钢骨混凝土(本科) PPT课件

1 组合结构CompositeStructure 本科教程 教学多媒体课件系列 组合结构 版权所有 2006 2华南理工大学土木工程系 华南理工大学土木工程系杨春2007年3月 2 第三部分型钢混凝土结构 3 内容提要 一 型钢混凝土结构概述二 型钢混凝土梁三 型钢混凝土柱四 型钢混凝土框架梁柱节点构造五 型钢混凝土在高层建筑中的应用六 国内型钢混凝土高层建筑工程实例 4 一 型钢混凝土结构概述 1 型钢混凝土的基本概念及应用历史2 型钢混凝土的基本优缺点3 型钢砼构件的计算基本原则 5 1 型钢混凝土的基本概念及应用历史 型钢混凝土定义在型钢周围配置钢筋并浇筑混凝土后 使型钢部分与钢筋混凝土部分成为一体 这种组合构件称之为型钢混凝土构件 又称SRC构件 采用型钢混凝土构件的结构成为钢骨混凝土结构 早期的型钢混凝土外包混凝土主要是作为钢构件的保护层 6 型钢混凝土构件分类型钢混凝土构件根据采用的部位主要分为梁 柱及剪力墙三种 梁 柱截面形状如图所示 7 型钢混凝土构件根据型钢分为实腹式和空腹式两种 截面形状如图所示 格构式型钢混凝土结构受力性能较实腹式型钢混凝土差 8 9 10 2 型钢混凝土的基本特点 与钢筋混凝土结构相比有以下显著特点 变形能力强 抗震性能好在截面尺寸相同条件下 可合理配置较多钢材可以节省模板及支撑 加快施工速度 实现立体施工及逆作法或半逆做法施工新工艺浇筑混凝土比较困难钢材用量较大 建设费用较高 11 与钢结构相比有以下显著特点 混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能 耐火性及耐久性均比钢结构优越结构刚度大 外力作用下变形小 在风荷载和地震作用下 结构的水平位移较易控制混凝土有利于提高型钢的整体稳定和局部稳定体施工及逆作法或半逆做法施工新工艺结构自重较大 施工复杂程度较高 12 型钢与外包混凝土之间共同工作效果试验研究表明 当二者之间不设剪力连接件时 在外荷载作用下 当P Pu 0 8以前混凝土与型钢之间能保持变形协调 不会产生相对滑移 之后二者之间出现相对滑移 混凝土沿型钢产生劈裂裂缝 设有剪力连接件时基本不出现相对滑移 虽然后期有变形不协调情况出现 由于型钢混凝土梁的延性很好 对塑性承载力影响不大 3 型钢砼构件的计算基本原则 13 型钢混凝土结构现有的计算理论目前 国际上主要有三种类型 英国及欧洲规范的计算理论基于钢结构的计算方法 考虑混凝土的加强作用 在试验的基础上对试验曲线进行修正 美国的ACI规范以及前苏联的计算理论则是基于钢筋混凝土结构的计算方法 认为钢骨与混凝土是完全共同工作的 而试验表明在少数情况下这种计算方法是偏于不安全的 日本的计算理论则是建立在叠加理论基础上的 不考虑钢骨与混凝土的共同工作 认为钢骨混凝土结构的承载能力是型钢和钢筋混凝土两者承载能力的叠加 这种计算方法相对简单但偏于保守 14 型钢混凝土结构相关的设计规范美国混凝土协会制订的ACI 318规范中列入了钢骨混凝土结构设计部分 前苏联电力建设部1951年出版了 劲性钢筋混凝土设计规范 1978年又出版了 劲性钢筋混凝土结构设计指南 欧洲钢结构协会 ECCS 和欧洲经济共同体 EEC 建筑与土木工程部都制订了与钢骨混凝土结构相关的规程及说明 日本建筑学会1958年颁发了 钢骨混凝土结构计算标准 并在随后的实践中进一步研究 改进 先后作了五次修订 我国1997年由冶金工业部颁布了 