抗震工程--钢--混组合结构

第22章钢—混凝土组合结构201013182011.06.06本章主要内容：钢—混凝土组合结构的特点和使用范围钢—混凝土组合梁：钢—混凝土组合梁的形式剪力连接件钢—混凝土组合梁的工作机理钢—混凝土组合梁的设计剪力连接件设计钢—混凝土组合梁正常使用极限状态的验算22.1概述钢—混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新结构综合了钢结构和混凝土结构的各自优点，易于满足现代土木工程结构对功能的要求，综合效益显著钢—混凝土组合结构定义钢—混凝土组合结构是钢部件和混凝土或钢筋混凝土部件通过机械剪力连接件连接组合成为整体而共同工作的一种结构，兼具钢结构和钢筋混凝土结构的一些特性钢—混凝土组合结构主要形式钢—混凝土组合结构有组合梁、组合板、组合桁架和组合柱四大类。应用最普遍的是组合梁和组合柱，本章只讨论组合梁这种结构形式。组合梁由钢梁和钢筋混凝土板通过机械剪力连接件连成整体并共同受力的横向承重结构，按截面型式分为外包混凝土组合梁和T型组合梁，见下图。外包混凝土梁即劲性梁，它就是型钢外包混凝土的构件组成的结构。一般会在普通梁配筋太密或不能满足使用要求的情况下才会使用劲性柱和劲性梁.本章不讨论劲性梁。组合柱包括钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱。钢管混凝土是由钢管和内填混凝土所构成，而钢骨混凝土柱则是把钢柱埋在钢筋混凝土中，钢骨混凝土柱又称为型钢混凝土柱或劲性混凝土柱。钢骨混凝土柱一般不提倡，因施工工艺特别复杂。22.2钢—混凝土组合结构的特点优点：承载力高延性好刚度大抗震性能好构件截面尺寸小施工快速方便基础造价低缺点：需要防火及防腐22.3钢—混凝土组合结构的适用范围高层建筑多层房屋高耸结构桥梁结构地下结构其他构筑物结构改造及加固是否采用组合结构，要根据结构性能、有效使用面积、使用效果、施工工期、基础造价等进行综合效益分析比较。22.4应用前景钢—混凝土组合结构满足现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求，成为土木结构主要发展方向之一。22.5钢—混凝土组合梁22.5.1钢—混凝土组合梁的特点受力合理、截面高度小、自重轻、刚度大、延性好与钢筋砼结构相比：降低结构高度1/3—1/4减轻自重40%—60%施工周期缩短1/3—1/2与钢梁相比：刚度增大1/3—1/4稳定性增强节约钢材需要相当数量的连接件，焊接量大22.5.2钢—混凝土组合梁的形式按照截面形式分为外包混凝土组合梁和T形组合梁。T形组合梁按照混凝土翼缘的构造不同又分为现浇混凝土翼缘组合梁、预制板翼缘组合梁、叠合板翼缘组合梁及压型钢板混凝土翼缘组合梁，如图22.5.2所示。按照钢梁的不同又可以分为工字型、蜂窝型、箱型、钢桁架等。如图22.5.3所示。组合梁的受力特点：在组合梁中,混凝土位于受压区,钢梁主要位于受拉区,能充分利用混凝土抗压和钢材抗拉的优点,发挥这两种材料的强度。22.5.3剪力连接件设计目的：是为了确保临界截面之间有足够的剪力连接件来传递钢梁和混凝土板之间的纵向剪力。主要作用：是为了传递钢梁和混凝土翼缘之间交界面上的剪力并抵抗钢和混凝土翼缘之间的滑移和分离。剪力连接件的分类刚性剪力连接件：传递交界面剪力时不允许变形，刚度大，在连接件周围混凝土引起较高的应力集中。在保证钢梁与连接件的焊接强度的前提下，连接件承载力极限状态是以连接件之间的混凝土的剪切破坏或连接件前混凝土的局压破坏为标志的！刚性连接件包括方钢、T型钢、马蹄型钢、角钢等连接件柔性剪力连接件：传递交界面的剪力时有很好的变形能力，允许有一定的相对滑移值。由于剪力连接件的抗弯刚度相对较小，纵向剪力会使连接件变形。连接件承载力极限破坏是由于跨中截面混凝土翼缘上表面达到了极限压应变，而连接件还有康健能力。柔性连接件包括栓钉、弯筋、槽钢、锚环、摩擦型高强螺栓剪力连接件常用的柔性连接件是栓钉连接件，主要依靠栓钉根部传递剪力。