钢与混凝土混合结构第一章概述.ppt

钢混凝土 组合结构 设计原理,教师简介 宁掌玄，山西原平人，1993年毕业于中国矿业大学，获硕士学位。长期以来一直从事教学科研工作。 社会兼职、荣誉称号： 中国岩石力学学会会员，山西岩石力学分会常务理事、副秘书长；中国煤矿支护学会会员；山西省煤炭协会常务理事，大同岩石力学学会常务理事、秘书长；大同市国土资源局专家。 近三年荣获山西省煤炭科技专家、山西省煤炭教育工作优秀教师，大同市师德师风先进个人（荣立二等功）、大同市煤炭科技专家等荣誉称号。,主要研究专业：矿井建设、工程爆破、巷道支护 主要发表论文： 斜井施工装运系统模拟技术研究 多层加筋尾矿砂三轴压缩试验 东周窑主斜井过含水砂砾层施工方案的优化分析 同煤集团锚杆支护技术难题与对策 斜井施工模拟技术研究 综采工作面施工对上覆岩体结构及工程稳定性影响研究 低矮坚固型楼房的爆破拆除技术 计算机技术在斜井施工中的应用 钢筋混凝土烟囱的爆破拆除技术 潮湿环境下电雷管的拒爆现象探讨 动力电一次起爆3000发电雷管的设计与施工技术 喷射混凝土施工工艺的探讨 在煤矿复杂地质条件下锚杆锚索联合支护技术的研究 深部岩体注气破裂的数值模拟等论文在多种刊物已发表。,主要科研业绩： 斜井掘进机械化作业线的动态模拟研究下拨经费10万元，项目负责人，山西省科学技术发展计划项目(20080321068) 基于windows平台的数字电测解释系统项目已通过中国地球物理研究所鉴定，成果广泛应用于测井工程。 大同侏罗纪极近距多煤层采空区下巷道支护技术 同煤集团立项，经费18万。 神州煤业巷道快速掘进关键技术研究 神州煤业立项，经费15万。 煤矿机掘巷道临时支护装置的设计与研发 东华矿机立项，经费14万。 陈家沟煤矿震波超前探测 技术研究阳方口煤业立项，经费5万。 参与了同煤集团煤矿井筒穿越多层采空区施工技术研究、厚及复杂煤层巷道围岩稳定性分析与支护技术研究、基于微地震监测技术的特厚煤层综放面围岩运动规律研究、大同矿区冲击地压的发生机理与巷道合理布置的研究等项目的研究，均获得省科技厅鉴定。 主持完成了大小爆破工程200多项，爆破工程涉及楼房、厂房、烟囱、水塔、水池、地基、马路、冻土、公路石方等多个方面。 主编了中国矿大出版社出版的房屋设备安全与环境工程高校教学用书，任主编。参编了煤炭工业出版社出版的高层建筑结构设计一书，21世纪规划教材。,第1章 概论 1.1 组合结构的发展历史和应用 1.2 组合结构基本概念 1.3 组合结构分类与特点 1.4 组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作,1.1 组合结构的发展历史和应用 组合结构早在19世纪末已经存在，最早出现钢与混凝土组合结构主要是为了防火和防蚀。 1879年英国的塞文铁路桥采用了钢管混凝土桥墩. 1906年日本旧东京仓库的柱采用了型钢与混凝土组合的截面形式 1966年首次在北京地铁车站成功应用了钢管混凝土结构。 组合结构主要应用于高层和超高层建筑、轻型钢结构住宅和桥梁、地铁工程中。我国自80年代以来开始系统研究钢一混凝土组合结构，对梁、柱、连接节点等进行了深人的试验研究和理论分析，并在实际工程中得到了较好的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。可以说，钢一混凝土组合结构是一种非常有前景的结构形式，在21世纪必将得到更全面的应用。,钢-混凝土组合结构是结构工程领域近年来发展很快的一个方向，世界各国已经将组合结构成功应用于许多超高层建筑及大跨桥梁。而随着我国经济建设近20多年的快速发展，钢-混凝土组合结构在我国也得到了迅速的发展和越来越广泛的应用，应用范围已涉及建筑、桥梁、高耸结构、地下结构、结构加固等领域。