混凝土结构和钢结构的性能。构件中型钢的存在，使构件和整体结构的延性比钢筋混凝土要高;由于混凝土的存在，使构件和整体结构的刚度比钢结构要高。在相同的截面尺寸和含钢率时，构件的承载力也较之提高；在相同的荷载效应作用下，型钢混凝土构件的截面尺寸可以比钢筋混凝土构件的截面尺寸做的更小，这样就能够满足建筑结构对于大空间的构造要求；与钢结构相比，结构的刚度大，在荷载效应作用下，结构的变形较小。
二、型钢混凝土结构的研究和工程实践
1.型钢混凝土的研究现状
国外在20世纪初开始尝试使用型钢混凝土，已经经历了一个多世纪的发展：
日本是一个地震多发国家。为了建筑結构的抗震需要，进行了大量的系统研究。因此也是型钢混凝土结构研究理论最成熟的国家；主要研究成果包括型钢混凝土梁和型钢混凝土柱的受力性能，型钢混凝土梁柱节点的抗剪性能和传力机理、节点强度和变形的滞回曲线模型以及组合结构的抗震性能研究。1958年日本就制定了钢骨混凝土规范[2]，并在此后进行了几次修改。该规范以叠加原理为基础。
在美国，Charles和Sherif等人都进行了各自的研究[3-4]，研究表明矩形钢骨混凝土梁柱具有较高的承载能力和良好的延性。构造措施可以提高强度、改善延性。并且提出了抗剪机理，给出了相应的设计计算公式。在进行了大量的研究后，美国也制定了相应的规范AISC-LRFD[5]。以钢结构为基础，将混凝土部分转化为型钢。并且认为混凝土和型钢部分是共同工作的，没有粘结滑移。按弹性方法进行截面的计算，忽略混凝土的抗拉强度。
中国工程建设标准协会在1991制定了钢骨混凝土结构设计与施工规程；1998年我国冶金工业部颁布了钢骨混凝土结构设计规程； 2001年建设部颁布了型钢混凝土组合结构技术规程，以混凝土结构设计规范为基础制定的[6-8]。
在建国初期，我国的钢产量供应不足，因此在建筑结构中并不提倡使用型钢，因此在科研领域对于型钢混凝土的研究也相对滞后。随着社会经济的发展，我国的钢铁产量大幅度提高，高层建筑在我国的应运也越来越多，这就为研究混凝土结构的性能提供了条件和环境。中国建筑科学研究院、西安建筑科技大学、西南交通大学、东南大学等大学和科研院所对型钢混凝土梁柱，节点和框架的受力性能进行了试验和理论研究，取得了大量研究成果:
（1）李国强和王静峰进行了水平荷载作用下足尺的空间两层两跨半刚性连接组合梁框架的试验研究，研究半刚性连接组合梁在水平荷载作用下的特性。
（2）赵国栋和傅传国对六根型钢混凝土梁做了抗弯试验，试验表明增强混凝土强度等级和纵筋配筋率，可以提高型钢梁的抗弯能力，而增大型钢保护层厚度，则会降低型钢梁的抗弯能力；
（3）郑山锁和王斌对12榀型钢高强高性能混凝土框架柱进行了低周反复加载试验，研究其在地震作用下的损伤演化过程，为型钢混凝土柱的地震损伤模型的建立提供了依据 [9-11]；
还有许多研究成果就不再一一列举。
型钢混凝土结构在有限元数值模拟研究中也取得了很多的成果。基于有限元理论的研究成果，目前有很多适用于型钢混凝土结构计算的有限元软件，广泛使用的有SAP,ABAQUS,ANSYS,OPENSESS，ADINA等，这些软件都有各自的应用范围和计算精度，在选用时应当考虑到结构的实际情况。
三、结束语
本文在前人研究的基础上，总结了一下型钢混凝土框架结构在混凝土强度等级、型钢含钢率和型钢混凝土保护层厚度改变的情况下，结构的周期、周期比、楼层位移、楼层层间位移和层间位移角的变化情况。并进行整体作用下局部构件的分析，将分析结果与现行规范作对比，阐明两者之间的差异。本文得到的相关结论如下：
1.混凝土强度等级的影响：模态分析表明，随着结构混凝土强度等级的提高，结构的周期和周期比呈下降趋势；反应谱分析和时程分析表明，随着结构混凝土强度等级的提高，结构的楼层位移、最大层间位移和层间位移角呈下降趋势。结构的整体刚度增大。随着混凝土强度的增加，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
2.型钢的含钢率影响：模态分析表明，随着含钢率的提高，结构的周期比呈下降趋势，周期比无明显变化；反应谱分析和时程分析表明，随着含钢率的提高，结构的楼层位移、层间位移和层间位移角呈下降趋势。结构的刚度增大。随着型钢含钢率的提高，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
3.型钢保护层厚度的影响：模态分析表明，随着型钢保护层厚度的增大，结构的周期和周期比增大；反应谱和时程分析表明，结构的楼层位移、最大层间位移和层间位移角呈上升趋势。結构的整体刚度下降。随着型钢保护层厚度的增大，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
4. 在进行局部杆件的挠度和轴压比计算时，由于多方面的原因，使得有限元分析结果与现有理论的计算结果差距较大，理论分析所得的要偏于保守。
