高层建筑结构8钢与混凝土组合结构设计

退出本章WUTP第8章钢与混凝土组合结构设计8．1概述8．2组合结构的基本构件和结构布置8．3组合结构构件设计8.4上海金茂大厦概况8.1概述8.1概述1.原理（1）混凝土材料的抗压性能好，但抗拉抗裂性能差。（2）钢材具备良好的抗拉压性能。•把它们合理、可靠地连接在一起。就能够得到性能良好的组合构件。2.形式型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、钢梁部件和支承于其上的混凝土翼板所构成的组合楼面梁。8.1概述8.1概述3.结构特点•钢与混凝土组合结构主要有以下特点及优点：(1)受力合理，材料利用充分。(2)稳定性好，抗风抗震性能也好。(3)综合经济效益好。(4)钢筋混凝土的外壳可作为保护层，大大增强型钢的防火防锈能力，提高结构的耐久性。(5)施工方便，建造速度快。•由于上述优点，钢与混凝土组合结构的应用前景十分广阔，在我国高层及超高层建筑中有较多的应用。8.2组合结构的基本构件和结构布置8.2.1组合结构的基本单元1.柱单元组合结构柱主要有型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等。型钢混凝土柱截面形式较为丰富，可为矩形、圆形、多边形等，型钢多为钢板焊接而成，有工字形、十字形、箱形等截面（如下图）。8.2.1组合结构的基本单元钢管混凝土柱截面8.2.1组合结构的基本单元2.梁单元组合结构的梁一般由钢梁部件和支承于其上的翼板所组成。（1）翼板包括钢筋混凝土翼板和混凝土板托、后浇混凝土板与压型钢板、抗剪连接件、钢梁4个部分。（2）梁的形式按翼板的不同形式，梁可分为3种：–型钢与普通钢筋混凝土楼板组合梁;–型钢与压型钢板楼板组合梁;–型钢与预制装配式钢筋混凝土楼板组合梁。8.2.1组合结构的基本单元8.2.1组合结构的基本单元8.2.1组合结构的基本单元8.2.1组合结构的基本单元3.墙单元在钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土核芯筒壁中加入H型钢形成型钢混凝土墙体结构。8.2.2高层建筑组合结构布置举例1.组合结构形式(1)钢筋混凝土核芯筒，钢框架(含支撑)，钢梁组合楼面；(2)钢筋混凝土核芯筒，钢外框筒，钢梁组合楼面；(3)钢筋混凝土核芯简，钢外桁架筒，钢梁组合楼面；(4)钢筋混凝土外框简，钢内柱，钢梁组合楼面；(5)钢筋混凝土竖向抗侧力结构，钢梁组合楼面。8.2.2高层建筑组合结构布置举例2.方案实例(1)框架结构框架结构的主要形式有型钢混凝土柱与组合梁或型钢混凝土柱与钢梁形成的框架结构等。框架结构梁柱全部刚接，整体刚度均匀，但抗侧刚度较小，一般仅适用于20~30层的高层建筑。•实例：北京长富宫饭店，地上25层，地下3层，高88m，地下部分至2层为型钢混凝土结构，上部为钢框架结构。北京长富宫饭店平面简图8.2.2高层建筑组合结构布置举例(2)框架-剪力墙结构由钢筋混凝土剪力墙和劲性钢筋混凝土框架组成。•实例：北京京广中心结构平面，总高208m，按8度抗震设防。8.2.2高层建筑组合结构布置举例(3)外框架-核芯筒结构外框架-核芯筒结构以钢筋混凝土核芯筒为主承受侧向荷载，再配合布置各种形式的外框架，建筑造型丰富、平面布置灵活。•实例:上海瑞金大厦平面，27层，由型钢混凝土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架组成。8.2.2高层建筑组合结构布置举例上海瑞金大厦平面8.2.2高层建筑组合结构布置举例(4)巨型框架(或桁架)结构外部为钢筋混凝土巨型框架，巨型框架内用钢或钢筋混凝土次框架承受竖向荷载，内部再配以钢框架结构。•实例：香港中国银行，73层，总高368m，采用巨型桁架结构。它的竖杆为型钢混凝土结构，斜杆为钢结构，组成4个三角形空间桁架。8.2.3结构的总体布置原则1.结构的平面布置（1）外形简单、规整，宜采用风压系数小的形状。（2）建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度中心与水平作用合力中心接近重合，同时各层接近在同一竖直线上。