钢骨混凝土结构设计规程 YB9082 97 2002年最近中华人民共和国建设部又颁布了 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ128 2001 这些规范和标准都对钢骨混凝土结构的推广和应用起着重要的意义 15 4 型钢砼构件的一般构造要求 1 含钢率 型钢截面面积与杆件全截面面积的比值 最小3 最大15 日本13 3 美国20 欧洲13 3 C20 35 3 C60 合适的含钢率5 8 钢材Q235 Q345 16 2 型钢的板件宽厚比厚度不宜小于6mm 宽厚比不应大于下表限值 满足上述条件可验算型钢局部稳定 17 18 3 焊缝连接按照钢结构设计规范及焊接规程要求 19 4 型钢保护层厚度保护层厚度根据以下因素确定 耐火性 耐久性 确保型钢与混凝土的粘结强度充分发挥 防止型钢板件发生局部屈曲 方便混凝土的浇筑 20 21 5 纵向钢筋直径间距 22 6 箍筋箍筋作用 增强抗剪承载力 防止构件脆性剪切破坏 约束混凝土 确保共同工作 避免粘结剪切破坏 23 6 混凝土混凝土强度粗骨料粒径 24 二 型钢混凝土梁 1 型钢混凝土梁的受弯性能2 型钢混凝土梁的受剪性能3 型钢混凝土梁的构造要求 25 1 型钢混凝土梁的受弯性能 型钢混凝土梁的受弯破坏形态型钢混凝土梁的弯曲破坏基本呈现型钢受拉区域全部或部分屈服 变形加大 受压区混凝土压碎破坏形态 根据中和轴的位置 型钢混凝土受力情况分为以下三种情况 26 第一种情况 中和轴通过型钢腹板 破坏时型钢下翼缘受拉屈服 上翼缘受压屈服或接近屈服极限 型钢腹板部分屈服 部分处于弹性工作状态 27 第二种情况 中和轴通过型钢上翼缘 型钢上翼缘应力接近为零 破坏时型钢下翼缘受拉屈服 腹板部分受拉屈服 部分处于弹性工作状态 28 第三种情况 中和轴在型钢上翼缘以上 型钢全截面受拉 破坏时型钢可能全截面受拉屈服或部分屈服 29 受弯承载力计算方法基本假定 1 截面的应变保持平面状态 2 不考虑混凝土的抗拉强度 3 受压区混凝土的应力图形简化为等效的矩形 其高度x 0 8xp 混凝土的极限压应变 cu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 30 4 钢筋和型钢的应力由应变与弹性模量计算 但小于其强度设计值 型钢的理论应力分布为双矩形应力分布 31 5 双矩形应力值取钢材的受拉和受压强度设计值 考虑理论应力分布与实际应力分布的差别 平截面假定和钢材应力全塑性假定引起的误差以及混凝土与型钢之间的相对滑移等因素影响 钢材的强度设计值乘以0 9的折减系数 6 考虑外包混凝土的约束作用 不考虑型钢的屈曲 32 7 型钢混凝土组合结构构件刚度计算按下列公式计算 33 型钢混凝土相对界限受压区高度计算公式 34 受弯承载力计算方法 1 行业标准JGJ138 2001 型钢混凝土组合结构技术规程 采用的套用钢筋混凝土梁受弯承载力计算方法 2 行业标准YB9082 97 钢骨混凝土结构设计规程 采用的 强度叠加法 理论性不强 不介绍 35 充满型型钢混凝土框架梁正截面受弯承载力计算 36 受压区高度x应符合下列条件 37 弯矩平衡式 非抗震设计 抗震设计 38 水平力平衡式 39 2 型钢混凝土梁的受剪性能 型钢混凝土梁的受剪破坏形态 采用实腹式钢骨的钢骨混凝土梁 其剪切破坏形态 主要有以下三种类型 剪跨比 是 