在结构设计中，要做到安全，经济和使用的原则，就要掌握型钢混凝土框架在各种要素改变情况下的力学性能的变化。
四、有待进一步研究的问题
随着人们对建筑功能和建筑抗震性能的要求越来越高，型钢混凝土的广泛应用将会是一个趋势。对于型钢混凝土构件和型钢混凝土结构体系的研究也正在如火如荼的进行。本文针对型钢混凝土结构得出了一些对于工程设计和研究有所帮助的结论。还有很多问题尚未解决，如：
1.在整体框架的约束下，型钢梁和柱的力学性能和破坏机理，节点的传力路径和破坏机理，与单个杆件和单个节点的试验结果是否一致；
2.虽然在型钢上设置抗剪连接件能够很大程度上改善的型钢和混凝土之间的粘结滑移，但是对于设置抗剪连接件后的型钢混凝土构件在有限元建模时如何处理好两者之间的粘结问题；
3.有限元分析与现行计算理论的差异的研究。
参考文献：
[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京：科学出版社，2001.
[2]日本建筑学会.钢骨混凝土结构设计规范及说明[J].冯乃谦，叶平译.北京：能源出版社，1997.
[3]Gregory G Deierlein,Hiroshi Noguchi.Overview of Us-Japan research on seismic design of composite reinforced concrete and steel moment frame [J].Journal of structural Engineering ,2004,130(2),361-367.
[4]Charles WR,Robert C. Shear Connect or Requirements for Embedded Steel Section[J].Journal of Structural Engineering ASCE,1999,125(2):142-151.
[5]美国钢结构规范.AISC-LRFD [S].1986.
[6]YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程[S].北京：冶金工业出版社，1998.
[7]JGJ-138-2001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，2002.
[8]中国工程建设标准化协会.钢骨混凝土结构设计与施工规程 [S].1991.
[9]李国强，王静峰等.水平荷载作用下足尺半刚性连接组合梁框架试验[J].土木工程学报，2007,40（12），8-16.
[10]赵国栋，傅传国等.型钢混凝土梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑，2007年第37卷增刊，568-570.
[11]郑山锁，王斌等.低周反复荷载作用下型钢高强高性能混凝土框架柱损伤试验研究[J].土木工程学报，2011,44（9），1-10.
关键词：型钢混凝土；框架结构；力学性能分析；混凝土等级
Abstract: Because of the superior performance of steel reinforced concrete, has been more and more widely used in modern architecture, so the mechanical properties of steel reinforced concrete frame structure is also more urgent requirements, based on the actual steel reinforced concrete frame structure as the research object, by trying to change the steel reinforced concrete frame the structure of the grade of concrete strength, steel ratio of steel and steel concrete protective layer thickness, analysis the influence of the change of these factors on the mechanical properties of steel reinforced concrete frame structure and the local members. Through the analysis of these performance indicators, and provide reliable reference for the design and research of steel reinforced concrete frame structure.