工程应用证明，组合结构综合了钢结构和混凝土结构的优点，可以用传统的施工方法和简单的施工工艺获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国现阶段基本建设的国情，是具有广阔应用前景的新型结构体系之一。而作为组合结构中重要的横向承重构件钢-混凝土组合梁的研究分析对组合结构推广应用显得尤为重要。,组合结构代表作,马来西亚 国家石油公司双塔大楼 马来西亚国家石油公司双塔大楼位于吉隆坡市中心，高88层，是当今世界名冠的超级建筑。巍峨壮观，气势雄壮，是马来西亚的骄傲。它曾以451.9米的高度打破了美国芝加哥希尔斯大楼保持了22年的最高记录。这个工程于1993年12月27日动工，1996年2月13日正式封顶，1997年建成使用。登上双塔大楼，整个吉隆坡市秀丽风光尽收眼底，夜间城内万灯齐放，景色尤为壮美。,上海金茂大厦 金茂大厦具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向21世纪的标志性建筑之一，由美国SOM设计事务所主设计。 1998年8月建成，占地面积236万平方米，建筑面积 28.95万平方米，高420.5米，88层。 金茂大厦主楼152层为办公用房，5387层为五星级宾馆，88层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。,香港国际金融中心 位于香港中环的国际金融中心一期工程于1998年竣工，高39层，180米，自建成后便吸引了不少国际金融机构进驻。 国金二期于2003年落成，高420米，共88层，为香港最高建筑物。被称为“惊世之作”的香港国际金融中心二期外形设计概念是以一个向外地的朋友“招手”的手势，向海外朋友表示“欢迎您”的意思。,中银大厦 香港中国银行大厦，由贝聿铭建筑师事务所设计，1990年完工。总建筑面积12.9万平方米，地上70层，总高369米。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，室内无一根柱子。 仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。,中环广场大厦 1993年香港中环广场大厦建成，高374米，共78层，世界10名之列。 大厦看起来是三角形造型，其实并不是真三角形，因为它的尖角均被切去。原因有二：首先是为了有更多的使用面积；其次是避免以其锐利尖角冲向邻居得罪他们，有碍风水。 大厦顶部以金字塔形状的坡顶以及立于其上的桅杆作收束，晚间日光照耀下闪闪发光。立面以三种不同颜色的隔热玻璃围护，形成典雅而又闪烁发光的形象。,1.2 组合结构的基本概念 组合构件：由两种不同性质的材料组合成为一个整体，并共同工作的构件。 钢与混凝土组合结构：是由钢与混凝土组合构件组成的结构。如钢筋混凝土结构、组合墙梁等。 组合结构的特点： 通过两种材料的协同工作，充分发挥单个材料自身的优点，同时可以降低或者避免单个材料的不利影响。而且，多种材料共同作用，可以产生众多有利的组合效应。任何一种建筑材料都有它的长处和短处。如混凝土的抗压性能好而抗拉能力差，钢材虽然拉和压的强度相同，但受压时常取决于稳定承载力，强度不能充分利用。为了充分发挥混凝土和钢材这两种材料的长处，克服其短处，把它们组合在一起形成一个构件而共同工作是较好的办法。,钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，现已广泛应用于高层超高层建筑、大跨桥梁和地铁隧道等工程，成为与传统混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构相并列的第五大结构。