受剪跨高比 的简称 是指梁上集中荷载作用点到梁支座的距离 受剪区段长度 与梁截面高度的比值 即 40 1 斜压破坏多发生于 剪跨比 1 0 剪跨比 1 0 1 5且梁的含钢率 型钢 较大时 防止斜压破坏是靠截面控制条件来保证 如图a 41 2 弯剪破坏多发生于剪跨比 1 5且含钢率较小的情况 防止弯剪破坏是通过受剪承载力验算来保证 如图b 42 3 剪切粘结破坏箍筋较少且剪跨比较大时 钢骨上 下翼缘附近易产生劈裂裂缝 并沿钢骨翼缘水平方向发展 最终导致混凝土保护层剥落 减小箍筋的间距和肢距 可有效的防止梁的剪切粘结型破坏 如图c 43 影响型钢混凝土梁抗剪能力的因素 1 剪跨比 当剪跨比较小 1 1 5 时 一般产生剪切斜压破坏 当剪跨比 1 5 2 5时 一般产生剪切粘结破坏 当剪跨比较大 2 5 3 0 时 一般产生弯剪破坏 44 2 加载方式根据试验证明 在均布荷载作用下型钢混凝土梁的抗剪能力比集中荷载作用下型钢混凝土梁的抗剪能力有所提高 45 3 混凝土强度型钢混凝土梁中混凝土的抗剪能力Vc随着混凝土强度等级而提高 46 4 含钢率和型钢强度含钢率较大 型钢承担的剪力大 同时在含钢率较大的梁中 被约束的混凝土也较多 因此对提高混凝土的强度及变形能力 延性 都有利 47 5 宽度比型钢翼缘的宽度bf与梁宽b之比 对型钢混凝土梁的破坏形态及抗剪强度均有一定的影响 48 6 型钢翼缘的保护层型钢混凝土梁的上下边缘附近的应力及变形均较大 因此该处易丧失粘结力而产生较大的滑移 有时产生粘结劈裂裂缝而导致构件破坏 最小保护层厚度 配置箍筋 空腹式型钢混凝土梁 49 7 配箍率箍筋本身的抗剪作用 约束混凝土的作用 防止粘结破坏的作用 50 受剪承载力计算方法1 将钢骨腹板作为连续分布箍筋 采用钢筋混凝土结构的计算方法 这种方法只有在钢骨含量较少时才符合实际情况 偏于不安全 2 剪力分配法 不考虑钢骨与混凝土之间的粘结强度 认为在剪力作用下各自独立工作 分别计算各自承担的剪力后 再按钢结构和混凝土结构抗剪方法计算其承载力 这种方法在理论上较合理 但计算较为复杂 而且难以准确分配钢骨和混凝土各自所承担的剪力 3 叠加方法 将钢骨和混凝土两部分抗剪承载力之和作为钢骨混凝土梁的抗剪承载力 计算简单且结果安全可靠 我国两个规程均采用这种方法 51 型钢混凝土框架梁的受剪截面应符合下列条件 非抗震设计 抗震设计 52 充满型型钢混凝土框架梁斜截面受剪承载力计算 1 均布荷载作用下 非抗震设计 抗震设计 53 充满型型钢混凝土框架梁斜截面受剪承载力计算 2 集中荷载作用下 非抗震设计 抗震设计 54 3 型钢混凝土梁的构造要求 1 截面尺寸一般不宜小于300mmh b不宜大于4 L h不宜小于4 2 钢骨 型钢 钢骨宜采用对称截面 充满型 宽翼缘实腹截面很高的梁钢骨可采用型钢桁架 55 3 纵向钢筋纵向受拉钢筋配筋率宜大于0 3 4 箍筋沿梁全长的箍筋面积配筋率不应小于下表梁端箍筋应加密 当L h 5时全长加密 56 57 5 梁腹开孔梁腹部开孔优先采用圆孔 孔洞宜位于梁腹中部 且宜设置在梁剪力较小的区段 孔洞中心距宜大于孔洞平均直径的三倍 58 59 60 61 62 63 三 型钢混凝土柱 1 轴心受压型钢混凝土柱2 偏心受压型钢混凝土柱3 型钢混凝土柱的构造要求 64 1 轴心受压型钢混凝土柱 轴心受压型钢混凝土柱的受力特性及计算P91 92 65 2 偏心受压型钢混凝土柱 