Keywords: reinforced concrete; frame structure; mechanical analysis; concrete grade
中图分类号：TU2
一、型钢混凝土结构的特点
型钢混凝土即在混凝土中内置型钢，简称SRC（Steel Reinforeed Conerete）。型钢混凝土结构是由型钢混凝土梁柱组合构件构造而成的结构体系。型钢混凝土梁和柱可以依据内置型钢的不同分为实腹式和空腹式截面，但是由于空腹式型钢截面施工难度大，费用高，力学性能没有实腹式型钢混凝土截面好。一般在工程中多采用实腹式型钢混凝土截面[1]。
型钢混凝土由于由混凝土和内置型钢组合而成，因此在力学特性方面兼具混凝土结构和钢结构的性能。构件中型钢的存在，使构件和整体结构的延性比钢筋混凝土要高;由于混凝土的存在，使构件和整体结构的刚度比钢结构要高。在相同的截面尺寸和含钢率时，构件的承载力也较之提高；在相同的荷载效应作用下，型钢混凝土构件的截面尺寸可以比钢筋混凝土构件的截面尺寸做的更小，这样就能够满足建筑结构对于大空间的构造要求；与钢结构相比，结构的刚度大，在荷载效应作用下，结构的变形较小。
二、型钢混凝土结构的研究和工程实践
1.型钢混凝土的研究现状
国外在20世纪初开始尝试使用型钢混凝土，已经经历了一个多世纪的发展：
日本是一个地震多发国家。为了建筑結构的抗震需要，进行了大量的系统研究。因此也是型钢混凝土结构研究理论最成熟的国家；主要研究成果包括型钢混凝土梁和型钢混凝土柱的受力性能，型钢混凝土梁柱节点的抗剪性能和传力机理、节点强度和变形的滞回曲线模型以及组合结构的抗震性能研究。1958年日本就制定了钢骨混凝土规范[2]，并在此后进行了几次修改。该规范以叠加原理为基础。
在美国，Charles和Sherif等人都进行了各自的研究[3-4]，研究表明矩形钢骨混凝土梁柱具有较高的承载能力和良好的延性。构造措施可以提高强度、改善延性。并且提出了抗剪机理，给出了相应的设计计算公式。在进行了大量的研究后，美国也制定了相应的规范AISC-LRFD[5]。以钢结构为基础，将混凝土部分转化为型钢。并且认为混凝土和型钢部分是共同工作的，没有粘结滑移。按弹性方法进行截面的计算，忽略混凝土的抗拉强度。
中国工程建设标准协会在1991制定了钢骨混凝土结构设计与施工规程；1998年我国冶金工业部颁布了钢骨混凝土结构设计规程； 2001年建设部颁布了型钢混凝土组合结构技术规程，以混凝土结构设计规范为基础制定的[6-8]。
在建国初期，我国的钢产量供应不足，因此在建筑结构中并不提倡使用型钢，因此在科研领域对于型钢混凝土的研究也相对滞后。随着社会经济的发展，我国的钢铁产量大幅度提高，高层建筑在我国的应运也越来越多，这就为研究混凝土结构的性能提供了条件和环境。中国建筑科学研究院、西安建筑科技大学、西南交通大学、东南大学等大学和科研院所对型钢混凝土梁柱，节点和框架的受力性能进行了试验和理论研究，取得了大量研究成果:
（1）李国强和王静峰进行了水平荷载作用下足尺的空间两层两跨半刚性连接组合梁框架的试验研究，研究半刚性连接组合梁在水平荷载作用下的特性。
（2）赵国栋和傅传国对六根型钢混凝土梁做了抗弯试验，试验表明增强混凝土强度等级和纵筋配筋率，可以提高型钢梁的抗弯能力，而增大型钢保护层厚度，则会降低型钢梁的抗弯能力；
（3）郑山锁和王斌对12榀型钢高强高性能混凝土框架柱进行了低周反复加载试验，研究其在地震作用下的损伤演化过程，为型钢混凝土柱的地震损伤模型的建立提供了依据 [9-11]；
还有许多研究成果就不再一一列举。
型钢混凝土结构在有限元数值模拟研究中也取得了很多的成果。基于有限元理论的研究成果，目前有很多适用于型钢混凝土结构计算的有限元软件，广泛使用的有SAP,ABAQUS,ANSYS,OPENSESS，ADINA等，这些软件都有各自的应用范围和计算精度，在选用时应当考虑到结构的实际情况。
三、结束语
本文在前人研究的基础上，总结了一下型钢混凝土框架结构在混凝土强度等级、型钢含钢率和型钢混凝土保护层厚度改变的情况下，结构的周期、周期比、楼层位移、楼层层间位移和层间位移角的变化情况。并进行整体作用下局部构件的分析，将分析结果与现行规范作对比，阐明两者之间的差异。本文得到的相关结论如下：
