组合结构第六章型钢混凝土梁.ppt

钢 混凝土组合结构 第六章型钢混凝土梁设计 汇报人 王斌学号 132081402043 型钢混凝土组合构件主要由三部分组成 即核心部分的型钢 sectionsteel 外部的钢筋 reinforcingsteelbar 和混凝土三种材料共同协同工作的组合构件 其中型钢组要有轧制型钢 焊接组合式截面型钢 根据所用型钢的不同可以分为实腹式和格构式或空腹式 一 型钢混凝土结构基本概念 目前世界各国对型钢混凝土的计算主要有三种1 基于试验与数值计算经验公式的计算分析主要有两种计算方法 一钢结构理论为基础 考虑混凝土对型钢刚度有提高作用 按钢结构稳定理论计算 二是在型钢混凝土试验构件的基础上 通过数值分析拟合出经验公式如欧洲规范 Eurocode4 2 基于钢筋混凝土的计算方法3 承载力叠加法 由日本学者提出 我国对型钢混凝土组合结构的计算有两种方法 一种就是以概率理论为基础的极限状态设计法 采用一种就是叠加计算法 6 1 2型钢混凝土组合结构计算方法 钢 混凝土组合梁的分类 钢包混凝土 混凝土包钢 型钢混凝土 拉区 钢压区 混凝土 本章内容 型钢混凝土梁配置的型钢形式分为实腹式型钢和空腹式型钢两大类 本章主要介绍实腹式型钢梁 特点 1 由于在混凝土中配置了型钢 型钢混凝土梁的承载力 刚度大大提高 因而大大减小了梁的截面尺寸 增加了房间净空 即降低了房屋的层高与总高度 使其更适用于大跨 高层及超高层建筑中 2 型钢混凝土梁不仅强度高 刚度大 而且有良好的延性和耗能性能 尤其适合于抗震区的建筑 型钢混凝土梁概述 钢 混凝土组合结构 涉及的主要规范 钢结构设计规范 GB50017 2003 钢 混凝土组合结构 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS28 90 圆 矩形钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS159 2004 方 梁 板 柱 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001 钢骨混凝土结构设计规程 YB9082 97 钢 混凝土组合结构设计规范 DL T5085 1999 钢 混凝土组合结构楼盖设计与施工规程 YB9238 92 钢骨混凝土结构设计规程 YB9082 2006 CECS230 2008 高层建筑钢混凝土混合结构设计规程 型钢混凝土梁 型钢混凝土梁设计方法 设计内容 方法一 方法二 平截面假定基础上的极限平衡法 正截面抗弯斜截面抗剪挠度验算裂缝宽度验算 一般叠加法 简单叠加法 JGJ138 2001 YB9082 97 YB9082 2006 对应标准 混凝土梁的理论 1 型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算 受力性能和破坏形态 二 承载力计算 为了研究型钢混凝土梁的抗弯性能和建立承载力设计方法 西安建筑科技大学等几所大学对配有实腹型钢混凝土梁采用三分点加载的形式进行了抗弯试验研究 实验现象实验现象看到 首先在纯弯段出现裂缝 表现为一致的竖向裂缝 然后在剪跨段出现裂缝 随着荷载的继续增加 裂缝逐渐开展 大约加载到50 左右的极限荷载时 裂缝基本出齐 然后继续加载 会发生裂缝发展停滞的现象 这主要原因是由于型钢混凝土梁中型钢的刚度较大 裂缝开展到型钢的下翼缘附近时 受到型钢的阻止 当加载到80 左右过的极限荷载时 受压翼缘处出现水平粘结裂缝 随着荷载的进一步增加 水平裂缝就会贯通 保护层剥落 受压区混凝土被压碎而构件破坏 在oa段 截面处于弹性阶段 混凝土未开裂 应力较小 P V曲线为直线 在ab段 当曲线达到a点时 型钢混凝土梁手拉取出现裂缝 由于型钢的刚度较大 其减小的程度比钢筋混凝土梁小 所以荷载 跨中挠度曲线仍为直线 钢筋与型钢仍处于弹性状态 抗弯性能与截面应力分析 bc段 随着荷载的不断增加 受拉钢筋和型钢受拉翼缘先后达到屈服 此时截面有较大的降低 荷载挠度曲线明显弯曲 cd段 当荷载加到极限荷载时 断续的水平粘结裂缝贯通 受压区混凝土保护层剥落 受压区混凝土被压碎 型钢混凝土梁宣告破坏 de段 此阶段梁的受弯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好 通过实验发现 