偏心受压型钢混凝土短柱的受力特性偏心受压短柱的强度取决于压区混凝土的特性 型钢腹板的应力和型钢与混凝土的变形协调 破坏以受压区混凝土的破坏为主 根据型钢的应力情况分为 小偏心受压破坏和大偏心受压破坏 66 偏心受压型钢混凝土长柱的受力特性对偏心受压长柱的受力特性影响较大的因素是长细比 偏心距 破坏以受压区混凝土被压碎及型钢受压翼缘屈服为破坏标志 大偏心构件的拉区 或小偏心受压构件的受压较小边 的应力状态 主要取决于长细比和偏心距 67 偏心受压型钢混凝土柱的正截面承载力计算基本假定 1 平截面假定 2 不考虑混凝土受拉 3 压区混凝土应力用矩形等效曲线应力分布 4 混凝土极限应变取为0 003 5 型钢应力 大偏心和小偏心 6 偏心距进行修正 68 偏心受压型钢混凝土柱的斜截面受剪 型钢混凝土柱的受剪破坏形式主要有 1 剪切斜压破坏短柱或剪跨比较小 2 5 69 型钢混凝土柱的受剪性能影响因素主要有 1 剪跨比 2 轴力 70 型钢混凝土柱的受剪承载力计算 式中 Vc 混凝土抗剪承载力Vsv 箍筋的抗剪承载力Vsw 型钢的抗剪承载力Vn 轴力对抗剪承载力的提高部分 71 充满型型钢混凝土框架柱斜截面受剪承载力计算 非抗震设计 抗震设计 72 3 型钢混凝土柱的构造要求 1 截面尺寸长细比不宜大于30宜采用正方形截面 2 轴压比轴压比限值 73 74 3 钢骨根据柱所处的位置采用不同的型钢截面含钢率不宜小于4 也不宜大于10 合适的含钢率5 8 4 纵筋柱一侧的纵筋配筋率 二级钢不小于0 28 C65 三级钢不小于0 24 C65 75 柱纵筋总配筋率不宜小于1 C60 但不应大于3 4 箍筋箍筋最小配筋率及箍筋直径 间距应符合下表 76 77 78 79 四 型钢混凝土框架梁柱节点构造 1 节点类型型钢混凝土框架的梁 柱节点 可分为以下三种类型 1 钢梁与型钢混凝土柱的连接 2 型钢混凝土梁与型钢混凝土柱的连接 3 钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱的连接 80 2 基本要求 1 型钢混凝土柱与各类梁的连接 均宜采用柱钢骨贯通型 柱内型钢芯柱截面形状的选择 应方便梁纵向钢筋贯穿节点区 避免梁纵筋穿过柱内型钢芯柱的翼缘 并尽可能减少梁纵筋穿过型钢腹板的数量 柱型钢腹板因开孔的截面损失率不宜大于25 超过时 应采取补强措施 81 2 梁内型钢与柱内型钢在节点内应采用刚性连接 82 3 节点处 柱的型钢芯柱应在对应于梁钢骨 或钢梁 上下翼缘位置或钢筋混凝土梁截面上 下边缘位置处设置水平加劲肋 加劲肋厚度应与梁端型钢翼缘相等 且不小于12mm 83 84 4 柱内型钢腹板上预留的钢筋贯穿孔的孔径 应比钢筋直径大4 6mm 为纵梁 横梁钢筋预留的孔洞在高度上应相互错开 85 5 四边有梁约束的型钢混凝土框架节点 其受剪承载力和变形能力均优于钢筋混凝土框架节点 因此 节点体积配箍率最低限值可相应减小 6 任何情况下节点内箍筋间距不应大于柱端加密区箍筋间距的1 5倍 86 3 型钢混凝土梁 型钢混凝土柱节点1 梁纵筋与平行方向型钢翼缘的净距S不应小于30mm 且不小于粗骨料最大粒径的1 5倍 87 2 梁 柱钢骨的连接方式两种1 工地焊接 88 2 工地栓接 89 3 钢梁腹板上的螺栓孔与柱箍筋穿过孔不要过于靠近 以免产生钢梁腹板撕裂现象 90 4 柱的钢骨为十字形截面时 梁内型钢与柱内型钢的连接有以下四种方式 1 水平加劲肋2 