组合结构设计(讲义)

14:551组合结构设计组合结构设计（必修，（必修，2424课时）课时）课程介绍及进度安排课程介绍及进度安排2011/10/182理论力学理论力学材料力学材料力学结构力学结构力学课程架构课程架构混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理钢结构设计原理钢结构设计原理混凝土结构设计混凝土结构设计组合结构组合结构设计设计砌体结构设计砌体结构设计钢结构设计钢结构设计2011/10/183钢结构钢结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构木结构木结构砌体结构砌体结构五大结构体系五大结构体系钢与混凝土组合结构（组合结构）钢与混凝土组合结构（组合结构）组合结构设计组合结构设计第一章第一章绪绪论论2011/10/1851.聂建国聂建国等，《钢-混凝土组合结构》，中国建筑工业出版社，北京，20052.林宗凡林宗凡编著，《钢-混凝土组合结构设计》同济大学出版社，上海，20043.JohnsonRPJohnsonRP,CompositeStructuresofSteelandConcrete,OXFORD:BlackwellScientificPublications,1995参考书目赵鸿铁主编，《组合结构设计原理》，高等教育出版社，北京，2005教材及参考书目教材及参考书目2011/10/186什么是组合结构？什么是组合结构？由各种由各种组合构件组合构件构成的结构体系称构成的结构体系称为为组合结构组合结构组合构件组合构件两种或两种以上两种或两种以上性质不同的性质不同的结构结构材料材料组成整体组成整体能能共同工作共同工作的构件的构件14:5522011/10/187在传统使用的结构中，有许多构件即是组合构件在传统使用的结构中，有许多构件即是组合构件传统结构中的组合构件传统结构中的组合构件组合墙梁组合墙梁配筋砖砌体配筋砖砌体钢木混合桁架钢木混合桁架钢筋混凝土钢筋混凝土本课程主要介绍的是本课程主要介绍的是型钢型钢与与混凝土混凝土的组合构的组合构件与结构，即件与结构，即钢－混凝土组合构件与结构钢－混凝土组合构件与结构2011/10/188223maxmax23162128MyqlqlhbhIbhσ===max33132248Vqlqlbhbhbhτ===44433555223843846412qqllqlfbhEIEbhE===()322maxmax22381216bhMyqlqlhIbhσ===()()max3313222228Vqlqlbhbhbhτ===()44433555384384256212qlqlqlfEIEbhbhE===完全组合梁完全组合梁非组合梁非组合梁组合机理组合机理正应力分布正应力分布剪应力分布剪应力分布maxσmaxτ无剪切连接无剪切连接完全剪切连接完全剪切连接2011/10/189压型钢板与混凝土组合板压型钢板与混凝土组合板钢钢--混凝土组合梁混凝土组合梁型钢混凝土构件型钢混凝土构件型钢混凝土梁型钢混凝土梁型钢混凝土柱型钢混凝土柱钢管混凝土钢管混凝土组合构件组合构件圆形钢管混凝土圆形钢管混凝土矩形钢管混凝土矩形钢管混凝土2011/10/1810在压成各种形式的在压成各种形式的凹凸肋凹凸肋与各种形式与各种形式槽纹槽纹的的钢板钢板上浇注上浇注混凝土混凝土而制成的组合板而制成的组合板依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合组合在一起在一起压型钢板与混凝土组合板压型钢板与混凝土组合板成型成型浇筑浇筑截面抵截面抵抗矩抗矩截面截面刚度刚度2011/10/1811压型钢板与混凝土组合板压型钢板与混凝土组合板特点：特点：利用混凝土利用混凝土造价低造价低、、抗压强度高抗压强度高、、刚度大刚度大等特点作等特点作为板的为板的受压区受压区，而受拉性能好的，而受拉性能好的钢材钢材放在放在受拉区受拉区，，代替板中受拉钢筋，使得两种材料合理受力，各得代替板中受拉钢筋，使得两种材料合理受力，各得其所，都能发挥各自的优点。其所，都能发挥各自的优点。压型钢板在施工时先行安装，可作为浇注混凝土的压型钢板在施工时先行安装，可作为浇注混凝土的模板及施工平台模板及施工平台。。