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678910SRC结构应用与研究国内外情况简介1、欧美地区SRC结构与应用研究20世纪初，欧美就开始对SRC柱进行了研究，1908年Burr做了空腹式SRC柱的试验，发现混凝土外壳使柱的强度和刚度明显提高。1923年加拿大开始做空腹式SRC梁的试验，在1989年的美国钢筋混凝土设计规范中，将型钢视为等值的钢筋，然后再以RC结构的设计方法进行SRC构件设计。在1993年的钢结构设计规范中，以纯钢结构的设计方法进行SRC结构设计。英国于1969年将建筑中的SRC柱列入英国钢结构规范BS449的第三部分，随后将桥梁中的SRC柱列入英国标准BS5400的第五部分。对SRC梁，英国钢结构设计规范按组合截面进行弹性设计，即取0.7倍型钢屈服强度用弹性方法计算型钢，忽略混凝土抗拉强度。112、日本SRC结构与应用研究在日本，SRC结构与钢结构、木结构和RC结构并列为四大结构。东京建成的30m高全SRC结构的日本兴业银行，在关东大地震中几乎没有受到损坏，引起日本工程界的重视。在经历了1923年关东大地震、1968年十胜冲地震及1995年的阪神地震后，发现在地震中其他房屋建筑严重破坏的情况下，SRC结构几乎未遭破坏或仅有少量轻微破坏，这就推动了日本研究和应用STC结构的热潮。日本从1951年开始对SRC结构进行了全面系统的研究，1958年制定了《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》。从1963年到1987年，该标准先后进行了四次修订，最终成为SRC结构设计规范。日本持续研究和发展SRC结构，主要是由于日本是多地震国家。SRC结构以其优异的抗震性能，在日本得到广泛应用。123、我国SRC结构的应用与研究20世纪50年代初，我国从前苏联引进了SRC结构，后由于片面追求节省钢材，于60年代末几乎停止使用。80年代后，随着我国建筑业的迅猛发展，SRC结构在全国兴起，北京、上海、江苏等省市的高层建筑中应用了SRC和RC的混合结构，取得了良好的经济效果。经过几年的研究和工程实践，参考日本钢骨混凝土设计标准，1998年我国冶金部颁布了我国第一部YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程。此规程基本沿用了日本标准的设计方法。将型钢作为等效钢筋，参照我国的混凝土规范及美国有关规范，2002年建设不颁布了JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程。此规程中的设计方法与我国的混凝土规范相近。13适用范围高层、超高层建筑地震区建筑大跨度梁荷载特别重的梁、柱14多、高层建筑的各种结构体系中可以全部采用型钢混凝土组合结构构件，也可以在某几层或某些局部部位采用型钢混凝土组合结构。型钢混凝土结构构件可以与钢筋混凝土结构构件组合，也可以与钢结构构件组合，组成混合结构，不同的结构发挥各自的特点。目前，国内高层建筑结构中，都是根据结构受力需要，在能发挥型钢混凝土承载力大、延性好、刚度大等特点的部位采用此类结构构件，如在框-剪、框支剪力墙结构的框支层中采用型钢混凝土框架柱，在跨度较大的框架结构中采用型钢混凝土梁，在剪力墙结构和筒体结构剪力墙中采用型钢混凝土剪力墙。15高层建筑中，型钢混凝土组合结构的设计关键是处理好连接节点设计，以及避免结构高度因结构类型改变引起的承载力和刚度的突变。设计中应注重重视过渡层的构造，9度设防、一级抗震的框架柱，沿高度方向的框架柱应全部采用型钢混凝土组合结构。采用型钢混凝土组合结构房屋的最大适用高度，可比《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）》规定的最大适用高度值适当提高。当全部结构构件均采用型钢混凝土组合结构（包括型钢混凝土框架和钢筋混凝土筒体组成的混合结构）时，除9度设防外，房屋最大适用高度可相应提高30%-40%。16171819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20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：212223242526272829在钢筋混凝土结构中，钢筋的表面积与截面积比值较大，且一般钢筋表面带肋，在有足够的锚固长度时，钢筋与混凝土交界面的粘结强度可以保证两者变形协调，共同受力。型钢表面积与截面积比值较小，表面平整，粘结强度比较小，两者之间易产生滑移。因此，仅靠粘结强度难以保证型钢与混凝土的共同工作。型钢混凝土组合结构中型钢与混凝土共同工作的标志是两者之间仅存在可以忽略的相对滑移。因此，必须采取相应的措施保证型钢与混凝土共同工作。2、型钢与混凝土结构的粘结滑移性能30第一节一般要求和结构的整体作用•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3132第一节一般要求和结构的整体作用2、型钢与混凝土结构的粘结滑移性能•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33第一节一般要求和结构的整体作用2、型钢与混凝土结构的粘结滑移性能•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。34第一节一般要求和结构的整体作用2、型钢与混凝土结构的粘结滑移性能•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）352、型钢与混凝土结构的粘结滑移性能限制钢板材宽厚比3637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38•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。39推出试验短柱试验推出试验方案40•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41•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。42•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。43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。44型钢混凝土构件混凝土最小保护层厚度45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。46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。47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。48圆形孔孔口加强措施49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50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；51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’cde52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’cde53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’cde54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’cde55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’cde56梁试验截面图试件破坏过程：M=15-20%Mu纯弯段出现裂缝，并随荷载增加而开展裂缝到达型钢下翼缘后出现停滞，不再向上发展M=50%Mu裂缝基本出齐，且均为竖缝加载到一定阶段出现斜裂缝，指向加载点M=继续增加受拉翼缘屈服－－腹板屈服－－裂缝随之发展M=80%Mu受压翼缘出现水平粘结裂缝－－贯通－－保护层脱落，混凝土压碎试验结果分析：破坏过程受拉纤维部分或全部屈服－－受压混凝土压碎－－极限型钢位置影响全高配置型钢时，粘结劈裂严重拉区配置型钢时，劈裂不严重，类似于钢筋混凝土梁应变分布初期平截面；后期压区应变滞后，应力重分布钢梁无屈曲发生滑移的影响变形不协调，但对承载力影响不大受压区混凝土应力分布可按钢筋混凝土一样换算59梁破坏形态和裂缝分布图型钢应力应变图60结论：由梁的破坏形态图和应力应变图可分析出1）钢骨混凝土梁的破坏特征为受压