型钢混凝土梁达到最大承载力之前 梁中的型钢截面的应变分布与混凝土截面的应变分布基本上协调一致 中和轴重合 且接近于直线分布 结果表明 型钢与混凝土的粘结作用在受到最大荷载之前一般不会破坏 二者能够很好的共同作用 根据国内外试验 粘结力相当于光面钢筋粘结力的45 因此 可假定型钢混凝土梁中型钢与混凝土的应变符合平截面假定 1 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 cu取0 003 相应的最大应力取混凝土轴心抗压强度设计值 1fc 4 受压区混凝土的应力图形简化为等效矩形 其高度取按平截面假定的中和轴高度乘以系数 1 5 型钢腹板的拉压应力图形均为梯形 在设计计算时 简化为等效的矩形应力图形 6 3 2型钢混凝土梁正截面承载力计算 6 纵向钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积 但不大于设计值 受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变 su取0 01 2 计算原则把型钢翼缘作为纵向受力钢筋的一部分 并在下面的平衡方程式中分别增加了型钢腹板受弯承载力项Maw和型钢腹板轴向力承载项Naw的确定 它是通过对型钢腹板应力分布积分 再做一定的简化求出来的 3 承载力计算1 计算简图型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算简图见下图 2 计算公式当 时对考虑抗震设计时 除以正截面承载力抗震调整系数即可 式中 相对受压区高度 相对界限受压区高度 分别为型钢腹板的上端 下端至梁截面混凝土受压区上边缘距离与的比值 型钢腹板承受的轴向合力 型钢腹板承受的轴向合力对于型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的距 3 公式适用条件为了保证型钢混凝土梁发生破坏时 先是型钢下翼缘和纵向受拉钢筋屈服 然后受压区混凝土被压碎 具有良好的塑性变形性能 截面受压区高度应满足 为了保证型钢混凝土梁的型钢上翼缘和纵向受压钢筋在破坏前达到屈服 截面受压区高度应满足 值可按平截面假定推导出 2 型钢混凝土梁正截面承载力计算方法二 叠加法 简单叠加法 对于型钢混凝土梁正截面受弯承载力验算 行业标准YB9082 97 钢骨混凝土结构设计规程 给出了如下计算方法 1 计算公式式中 型钢混凝土梁弯矩设计值 梁内钢骨部分的受弯承载力 梁内钢筋混凝土部分的受弯承载力 2 钢骨的受弯承载力型钢混凝土梁内钢骨的受弯承载力Mssby 按下式计算 6 3 2型钢混凝土梁正截面承载力计算方法二 式中 钢骨截面的弹性抵抗矩 钢骨截面塑性发展系数 对工字形截面的钢骨 钢骨材料的抗压 抗拉强度设计值 3 钢筋混凝土部分受弯承载力a 型钢混凝土梁的钢筋混凝土部分 见图5 3 5 其受弯承载力按下列公式计算 b 型钢混凝土梁钢筋混凝土部分受压区高度x 应符合下列要求 梁截面的有效高度 即受拉钢筋截面面积形心到梁截面受压区外边缘的距离 梁截面混凝土受压区扣除其中钢骨截面面积后的等效宽度 对于钢骨为充满型 非对称 实腹型的型钢混凝土梁 即梁受压区的钢骨翼缘宽度小于梁受拉区的钢骨翼缘宽度 其正截面承载力仍可按简单叠加法关于对称截面钢骨的计算方法 只不过此时可将受拉翼缘大于受压翼缘的钢骨截面面积 作为型钢梁钢筋混凝土部分的外加受拉钢筋就行 对非充满型的型钢混凝土梁可参照前面关于钢与混凝土组合梁的设计方法 3 几种计算方法结果的比较 1 一般叠加法的计算结果 与理论计算方法 平截面假定基础上极限平衡法 吻合较好 但多数情况下计算结果偏于安全 上述两种方法的计算过程均比较繁琐 2 简单叠加法与一般叠加法相比较 计算过程简单 但计算结果偏于保守 对于钢骨为对称配置的情况 简单叠加法与一般叠加法计算结果相差不是太大 6 4 1 试验研究分析试验研究表明 实腹式型钢梁斜截面的破坏与钢筋混凝土梁的斜截面破坏还是有较大差别的 根据其剪切破坏的形态不同分为三种类型 斜压破坏 剪压破坏和剪切粘结破坏 见图5 4 1 6 4型钢混凝土梁斜截面承载力计算 1 斜压破坏发生条件 破坏特征 当加载至混凝土开裂后 型钢的腹板承担着斜裂缝截面上混凝土转移过来的剪应力 同时 对混凝土拉 压变形起到有效的约束作用 所以 