在与混凝土共同工作性能较差的压型钢板上可焊在与混凝土共同工作性能较差的压型钢板上可焊接分布钢筋或栓钉，以保证钢材与混凝土的完全组接分布钢筋或栓钉，以保证钢材与混凝土的完全组合作用。合作用。2011/10/1812通过通过剪切连接件剪切连接件将将钢梁钢梁与与混凝土板混凝土板连成整体的连成整体的横向横向承载构件。承载构件。组合梁组合梁14:5532011/10/1813混凝土板可以是混凝土板可以是现浇混凝土板现浇混凝土板、、预制混凝土板预制混凝土板、、压型钢压型钢板混凝土组合板板混凝土组合板或或预应力混凝土板预应力混凝土板。钢梁可以用。钢梁可以用轧制轧制或或焊焊接接钢梁。钢梁。钢梁形式有工字钢、槽钢或箱形钢梁等。混凝土板与钢钢梁形式有工字钢、槽钢或箱形钢梁等。混凝土板与钢梁之间用梁之间用剪切连接件剪切连接件连接，使混凝土板作为梁的连接，使混凝土板作为梁的翼缘翼缘与钢与钢梁组合在一起，整体共同作用，形成组合梁。梁组合在一起，整体共同作用，形成组合梁。特点特点：：混凝土受混凝土受压压，钢梁主要，钢梁主要受拉与受剪受拉与受剪，受力合理，强度、，受力合理，强度、刚刚度度显著提高，充分利用了材料各自优点显著提高，充分利用了材料各自优点由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起，很大由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起，很大程度上改善了钢结构容易发生程度上改善了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳整体失稳与局部失稳的弱点的弱点组合梁组合梁2011/10/1814型钢混凝土组合构件型钢混凝土组合构件在混凝土中配置在混凝土中配置型钢型钢或以或以配型钢为主配型钢为主的结构构件的结构构件称为型钢混凝土组合结构构件。称为型钢混凝土组合结构构件。2011/10/1815型钢混凝土组合构件型钢混凝土组合构件特点：特点：承载力高承载力高构件截面小，可降低结构层高构件截面小，可降低结构层高减少模板工作量，缩短工期减少模板工作量，缩短工期结构延性好，抗震性能优良结构延性好，抗震性能优良耐久性和防火性能明显优于钢结构耐久性和防火性能明显优于钢结构2011/10/1816钢管混凝土柱钢管混凝土柱可分为圆形钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱可分为圆形钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱等。一般在钢管中浇注混凝土，不另配钢筋。等。一般在钢管中浇注混凝土，不另配钢筋。（（11）圆形钢管混凝土柱的特点：）圆形钢管混凝土柱的特点：利用钢管约束混凝土，混凝土由利用钢管约束混凝土，混凝土由单向单向受压转变为受压转变为三向三向受压，受压，混凝土强度和延性大大提高。混凝土强度和延性大大提高。避免了钢管特别是薄壁钢管容易失稳的缺点。避免了钢管特别是薄壁钢管容易失稳的缺点。圆形钢管在作为圆形钢管在作为受弯构件受弯构件使用时并无优越性可言，而且是使用时并无优越性可言，而且是不利不利的，因此常常将其作为高层建筑中的下面数层的柱是昀的，因此常常将其作为高层建筑中的下面数层的柱是昀合适的。合适的。圆钢管混凝土结构的昀大弱点是圆形截面的柱与矩形截面圆钢管混凝土结构的昀大弱点是圆形截面的柱与矩形截面的梁的梁连接连接比较复杂。比较复杂。钢管混凝土钢管混凝土钢管混凝土柱钢管混凝土柱2011/10/1817钢管混凝土钢管混凝土(2)(2)矩形钢管混凝土柱的特点矩形钢管混凝土柱的特点可以用作偏心受压柱；可以用作偏心受压柱；连接面为平面，节点构造比较简单；连接面为平面，节点构造比较简单；由于钢材都分布于截面外边，抗弯承载力较高。由于钢材都分布于截面外边，抗弯承载力较高。