钢-混凝土组合结构由于充分发挥了混凝土承受压力而钢材承受拉力的材料力学性能优势，实践中已经取得了良好的经济效益和社会效益。,1.3 组合结构的分类 钢与混凝土组合结构依据钢材形式与配钢方式不同分为： 组合楼板； 钢与混凝土组合梁； 型钢钢筋混凝土； 钢管混凝土； 外包钢混凝土等多种形式。 1.3.1 压型钢板与混凝土组合楼板 1）压型钢板与混凝土组合楼板是在压成各种形式的凹凸肋与各种形式槽纹的钢板上浇注混凝土而形成的组合板。,2）压型钢板与混凝土组合楼板特点： 压型钢板与混凝土组合在一起有很多优点： (1) 压型钢板可作为混凝土的受拉加强部分，用以抵抗板面荷载产生的板底拉力，与混凝土共同抵抗剪力，除了在适当部位要设置钢筋减轻混凝土收缩以及温度变化的影响外，不必再另设钢筋。 (2) 压型钢板相当平整，可直接作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，增加了楼层的有效空间，可适当降低层高，节省投资。 (3) 由压型钢板作为其永久性的模板，不再需要安装、拆模，方便施工。 (4) 由于压型钢板本身具有相当的承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度值前就可以继续进行上层混凝土的浇筑，使施工进度加快。,1.3.2 钢与混凝土组合梁 将钢梁与混凝土板组合在一起形成组合梁 。 混凝土板与钢梁之间用剪切连接件连接，使混凝土板作为梁的翼缘与钢梁组合在一起，整体共同工作形成组合T形梁。 混凝土板可以是现浇混凝土板，也可以是预制混凝土板、压型钢板混凝土组合板或预应力混凝土板。 钢梁可以用轧制或焊接钢梁。,1）钢梁主要的几种形式 钢梁主要有以下几种形式： (1) 三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成； (2) 将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板； (3) 将工字钢沿腹板纵向割开，然后将不同大小的半工字钢对焊而成； (4) 蜂窝梁。,2）钢与混凝土组合梁特点 （1）承载力高。国内外试验结果表明，钢混凝土组合梁截面受局部荷载时，破坏荷载约为设计荷载的2.22.6倍； （2）抗疲劳性能好。钢混凝土组合梁由于混凝土翼板的存在，致使钢梁上翼缘应力降低，实际表明组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力； （3）节约钢材。由于截面材料受力合理，混凝土替代部分钢材工作，使其用钢量大幅度下降，如采用塑性理论进行设计，还可降低造价。实践表明，钢混凝土组合梁方案与钢结构方案相比，可节约钢材2040；,（4）增强刚度，降低梁高。混凝土板参与梁的工作，增大了梁的刚度，与钢板梁方案相比，在用钢量相同的条件下，梁挠度可减少1/31/2。对于相同刚度要求的结构来说，由于相当宽的混凝土板参与抗压，组合梁的惯性矩比钢梁的惯性矩大得多，组合梁可比钢板梁减小截面高度2530； （5）提高抗震性能。钢混凝土组合梁其整体性强，抗疲劳性能好，耗能能力强，整体稳定性又好，故其表现出良好的抗震性能；在地震频发地区，实际证明，钢与混凝土组合结构的抗震性能要比其他结构好的多。 （6）稳定性好。由于组合梁上翼缘侧向刚度大，所以整体稳定性好，加上钢梁的受压翼缘受到混凝土板的约束，其翼缘与腹板的局部稳定性都得到改善。,1.3.3 型钢混凝土结构 型钢混凝土结构是在混凝土中主要配置轧制或焊接型钢而成的结构。在配置实腹型钢的构件中还配有少量钢筋与钢箍，主要是为了约束混凝土，是构造需要。既配有钢筋，在计算中亦可考虑其辅助受力。 