三角形水平加劲肋 91 3 竖向加劲肋4 梁翼缘贯通式 92 5 柱内钢骨采用方形或圆形钢管时 梁内型钢与柱内型钢的连接可采取下面四种方式之一 1 外隔板2 内隔板 93 3 加劲环4 贯通式隔板 94 4 钢筋混凝土梁 型钢混凝土柱节点1 梁筋贯通 2 梁筋与短钢梁搭接 95 3 梁筋焊于钢牛腿 96 5 节点两侧分别为钢筋混凝土梁和型钢混凝土梁1 构造要求 97 五 钢骨混凝土在高层建筑中的应用 钢骨混凝土在高层建筑中的用途国内外建筑中 对梁 柱 墙完全采用钢骨混凝土的工程实例很少 而是根据钢骨混凝土的优点并结合工程条件与钢构件及钢筋混凝土构件进行组合应用 其主要用于 钢结构的过渡层 外筒结构的柱子 结构转换层部分的框支柱和梁及转换大梁 结构周边巨型大柱等结构特殊位置 98 钢骨混凝土高层建筑中常用的结构体系1 组合式框架 混凝土内筒 或剪力墙 体系2 组合式框架 钢骨混凝土内筒体系3 组合式外筒体系 99 A 组合式框架 混凝土内筒 或剪力墙 体系该体系的构件组成中 框架柱采用钢骨混凝土柱 梁多采用钢梁 方便与楼面压型钢板连接 内筒 或剪力墙 采用钢筋混凝土 该体系的钢筋混凝土内筒 或剪力墙 仍是主要的抗侧力结构 外框架与内筒之间的钢梁 两端可为铰接 也可一端与钢骨混凝土柱刚接 另一端与混凝土内筒铰接 组合式框架 混凝土内筒体系的楼面结构 在外框架与内筒之间宜采用钢梁上铺设压型钢板 上面浇混凝土的楼面板 混凝土内筒里侧可以采用普通钢筋混凝土楼板 组合式框架 混凝土剪力墙体系的楼面结构 宜均采用钢梁上铺设压型钢板 上面浇混凝土的楼面板 该体系同样需要按 钢砼高规 进行框架所受剪力调整 100 钢骨混凝土柱常用的截面形式如下所示 P235 101 钢骨混凝土柱与钢梁常用的连接方式 P235 102 B 组合式框架 钢骨混凝土内筒 或剪力墙 体系该体系的构件组成基本同上述体系相同 只是将钢筋混凝土内筒改为钢骨混凝土内筒 组合式框架柱仍采用钢骨混凝土柱 框架梁采用钢梁 方便与楼面压型钢板连接 该体系的钢筋混凝土内筒的墙肢内设置钢暗柱和钢连梁 钢暗柱可置于混凝土内筒的周边主墙肢的角部 以及纵横墙肢的相交部位 在暗柱之间设置钢连梁 如遇门窗洞则该钢连梁成为局部明连梁 否则为暗连梁 他们之间的连接可以是鉸接或刚接 钢连梁伸入混凝土墙肢内的部分 上下翼缘处设置抗剪连接件以承担钢连梁端弯矩产生的水平剪力 这些措施可以提高内筒剪力墙的延性 该体系的楼面结构均宜采用钢梁上铺设压型钢板 上面浇混凝土的楼面板 这一体系在必要时也可设置伸臂桁架及腰桁架和帽桁架 以适应结构的侧向刚度需要 103 组合式框架 钢骨混凝土内筒 或剪力墙 体系的特点该体系的受力特性 与一般框架 内筒体系基本相同 均属二道防线结构 内筒为主要的抗侧力结构 框架部分仍需要按 钢砼高规 进行框架所受剪力调整 主要特点如下 1 结构体系的延性好 2 外框架与内筒之间的变形协调优 3 施工速度可达到钢结构的程度快 4 施工安装误差要求严格 104 工程实例之一 美国休斯顿第一城市大厦该建筑建于1984年 房高为207米 建筑平面如图所示 该建筑属钢骨混凝土结构 结构体系为组合式框架 钢骨混凝土内筒体系 外框架的柱子和内筒为钢骨混凝土构件 框架梁 楼面梁以及内筒墙肢间的连梁为钢梁 钢骨混凝土柱的钢骨和钢暗柱均采用热轧H型钢 105 106 浦东国际金融大厦 107 C 组合式外筒体系该体系是由外筒承担全部水平荷载的体系 