2011/10/1818其他类型的组合结构构件其他类型的组合结构构件••外包钢外包钢--混凝土组合结构构件混凝土组合结构构件14:5542011/10/1819••钢板钢板--混凝土组合剪力墙构件混凝土组合剪力墙构件其他类型的组合结构构件其他类型的组合结构构件2011/10/1820••桁架式钢管混凝土构件桁架式钢管混凝土构件其他类型的组合结构构件其他类型的组合结构构件2011/10/1821设计理念设计理念◇◇混凝土的弱点混凝土的弱点抗拉强度小抗拉强度小有横向约束时抗压强度增大有横向约束时抗压强度增大极限应变小，受压易溃散极限应变小，受压易溃散钢材提供支援钢材提供支援◇◇钢材的弱点钢材的弱点容易压缩屈曲容易压缩屈曲容易生锈容易生锈刚度较小刚度较小混凝土提供支援混凝土提供支援设计理念：设计理念：合理使用钢材与混凝土合理使用钢材与混凝土2011/10/1822组合结构特点组合结构特点钢－混凝土组合结构充分利用了钢材和混凝土各自钢－混凝土组合结构充分利用了钢材和混凝土各自的优势性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动的优势性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。同钢筋混凝土结构相比同钢筋混凝土结构相比：减小构件截面尺寸、减轻：减小构件截面尺寸、减轻结构自重、减小地震作用影响、增加有效使用空间、结构自重、减小地震作用影响、增加有效使用空间、降低基础造价、方便安装、缩短施工周期、增加构件降低基础造价、方便安装、缩短施工周期、增加构件和结构的延性等；和结构的延性等；同钢结构相比同钢结构相比：减少用钢量、增大刚度、增加稳定：减少用钢量、增大刚度、增加稳定性和整体性、提高结构的抗火性和耐久性等。性和整体性、提高结构的抗火性和耐久性等。2011/10/1823组合结构适用范围组合结构适用范围组合结构广泛应用于组合结构广泛应用于多层及高层房屋多层及高层房屋、、大大跨结构跨结构、、高耸结构高耸结构、、桥梁结构桥梁结构、、地下结构地下结构、、结结构改造及加固构改造及加固等。等。凡是能够采用钢结构和钢筋凡是能够采用钢结构和钢筋混凝土结构的地方，当其跨度比较大、荷载比混凝土结构的地方，当其跨度比较大、荷载比较重时，都可以采用组合结构较重时，都可以采用组合结构。。是否采用组合结构，要对综合效益进行分是否采用组合结构，要对综合效益进行分析比较，包括使用性能、构件尺寸、有效使用析比较，包括使用性能、构件尺寸、有效使用空间、施工周期、基础造价等。空间、施工周期、基础造价等。2011/10/1824组合结构以其优越的受力性能、施工性能和良好组合结构以其优越的受力性能、施工性能和良好的综合效益，将成为本世纪结构体系的的综合效益，将成为本世纪结构体系的重要发展方向重要发展方向之一。之一。近年来，组合结构在我国的研究与应用得到迅速近年来，组合结构在我国的研究与应用得到迅速发展，至今已成为一种公认的新的结构体系。其与传发展，至今已成为一种公认的新的结构体系。其与传统的四大结构，即钢结构、木结构、砌体结构和钢筋统的四大结构，即钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列，已扩展成为混凝土结构并列，已扩展成为五大结构五大结构。。当前我国基本建设发展很快，规模越来越大，对结当前我国基本建设发展很快，规模越来越大，对结构形式也提出了越来越高的要求。组合结构适应现代构形式也提出了越来越高的要求。组合结构适应现代结构对结构对““轻型大跨、预制装配、快速施工轻型大跨、预制装配、快速施工””的要求，在的要求，在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。组合结构适用范围组合结构适用范围14:5552011/10/1825组合结构的发展组合结构的发展压型钢板混凝土组合楼板压型钢板混凝土组合楼板的的应用始于欧美国家。组应用始于欧美国家。组合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土的的组合剪切组合剪切计算。美国的计算。美国的PorterPorter和和EkbergEkberg教授等首教授等首先在实验的基础上，提出了组合面纵向剪切承载能力先在实验的基础上，提出了组合面纵向剪切承载能力的计算方法，使得组合板的设计计算理论推进一步，的计算方法，使得组合板的设计计算理论推进一步，并