优点：1、栓钉截面呈圆形，压应力无方向性，设计简单。2、很容易焊在钢梁上，施工简单。新型刚性剪力连接件开孔钢板连接件(PBL连接件)开孔钢板连接件是利用钢板圆孔中的混凝土或者所穿钢筋承担钢与混凝土间的作用力的新型接件。它与沿着钢梁横向设置的开孔钢不同，是沿着钢梁纵向设置，依靠圆孔中的混凝土加强两者之间的连接。22.5.4钢——混凝土组合梁的工作机理通过剪力连接件把钢梁和混凝土翼缘（由混凝土楼面板或桥面板等构成）练成连成整体的钢—混凝土组合梁，其截面抗弯承载力和刚度比钢梁和混凝土翼缘的承载力和刚度的代数和要大的多，即：整体远远大于部分之和。如图22.5.5所示以两个矩形截面叠合在一起为例，如图22.5.6.设两个矩形截面之间没有剪力连接件，即无组合作用时的截面刚度为：，通过剪力连接件作用形成整体组合截面的刚度为：，组合截面和非组合截面的刚度比为：，在相同的弯矩作用下，截面上的最大应力比为：，比较表明，考虑两个假想的矩形截面，考虑他们组合作用的截面刚度是不考虑组合作用时的4倍，考虑组合作用时的界面的最大应力比不考虑组合作用时减少50%。说明考虑组合作用后，截面刚度和承载力都大幅提高。McMsMcb612123331bhbhbhI3212)2(332bhhbI0.4/12II211222.5.5钢—混凝土组合梁的实验研究图22.5.7为正弯矩作用下典型的钢—混凝土简支组合梁的荷载—跨中挠度曲线。分为三个阶段：弹性阶段（OA）:从开始加载到钢梁下翼缘开始屈服之前弹塑性阶段（AB）下降段（BC）滑移变形、滑移应变组合梁截面的应变分布曲线表明，应变沿钢梁和混凝土翼缘高度近似成线性分布。钢-混凝土组合梁的破坏属于典型的延性破坏，其破坏过程为：钢梁下翼缘首先屈服钢梁截面屈服部分不断向上发展钢梁从下翼缘开始逐渐进入塑性，中和轴不断上移，混凝土翼缘受压区的压应力不断丰满混凝土翼缘上表面达到极限压应变时，组合梁达到极限荷载即峰值荷载荷载下降过程中，混凝土翼缘自上而下逐步退出工作，直至混凝土全部破坏混凝土翼缘全部压碎退出工作后，组合梁截面的残余弯矩在理论上围钢梁截面塑性极限弯矩22.9钢-混凝土组合梁正常使用极限状态的验算挠度计算方法：①换算截面法。根据三项假定讲钢梁和混凝土换算成同一种材料。国内外均按此方法计算组合梁的截面刚度，然后根据结构力学方法计算挠度。但此方法不考虑钢梁和混凝土翼缘之间的滑移效应，得到的挠度计算值偏小，偏于不安全②折减刚度法。清华大学深入考虑滑移效应，可以精确地计算组合梁的挠度和弹性弯曲应力，与国内外实验结果吻合良好。22.9.1钢-混凝土组合梁的挠度验算钢-混凝土组合梁的挠度验算方法与钢筋混凝土梁相同，截面刚度由弹性换算截面法确定，计算挠度时按照沿梁长为等刚度进行。按照22.6中公式计算22.9.2钢-混凝土连续组合梁的挠度验算钢混凝土连续组合梁的受力与简支组合梁不同，在正弯矩区的受力性能与钢—混凝土简支组合梁相同，混凝土受压，钢筋受拉。负弯矩区，混凝土受拉，钢梁受压。混凝土开始出现裂缝厚，负弯矩区段刚度不断减小，负弯矩区的实际弯矩小于弹性弯矩计算值，跨中弯矩大于弹性弯矩计算值，即发生弯矩重分布。据试验研究结果，可以简单近似取支座两侧范围内的刚度为钢梁和钢筋所构成的刚度，即在连续组合梁这个范围内，不考虑混凝土对截面刚度的贡献，仅仅考虑钢梁和钢筋的作用。l15.022.9.2钢-混凝土连续组合梁的挠度验算在内支座范围以外的其他区段，仍然取组合梁的弹性换算截面刚度，刚度取值模型如图22.9.1所示，图中EI表示正弯矩作用区段组合截面的弹性换算截面刚度，表示EI与负弯矩区段钢梁和钢筋组成的刚度之比值。值得一提的是，在得到连续组合梁的截面刚度后，还要知道在标准荷载作用下的弯矩图。