型钢混凝土组合结构.

1第三章型钢混凝土组合结构2第一节一般要求和结构的整体作用第二节型钢混凝土框架梁第三节型钢混凝土框架柱第四节框架梁柱节点第五节型钢混凝土剪力墙第六节连接构造3第一节一般要求和结构的整体作用•钢与混凝土两种材料的组合体–型钢–纵向钢筋和箍筋–混凝土•从受力性能而言，其基本属于钢筋混凝土结构的范畴4第一节一般要求和结构的整体作用•优点：1）含钢率不受限制，承载力高，刚度大•可以减小构件截面，增加建筑物使用面积和楼层高度；•与钢结构框架相比，节省钢材50％2）结构可以二次受力•施工阶段的第一阶段荷载•与硬化混凝土共同承担使用荷载•可以有效减小梁的变形和裂缝宽度。5第一节一般要求和结构的整体作用•优点：3）显著加快施工速度•可平行流水施工4）结构延性与耗能能力较好•以实腹柱为最好5）与钢结构相比，其耐久性和抗火性能较好。•可以单独使用，也可以与钢筋混凝土或钢结构组合使用6第一节一般要求和结构的整体作用•关键技术：1）与不同结构材料的连接节点2）避免沿高度因结构类型改变引起的承载力和刚度突变•应重视过渡层的设计7第一节一般要求和结构的整体作用1、型钢配置形式：1）实腹式：良好的延性和耗能能力2）空腹式：8第一节一般要求和结构的整体作用3、型钢与混凝土共同作用•型钢混凝土组合结构中，型钢表面积与截面面积之比较小，且表面平整，粘结强度小，二者之间容易产生滑移，仅靠粘结强度是无法实现共同工作的。•共同工作的标志：忽略的相对滑移•措施：–配置充满型实腹型钢–抗剪连接件，配置必要的纵筋和箍筋–限值型钢板材的宽厚比9第一节一般要求和结构的整体作用3、型钢与混凝土共同作用•配置充满型实腹型钢–当梁上翼缘处于截面受压区，且配置一定的构造钢筋时，型钢与混凝土能保持较好的共同工作，截面应变分布基本上符合平截面假定10第一节一般要求和结构的整体作用3、型钢与混凝土共同作用•抗剪连接件–当钢梁全截面受拉且未在钢梁上翼缘配置抗剪连接件，则当截面拉应力较大时，型钢上翼缘与混凝土交界面处的较大剪力将使交界面发生粘结破坏，出现纵向裂缝。11第一节一般要求和结构的整体作用3、型钢与混凝土共同作用•配置必要的纵筋和箍筋–箍筋除了增强截面抗剪承载力外，约束核心混凝土的作用尤为突出，能够增强构件塑性铰区的变形能力和耗能能力，是保证混凝土和型钢、纵向钢筋共同工作的重要因素（防止保护层在破坏阶段时严重剥落）12型钢混凝土的粘结滑移混凝土型钢自然粘结作用连接作用化学胶结力化学胶结力摩擦阻力摩擦阻力机械咬合力连接材料连接材料剪切连接件型钢混凝土构件型钢混凝土结构型钢混凝土的粘结滑移型钢混凝土的粘结滑移13•由于型钢混凝土之间的粘结作用，型钢才能与混凝土共同工作、共同承担荷载，组合成为一种真正的“组合”结构。•试验研究结果表明，未设置剪力连接件的构件，在荷载约达到极限荷载的80%前，型钢与混凝土基本上能共同工作，在80%极限荷载以后，二者间有较大的相对滑移产生，变形不能协调一致。14推出试验短柱试验推出试验方案15•型钢混凝土结构中，由于粘结滑移的存在将直接影响到构件的受力性能、破坏形态、构件承载能力、裂缝和变形计算。而正是由于对型钢混凝土粘结滑移的不同的考量，各国关于型钢混凝土结构的规范和规程存在较大的差异16•在高层和超高层建筑的型钢混凝土框架结构中，作用在梁上的竖向荷载是通过型钢与混凝土之间的粘结作用将剪力传递到混凝土中，最终使型钢与混凝土共同承载受力，梁上的内力也是通过型钢与混凝土的粘结作用传递到节点与柱的混凝土中。为了充分发挥混凝土的承载作用，就应该保证型钢与混凝土之间的粘结作用足够大。17•型钢混凝土结构，锚固问题主要存在于型钢混凝土梁柱节点、型钢混凝土柱脚、型钢混凝土简支梁梁端以及型钢混凝土剪力墙中。在目前的设计应用中，都是按照构造要求采用加设剪力连接件的办法加强型钢混凝土构件的锚固作用。18型钢混凝土组合结构的一般要求一般要求–型钢混凝土组合结构的混凝土强度等级不宜低于C30。纵向受力钢筋直径不宜小于16mm，与型钢的净间距不宜小于30mm。箍筋应做成封闭箍筋。而且混凝土保护层最小厚度应符合《混凝土结构设计规范》。–型钢混凝土构件中的型钢钢板厚度不宜小于6mm。而且为保证型钢和混凝土的共同作用需设置抗剪连接件。