前苏联称之为劲性钢筋混凝土结构（ Steel Reinforced Concrete， 缩写SRC ），将置于混凝土中的型钢称为劲性钢，把配置的钢筋称为柔性钢。 日本则称为钢骨混凝土(铁骨铁筋) 。 我国受到英、美、苏、日等国的影响，对这种结构的叫法很不一致。对应于钢筋混凝土结构而言，一般认为在混凝土中主要配置的是型钢，故称为型钢混凝土结构（Steel reinforced concrete composite structure）。这一名称也得到了国内许多学者的认同。,1）型钢钢筋混凝土构件种类,型钢混凝土梁 ：,型钢混凝土柱：,型钢混凝土剪力墙 ：,2）型钢钢筋混凝土特点 (1) 含钢率不受限制，承载力高，刚度大。反过来讲，可以减小构件截面，增加建筑物使用面积和楼层净高。型钢混凝土框架较之钢框架可节省钢材达50以上，经济效益可观。 (2) 结构可以二次受力。浇灌混凝土以前，型钢混凝土中的型钢有相当的承载力，可以悬挂模板，承受自重、后浇混凝土和施工荷载等第一阶段荷载。后浇混凝土养护结硬达到设计强度后，与型钢、钢筋形成整体，共同承受使用荷载。利用二次受力原理进行型钢混凝土梁的合理设计，可以减小梁的变形和裂缝宽度。 (3) 显著加快施工速度。不必等待下层结构的混凝土达到预定强度就可继续上层施工，不需临时支撑，可实行土建和设备安装工序的平行流水作业。,(4) 与钢筋混凝土结构相比，构件的受压、受剪和压弯承载力大幅度提高。构件截面面积约减少50。型钢混凝土结构的延性和耗能能力明显提高，尤其是实腹式构件。 (5) 与钢结构相比，型钢混凝土组合结构的耐久性、耐火性能等均胜一筹。型钢混凝土构件的外包混凝土，可以阻止其中型钢的局部屈曲，并能显著改善型钢的平面扭转屈曲性能，使钢骨的钢材强度得以充分发挥。节约钢材50以上。,型钢混凝土组合结构缺点是： 型钢混凝土构件既要求进行钢构件的制作和安装，又要求支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，施工工序增多。,1.3.4 钢管混凝土 钢管混凝土（Concrete Filled steel Tube，简写为CFST）是在钢管中填充混凝土而成的，混凝土与钢管协同受力。 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。 1）钢管混凝土常用截面形式 可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。,2）常见的中空夹层钢管混凝土构件截面形式： 中空夹层钢管混凝土除了具备实心钢管混凝土柱的优点外，尚有自重轻和刚度大的特点，且由于其内钢管受到混凝土的保护，使得该类柱具有更好的耐火性能。,3）钢管混凝土在拱桥中的应用 将钢管混凝土用于拱桥，符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向。我国采用钢管混凝土拱桥是从上个世纪80年代开始的，四川旺苍县东河大桥是国内第一座采用钢管混凝土拱肋的公路拱桥，净跨度为115m，为下承式拱。近十几年以来，钢管混凝土拱桥在我国公路和城市桥梁中发展十分迅速，据不完全统计，到上世纪末全国已建和在建的钢管混凝土拱桥超过了100座。,4）钢管混凝土在高层和超高层建筑中的应用 我国钢管混凝土应用于超高层建筑中规模最大的是深圳赛格广场，共70层，地上部分高291.6m，计入裙房共15.5万m2。还有台北世界贸易中心。,5）钢管混凝土特点 （1）承载力高 、重量轻、塑性好。 a) 圆钢管混凝土受压(或压弯)杆件，由于钢管对内填混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，抗压强度提高一倍以上。 b) 内填混凝土反过来又阻止薄壁钢管受压时的局部屈曲，使钢管的抗压强度得以充分发挥。 