建筑的开间、进深宜统一；柱截面的钢板厚度不宜大于100ｍｍ。（3）不宜设置防震缝。薄弱部位应采取措施提高抗震能力。高层建筑钢结构不宜设置伸缩缝。当必须设置时，抗震设防的结构伸缩缝应满足防震缝要求。2.结构的立面布置（1）高度较之于普通混凝土结构可适当提高；（2）沿高度方向宜逐渐内收，不宜有突变、外挑等。8.3组合结构构件设计8.3.1截面形式和构造要求1.型钢混凝土梁内一般放置工字形型钢，当截面尺寸较大时，型钢多为钢板焊接而成。8.3.1截面形式和构造要求2.材料要求（1）型钢混凝土组合结构的混凝土强度等级不宜小于C30。混凝土最大骨料直径宜小于型钢外侧混凝土保护层厚度的1／3，且不宜大于25mm。（2）型钢混凝土组合结构构件中，纵向受力钢筋直径不宜小于16mm，纵筋宜沿截面四周布置，纵筋与型钢的净距不宜小于30mm。（3）箍筋直径不宜小于8mm。考虑地震作用组合的型钢混凝土组合结构构件，宜采用封闭箍筋，其末端应有135度弯钩。（4）配箍率的要求可比普通钢筋混凝土构件有所降低，一般最小配箍率为0．4％左右。8.3.1截面形式和构造要求（5）型钢混凝土组合结构构件中的型钢钢板厚度不宜小于6mm，其钢板宽厚比应符合表8.1的规定。表8.1型钢钢板宽厚比限值8.3.1截面形式和构造要求8.3.2型钢混凝土梁的计算1.抗弯承载力型钢混凝土框架梁正截面受弯承载力计算可采用下列基本假定：（1）截面应变保持平面。（2）不考虑混凝土的抗拉强度。（3）受压边缘混凝土极限压应变取0.003，相应的最大压应力取混凝土轴心抗压强度设计值fc，受压区应力图形简化为等效的矩形应力图，其高度取按平截面假定所确定的中和轴高度乘以系数0.8，矩形应力图的应力取为混凝土轴心抗压强度设计值。（4）型钢腹板的应力图形为拉、压梯形应力图形。设计计算时，简化为等效矩形应力图形。8.3.2型钢混凝土梁的计算（5）钢筋应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值。受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变bb取0．01。框架梁正截面受弯承载力计算8.3.2型钢混凝土梁的计算2.抗剪承裁力wwaosvyvocbhtfhsAfbhfV58.008.0)58.08.006.0(1wwaosvyvocREbhtfhsAfbhfV非抗震设计时：抗震设计时：8.3.2型钢混凝土梁的计算3.构造要求（1）为保证框架梁对框架节点的约束作用，以及便于型钢混凝土梁的浇筑，型钢混凝土框架梁的截面宽度不宜小于300mm。（2）考虑到截面高度与宽度比值过大，对梁抗扭和侧向稳定不利，梁截面的高度和宽度的比值不宜大于4。（3）为保证梁底部混凝土浇筑密实，梁中纵向受力钢筋不宜超过两排。如超过两排，施工上应采取措施。（4）梁纵向受拉钢筋混凝土的配筋率宜大于0.3％，直径宜取16~25mm，净距不宜小于30mm和1.5d(d为钢筋的最大直径)，以保证混凝土与钢筋和型钢有良好的粘结力。•.8.3.3型钢混凝土柱的设计1.计算模型计算模型一般有两种思路：强度叠架模型和变形协调模型。强度叠架模型8.3.3型钢混凝土柱的设计2.柱偏心受压正截面承载力计算（见下图）8.3.3型钢混凝土柱的设计awafasafaasycNAAAfAfbxfN''''))'('')'('')2/((1awsofaasosyocREMahAfahAfxhbxfNe非抗震设计时：抗震设计时：)''''(1awafasafaasycRENAAAfAfbxfNawsofaasosyoceMahAfahAfxhbxfN)'(')'('')2/(8.3.3型钢混凝土柱的设计3.柱斜截面抗剪承载力计算)056.058.08.05.116.0(1NhtfhsAfbhfVwwaosvyvocREcNhtfhsAfbhfVwwaosvyvocc07.058.05.120.0非抗震设计时：抗震设计时：8.3.3型钢混凝土柱的设计4.柱的构造要求8.4上海金茂大厦结构概况上海金茂大厦主楼结构平面