19型钢混凝土构件混凝土最小保护层厚度20型钢混凝土组合结构的一般要求截面形式和构造–截面形式有矩形、T形等。–构造要求–（1）截面宽度不宜小于300mm，截面高宽比不宜大于4.–（2）梁中纵向受拉钢筋不宜超过两排，如需超过两排，施工上应采取分层浇筑等措施，以保证梁底混凝土的密实。21型钢混凝土组合结构的一般要求截面形式和构造–（3）梁的截面高度大于或等于500mm时，应在梁的两侧沿高度方向每隔200mm设置一根纵向附加钢筋。–（4）在梁支座处和上翼缘承受较大固定集中荷载处，应于型钢腹板两侧对称设置支撑加劲肋，以利于承受剪力。–（5）梁中箍筋的配置应符合《混凝土结构设计规范》的规定。22型钢混凝土组合结构的一般要求截面形式和构造–（6）在转换层大梁或托柱梁等主要承受竖向重力荷载的梁中，梁端部型钢上翼缘宜增设栓钉抗剪连接件。–（7）型钢混凝土框架梁中配置桁架式型钢，桁架压杆的长细比宜小于120.–（8）开孔型钢混凝土框架梁中的孔位宜设置在剪力较小截面附近，且宜采用圆形。23圆形孔孔口加强措施24第二节型钢混凝土框架梁1、截面形式和构造2、正截面受弯承载力3、斜截面受剪承载力4、变形和裂缝宽度验算25第二节型钢混凝土框架梁1、截面形式和构造1.2构造要求：1）截面尺寸，相应的配筋要求；2）保证刚度的措施；3）转换层设计要求；4）保证“强剪弱弯”；5）其他特殊要求；26第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•oa段：受拉混凝土未开裂，型钢和混凝土的应力均较小，P－f关系为直线，截面受力处于弹性阶段。0fPabb’cde27第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•ab段：达到a点，梁受拉区开始出现裂缝，随荷载的增加，裂缝不断发展并逐渐趋于稳定，梁开裂后的截面刚度虽然有所减小，但其减小程度比钢筋混凝土梁小，钢截面刚度大，型钢与钢筋仍处于弹性状态。0fPabb’cde28第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•bc段：随着荷载增加，受力钢筋和型钢受拉翼缘先后达到屈服，截面刚度有较大降低，型钢腹板有一个自下而上逐渐进入屈服状态。0fPabb’cde29第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•cd段：在c点，荷载达到最大值，受压区混凝土压碎，保护层剥落的范围和程度都比钢筋混凝土梁大，梁的受弯承载力也随之降低。0fPabb’cde30第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•de段：这一段梁的承载力主要依靠型钢维持，变形可以持续发展很长一段时间，延性性能比钢筋混凝土梁优越。0fPabb’cde31第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•在最大承载力之前，梁中型钢截面的应变分布与外包混凝土截面的应变分布基本协调一致，中和轴重合，且接近于直线分布，表明型钢与外包混凝土的粘结作用在最大荷载之前一般不会被破坏。仍可以假定梁截面中型钢与混凝土的应变符合平截面假定。32第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•当型钢偏置于截面受拉区时，型钢上翼缘与混凝土的交界面处可能发生相对滑移，导致型钢和混凝土不能共同工作，接近破坏时交界面附近将产生较大的纵向裂缝，混凝土压碎高度较大，延性较差，所以应在型钢上翼缘设置足够数量的抗剪连接件。设置足够的抗剪连接件后，受力过程中基本上符合平截面假定，破坏时型钢上翼缘与混凝土的交界面并无明显纵向裂缝。