混凝土的斜压短柱不可能在型钢屈服前达到极限压应变而压碎 只有在型钢屈服后 这种约束作用才丧失 抗剪能力不断下降变形增大 最后 因混凝土斜压短柱被压碎而宣告梁破坏 见图5 4 1 a 2 剪压破坏发生条件 且梁的含钢率较小时的情况下 发生剪压破坏 破坏特征 首先出现垂直的弯曲裂缝 随着荷载的继续增加 剪跨区段的弯曲裂缝发展到型钢翼缘处 由于受到刚度较大的型钢约束 裂缝发展缓慢 当荷载进一步增大时 剪力也不断增大 梁腹部在剪应力和弯曲应力共同作用下产生的主拉应力 使垂直弯曲裂缝发展为弯剪斜裂缝 并指向加载点 此时 斜裂缝处的混凝土退出工作 主拉应力由型钢来承担 当接近极限荷载时 型钢发生剪切屈服 与斜裂缝相交的箍筋也屈服 剪压区的混凝土达到弯剪复合应力作用下的强度被压碎而宣告破坏 见图 b 3 剪切粘结破坏当配箍较少且剪跨比较大时的情况下 发生剪切粘结破坏 型钢与混凝土的粘结力要比钢筋与混凝土的粘结力差的多 因此 在剪跨比较大情况下 当荷载加到一定值时 型钢上 下翼缘附近产生劈裂裂缝 并沿型钢翼缘水平方向发展 最终导致混凝土保护层剥落 型钢混凝土梁宣告破坏 见图 c 影响型钢混凝土梁斜截面承载力的主要因素有 剪跨比 型钢腹板的含钢率及型钢强度 配箍率及箍筋强度 型钢翼缘宽度与梁宽度之比以及混凝土的强度等级 除此之外还有加载方式 型钢混凝土保护层厚度等 1 剪跨比当 梁发生斜压破坏 规程一般是通过控制型钢混凝土梁的截面尺寸来防止 6 4 2影响型钢混凝土梁斜截面承载力的主要因素 2 型钢腹板的含钢率及型钢的强度型钢腹板的含钢率 由图可看出 型钢腹板的含钢率不同 梁的拉剪强度不同 在一定范围内随着含钢率的增加 型钢混凝土梁的抗剪能力提高 当然 型钢的强度高 型钢混凝土梁的抗剪能力也高 3 混凝土强度等级一般地说 随着混凝土强度等级的提高 型钢混凝土梁的斜截面抗剪能力提高 4 配箍率及配箍强度5 型钢翼缘宽度与梁宽度的比值 宽度比 1 型钢混凝土梁斜截面抗剪能力计算方法一对于配置充满型 实腹式型钢混凝土梁 其斜截面受剪承载力计算 其行业标准JGJ138 2001 型钢混凝土组合结构技术规程 给出了如下计算方法 1 承载力计算方法 式中 钢筋混凝土的收件承载力 型钢部分的受剪承载力 斜截面抗剪承载力计算 钢筋混凝土部分由混凝土的受剪承载力与箍筋的受剪承载两部分组成 其中 型钢混凝土梁的混凝土抗剪强度系数 箍筋抗力系数 取1 0 2 型钢部分的受剪承载力 假定腹板全截面处于纯剪 在均布荷载作用下 型钢混凝土两抗剪达到极限状态时 型钢腹板的应力 基本上可取型钢纯剪状态时的剪切屈服强度则在集中荷载作用下 型钢的抗剪能力随着剪跨比的增加而降低 其腹板的抗剪强度为 3 承载力计算公式均布荷载作用下 集中荷载作用下 4 计算公式及适用条件 剪压破坏时为了使型钢和箍筋先达到屈服由于型钢混凝土的粘结作用极易丧失而导致剪切粘结破坏 因此设计中为了避免型钢含量过小 还应满足 型钢混凝土梁的裂缝验算 型钢混凝土梁的裂缝开展机理 基本上与钢筋混凝土梁类似 但同时要考虑纵向受拉钢筋 型钢受拉翼缘和型钢部分腹板对受拉区混凝土开裂的影响 试验表明 一般型钢混凝土梁当荷载加到极限荷载的15 20 时 首先在纯弯段 当然此段弯矩最大 出现裂缝 当荷载加到极限荷载50 左右时 裂缝基本稳定 受拉钢筋应变是影响梁裂缝宽度的主要因素 裂缝宽度的限值应以受拉钢筋高度的裂缝宽度为准 型钢混凝土梁最大裂缝宽度限值 应按荷载标准组合并考虑荷载长期作用影响 使其不超过表中规定的限值 行业标准 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001 最大裂缝宽度计算方法 型钢混凝土梁的刚度与变形计算 试验表明 影响型钢混凝土梁刚度和变形的主要有型钢腹板 含钢率 梁的截面尺寸 混凝土及钢的强度等级 纵向钢筋的数量 荷载作用时间等 其中主要的因素是型钢腹板和梁的含钢率 正常使用极限状态时型钢混凝土梁的抗弯刚度为 型钢混凝土梁中钢筋混凝土部分的抗弯刚度 型钢混凝土梁中型钢部分的抗弯刚度 在长期荷载作用下 由于受压区混凝土的徐变 钢筋与混凝土之间的滑移徐变及混凝土收缩的影响使梁的抗弯刚度下降 型钢混凝土梁长期刚度按下式计算 按荷载效应标准组合计算的弯矩值 按荷载效应准永久组合计算的弯矩值 考虑荷载长期作用对挠度的增大系数 2 型钢混凝土梁的变形计算在正常使用极限状态下 型钢混凝土梁的挠