1.混凝土强度等级的影响：模态分析表明，随着结构混凝土强度等级的提高，结构的周期和周期比呈下降趋势；反应谱分析和时程分析表明，随着结构混凝土强度等级的提高，结构的楼层位移、最大层间位移和层间位移角呈下降趋势。结构的整体刚度增大。随着混凝土强度的增加，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
2.型钢的含钢率影响：模态分析表明，随着含钢率的提高，结构的周期比呈下降趋势，周期比无明显变化；反应谱分析和时程分析表明，随着含钢率的提高，结构的楼层位移、层间位移和层间位移角呈下降趋势。结构的刚度增大。随着型钢含钢率的提高，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
3.型钢保护层厚度的影响：模态分析表明，随着型钢保护层厚度的增大，结构的周期和周期比增大；反应谱和时程分析表明，结构的楼层位移、最大层间位移和层间位移角呈上升趋势。結构的整体刚度下降。随着型钢保护层厚度的增大，型钢梁的挠度降低，型钢柱的轴压比降低，型钢混凝土柱的轴向受压承载力提高。
4. 在进行局部杆件的挠度和轴压比计算时，由于多方面的原因，使得有限元分析结果与现有理论的计算结果差距较大，理论分析所得的要偏于保守。
在结构设计中，要做到安全，经济和使用的原则，就要掌握型钢混凝土框架在各种要素改变情况下的力学性能的变化。
四、有待进一步研究的问题
随着人们对建筑功能和建筑抗震性能的要求越来越高，型钢混凝土的广泛应用将会是一个趋势。对于型钢混凝土构件和型钢混凝土结构体系的研究也正在如火如荼的进行。本文针对型钢混凝土结构得出了一些对于工程设计和研究有所帮助的结论。还有很多问题尚未解决，如：
1.在整体框架的约束下，型钢梁和柱的力学性能和破坏机理，节点的传力路径和破坏机理，与单个杆件和单个节点的试验结果是否一致；
2.虽然在型钢上设置抗剪连接件能够很大程度上改善的型钢和混凝土之间的粘结滑移，但是对于设置抗剪连接件后的型钢混凝土构件在有限元建模时如何处理好两者之间的粘结问题；
3.有限元分析与现行计算理论的差异的研究。
参考文献：
[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京：科学出版社，2001.
[2]日本建筑学会.钢骨混凝土结构设计规范及说明[J].冯乃谦，叶平译.北京：能源出版社，1997.
[3]Gregory G Deierlein,Hiroshi Noguchi.Overview of Us-Japan research on seismic design of composite reinforced concrete and steel moment frame [J].Journal of structural Engineering ,2004,130(2),361-367.
[4]Charles WR,Robert C. Shear Connect or Requirements for Embedded Steel Section[J].Journal of Structural Engineering ASCE,1999,125(2):142-151.
[5]美国钢结构规范.AISC-LRFD [S].1986.
[6]YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程[S].北京：冶金工业出版社，1998.
[7]JGJ-138-2001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，2002.
[8]中国工程建设标准化协会.钢骨混凝土结构设计与施工规程 [S].1991.
[9]李国强，王静峰等.水平荷载作用下足尺半刚性连接组合梁框架试验[J].土木工程学报，2007,40（12），8-16.
[10]赵国栋，傅传国等.型钢混凝土梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑，2007年第37卷增刊，568-570.
[11]郑山锁，王斌等.低周反复荷载作用下型钢高强高性能混凝土框架柱损伤试验研究[J].土木工程学报，2011,44（9），1-10.