内筒仅承担竖向荷载 外筒的梁柱均为刚接 框架柱采用钢骨混凝土 框架梁采用钢梁 为减小剪力滞后效应 宜采用较小柱距和高截面裙梁 构成密柱深梁型外筒 该体系的内筒多是由钢梁和钢柱鉸接形成 该体系的楼面结构均宜采用钢梁上铺设压型钢板 上面浇混凝土的楼面板 这一体系在必要时也可设置腰桁架和帽桁架 以减少剪力滞后效应 108 工程实例之一 美国休斯顿美洲大厦该大厦是一幢42层的办公楼 建筑高度188米 建筑平面如图所示 该大厦的结构体系是一钢骨混凝土密柱距外筒体系 内筒仅承担竖向荷载 109 六 国内钢骨混凝土高层建筑工程实例 北京长富宫中心该建筑为地下2层和地上25层的五星级宾馆建筑 总高91米 建于1987年 该建筑采用全钢结构框架结构形式 但在2层以下及地下室采用钢骨砼结构作为过渡层 钢骨砼梁截面为500 x950及500 x1100 相应钢骨为高度650及850的工字形截面 钢骨砼柱截面为1200 x1200及850 x850 其钢骨截面为450 x450的箱形截面 p102 110 北京长富宫中心 111 北京京广中心大厦该建筑为地下3层和地上52层的多功能大厦 总高196米 该建筑为全钢结构框架 支撑结构体系 梁柱刚接 竖向支撑为带竖缝的预制墙板 部分为人字形钢支撑 均布于核心筒柱间 1层以上钢柱均采用850 x850 600 x600的箱形截面柱 1层以下采用850 x850截面钢骨砼柱形作为过渡层 钢骨截面为十字 最大钢板厚度为80mm p116 112 北京京城大厦该建筑为地下4层和地上48层的办公住宅楼 总高173米 该建筑为全钢结构带伸臂桁架的框架 支撑结构体系 主要抗侧力结构是带竖向支撑的支撑框架 竖向支撑是内藏人字形钢板支撑的预制墙板 3层以下采用钢支撑 1层以上钢柱均采用箱形截面柱 最大截面750 x750 厚度70mm 1层以下采用钢骨砼柱形作为过渡层 钢骨截面为十字 p139 113 北京中国国际贸易中心 一期工程 该建筑为地下2层和地上39层的办公楼 总高154米 该建筑为全钢结构筒中筒结构体系 并在内筒四角设置竖向支撑 3层以上柱采用热轧宽翼缘H型钢 3层以下钢骨混凝土结构 竖向支撑采用2L75x75x9中心支撑 159 114 北京中国国际贸易中心 二期塔楼工程 该建筑为地下3层和地上39层的办公楼 总高156米 该建筑为钢 混凝土结构 采用钢框架 混凝土内筒体系 外钢框架在1 4层 采用钢骨混凝土柱 柱距9m 192 115 北京冠城园A座该建筑为地下2层和地上36层的综合性办公楼 总高140米 该建筑为钢 混凝土结构 采用巨柱框架 混凝土内筒体系 在外框架中共设8根钢骨混凝土巨型柱 1200 x2400 和8根箱形截面钢柱 并分别在21层和35层设置水平加强层 伸臂桁架 使外框架与内筒共同工作 增加结构刚度 减小侧向水平位移 外框架梁柱刚接 外框架与内筒间梁柱鉸接 p223 116 北京香格里拉饭店 117 上海国际贸易中心大厦该建筑为地下2层和地上35层的办公楼 总高130米 该建筑为全钢结构 采用筒中筒体系 内 外筒的柱距均为3 2m 地下室部分采用钢骨混凝土结构作为过渡层 p223 118 119 120 上海瑞金大厦该建筑为地下1层和地上27层的综合楼 总高100米 该建筑采用钢 混凝土结构 结构体系为钢框架 混凝土内筒体系 1 10层框架部分的梁 柱采用钢骨混凝土 地下部分采用钢筋混凝土 凸字形内筒的墙肢端柱采用钢骨混凝土 以利与钢