c) 试验结果指出，与钢筋混凝土杆件相比较，圆钢管混凝土杆件的抗剪强度和抗扭承载力也几乎提高一倍。,（2）取得高强混凝土效果 a) 试验结果给出，对于Q235钢管， 内填c30和c40混凝土的标准抗压强度，由20和27Nmm2分别提高到49和58Nmm2；对于Q345钢管，内填C40混凝土的标准抗压强度，由27提高到70Nmm2。 b) 圆钢管混凝土受压构件，管内C30一C60混凝土发挥了C60C120的作用，即取得了高强混凝土的效果。 c) 避免了高强混凝土(C60)的不易配制、高配箍率(达20)、延性系数小及脆性破坏性态等缺点。,（3）不限制轴压比 试验研究结果表明，套箍指标 0.9的圆钢管混凝土杆件，即使用于抗震设防结构，也不必限制轴压比，即可取轴压比n=1。因为钢管混凝土杆件不必控制轴压比，其效果相当于又进一步提高了其受压承载力。 （4）截面尺寸小 (a) 与钢筋混凝土柱相比较，由于圆钢管混凝土柱的受压承载力高，且不必限制轴压比，柱的截面尺寸可减小50以上。 (b) 与型钢混凝土柱相比较，截面面积也可减小很多，因为型钢混凝土柱的受压承载力大致等于柱内型钢承载力与外包钢筋混凝土承载力之和；而圆钢管混凝土柱的受压承载力几乎是钢管及内填混凝土单独承载力之和的二倍。,（5) 延性好,耐疲劳，耐冲击。 (a) 钢管内的混凝土，由于钢管的套箍作用，受压时的脆性破坏转变为延性破坏； (b) 套箍指标 0.9的钢管混凝土受压构件，在往复水平荷载作用下，具有极好的延性，延性系数具有很大的数值。 （6) 避免使用厚钢板 (a) 钢结构高层建筑中，钢构件的钢板厚度往往达到80130mm，甚至更厚。厚度大于50mm的钢板，其加工制作和对接焊接，对钢材质量的要求更高，对钢材硫、磷含量的控制更严，需要具有良好的z向性能，以防层状撕裂。 (b) 高层建筑的钢管混凝土构件，用以制作钢管的钢板厚度一般不超过40mm，从而避免了使用有Z向(板厚方向)性能要求的厚钢板。,（7) 耐火性能好 (1)钢管混凝土柱因钢管内填满混凝土，能吸收大量热能；遭受火灾时，能延长柱的耐火时间。 (2)试验数据指出，同样满足一级耐火3h的要求，与钢柱相比较，钢管混凝土柱可以节省防火涂料一半以上。 （8) 竖向压缩变形大 由于钢管混凝土柱的工作压应力较大，引起的柱子竖向压缩变形，要比一般钢筋混凝土柱的压缩变形大，在高层建筑设计中，应考虑其不利影响。 （9) 钢管兼有纵筋和箍筋的双重作用 制作钢管比制作钢筋骨架要方便得多。钢管内的核心混凝土部分不设钢筋，浇灌混凝土方便钢管本身就可作为模板工省料，并且很适合使用泵送混凝土。 （10)钢管在施工阶段可起支撑作用，从而可以简化施工安装工艺，节省部分支架，有利于减少工序、缩短工期。,（11)用材节约 替代钢结构的受压杆件可大量节约钢材。若替代钢筋混凝土结构，则在用钢量大体相同的情况下可减小截面50左右，相应节省了大量混凝土。,1.3.5 外包钢混凝土 是在混凝土四角配以角钢形成的一种结构。 从广义上说，外包钢混凝土结构是指外部配筋的钢筋混凝土结构，简称外包钢结构。它是在克服装配式钢筋混凝土结构需大量采用钢筋剖口焊、接头二次浇筑混凝土等缺点的基础上发展起来的。应用较多的是四角配置角钢的钢筋混凝土结构，角钢的外表面与混凝土表面取平或稍突出表面0.51.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋保护层的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接 。,组合柱： 目前组合柱集中在型钢混凝土组合柱、外包钢组合柱、钢管混凝土组合柱的研究。主要研究它们的抗震性能,和承载力计算公式。 国内外对钢管混凝土结构