33第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.1梁的受弯性能：•完全粘结梁：–充满型型钢混凝土梁以及型钢虽然偏置在截面受拉区、但设置了足够数量抗剪连接件的梁•非完全粘结梁：–型钢偏置在截面受拉区而未设置抗剪连接件的梁•设计中应避免采用非完全粘结梁34第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.2受弯承载力计算的简化叠加法：1）一般叠加方法：•型钢混凝土梁的受弯承载力由型钢截面承担的受弯承载力Ma和钢筋混凝土部分承担的受弯承载力MRC叠加，取Ma＋MRC最大值•该叠加法是根据塑性理论下限定理建立的，没有考虑型钢和混凝土的共同工作，而且直接应用较为困难。•对于对称截面，可采用简化叠加方法。35第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.2受弯承载力计算的简化叠加法：2）以平截面假定为基础的计算方法：•型钢混凝土梁从开始承受荷载直到破坏其正截面应变符合平截面假定，承载力可采用混凝土结构的计算方法；36第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.2受弯承载力计算的简化叠加法：3）采用钢筋混凝土的矩形应力图方法：•取受压区混凝土的应力分布为等效矩形应力图，型钢的应力图按全塑性假定简化为双矩形应力图，同时又考虑到其误差，计算中型钢的设计强度乘以折减系数（0.9）。37第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.2受弯承载力计算的简化叠加法：•简化叠加法可用于型钢对称配置的梁截面–非抗震设计–抗震设计–型钢截面的受弯承载力计算uaRCMMM1()uaRCREMMMapaaMfW38第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（1）基本假定：1）截面应变分布符合平截面假定，型钢与混凝土之间无相对滑移；2）不考虑混凝土抗拉强度；3）取受压边缘混凝土极限压应变0.003，相应的最大压应力取混凝土轴心受压强度设计值4）型钢腹板的应力图取为拉、压梯形应力图形。设计计算时，简化为等效矩形应力。39第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（1）基本假定：5）钢筋应力等于其应变与弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值40第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•把型钢翼缘作为纵向受力钢筋考虑，破坏时上、下翼缘达到屈服强度fa和fa’41第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•非抗震设计''''''1000()()()2cyssaasawxMfbxhfAhafAhaM''''10cysaafysaaawfbxfAfAfAfAN42第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•抗震设计''''''10001[()()()]2cyssaasawRExMfbxhfAhafAhaM''''10cysaafysaaawfbxfAfAfAfAN0.75RE43第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•当10201111,hxhx12012[()]awwaNthf22221212011121[()()()]2awwaMthf44第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•型钢腹板上端处于受压区•型钢腹板下端处于受拉区•符合此种情况的破坏，即适筋梁破坏1011hx2011hx45第二节型钢混凝土框架梁2、正截面受弯承载力2.3以平截面假定为基础的计算方法：（2）正截面受弯承载力：•截面界限相对受压区高度1120.003byasffE0bxh'sfxat46第二节型钢混凝土框架梁『例3.2.1』1）型钢截面受弯承载力2）钢筋混凝土部分的弯矩设计值3）设采用两排四根纵向钢筋，则1015.1()aPaaMfWkNm259.9()RCaMMMkNm0(27402810)/4775h