根据实验研究成果，可以近似的按照下式确定中支座弯矩调幅系数：l15.01a8.02)()811(13.0MMrsefa式中：负弯矩区力比—标准荷载作用按照弹性方法得到的连续组合梁支座负弯矩值—计算极限弯矩srrffAAfrseMM内支座的实际负弯矩可以近似由下式确定：计算钢-混凝土连续组合梁的长期变形时，可以取内支座两侧范围以外的其它区段的刚度为长期刚度，内支座两侧范围以内刚度仍为钢梁和钢筋的刚度。22.9.3部分剪力连接组合梁的挠度计算剪力连接程度：完全剪力连接：如果配置的剪力连接件传递的剪力能够保证组合梁达到塑性极限抗弯承载力，称之为完全剪力连接；部分剪力连接：如果配置的剪力连接件传递的剪力不能保证组合梁达到塑性极限抗弯承载力，称之为部分剪力连接；设完全剪力连接设计需要的连接件数量为，而实际配置的连接件数为，则剪力连接程度系数为。组合梁的极限抗弯能力随着的增大而提高，当时，即完全剪力连接时，组合梁达到塑性极限抗弯承载力。)1(asekMMl15.0l15.0fnrnfrnnfrnn0.1frnn当剪力连接程度系数，钢梁与混凝土翼缘交界面的滑移效应增大，使组合梁的挠度比按照换算截面法的计算值要大。根据实验结果，部分剪力连接组合梁的挠度可以近似按照如下公式计算：式中：—完全剪力连接组合梁由弹性换算截面法得到的计算挠度—由钢梁单独承受组合梁所承受的使用荷载时的挠度22.9.4施工方法对钢—混凝土组合梁挠度计算的影响钢—混凝土组合梁施工方法分为带临时支撑施工和不带临时支撑施工两种。对于跨度比较大的组合梁，宜带临时支撑施工否则会因为为了满足挠度要求而增大钢梁截面。组合梁的挠度应当是当形成组合截面之后在使用荷载下组合梁的挠度与钢梁在施工荷载作用下（包括钢梁和混凝土的自重与施工活荷载）挠度的叠加。在进行组合梁的设计时，应注意钢梁在施工阶段的强度和挠度验算。0.1frnnr)1)((5.0frfsfrnnfs22.9.5钢—混凝土连续组合梁负弯矩区的裂缝宽度验算（图22.9.2）计算原理与钢筋混凝土相同，最大裂缝宽度可以按照下列公式计算：vdce)11.07.2(7.2maxEr)65.01.1retkfIsryMrkr22.10构造要求组合梁截面高度h不宜超过钢梁截面高度d的2.5倍混凝土板托高度不宜超过翼缘板厚的1.50倍，板托的顶面高度不宜小于的1.5倍组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图22.10.1所示的要求。有板托时，伸出长度不小于，无板托时，应同时满足伸出钢梁中心线不小于150mm，伸出钢梁翼缘边不小于50mm。连续组合梁在中间支座负弯矩区的上部纵筋及分布钢筋按《混凝土结构设计规范》的规定设置。抗剪连接件的设置应符合规定：①连接件抗掀起端底面宜高出翼缘板底部钢筋顶面30mm②连接件的最大间距不大于混凝土翼缘板（包括板托）厚度的四倍，且不大于400mm③部分抗剪连接的抗剪连接件实配个数不得小于的50%sh2ch1ch2ch2chfnrn④连接件的外侧边缘与钢梁翼缘边缘之间的距离不小于20mm⑤连接件的外侧边缘至混凝土翼缘板边缘间的距离不小100mm⑥连接件顶部的混凝土保护层厚度不小于15mm栓钉连接件应满足：①当栓钉位置不正对钢梁腹板时，如钢梁翼缘承受拉力，则栓钉焊杆直径不应大于钢梁上翼缘厚度的1.50倍；如钢梁上翼缘不承受拉力，则栓钉焊杆直径不应大于钢梁翼缘厚度的2.50倍②栓钉沿梁轴线方向的间距不小于焊杆直径的6倍③栓钉垂直于梁轴线方向的间距不小于焊杆直径的4倍④栓钉对于用压型钢板做底模板的组合梁，栓钉焊杆直径不大于19mm，混凝土凸肋宽度不小于栓钉焊杆直径的2.5倍，栓钉高度应符合如图22.10.2所示dh)75()30(edehhh弯筋连接件通过双面角焊缝与钢梁焊接，焊接长度应大于五倍弯筋直径组合梁可不设板托，设板托时其外形尺寸及构造应符合：①板托边距连接件外侧距离不小于40mm，板托轮廓线应在自连接件根部算起的45°仰角之外②板托内应设置横向钢筋，其下部水平段应设置在距梁上翼缘50mm的范围以内，横向钢筋的间距不大于且不大于600mm04eh组合梁楼层的主、次梁连接方式，可采用平接或叠接。如图22.10.3