钢与混凝土组合结构_部分1（共计354页） .pptx

钢与混凝土组合结构 薛建阳教授 1 赵鸿铁著 钢与混凝土组合结构 科学出版社 北京 20012 聂建国等 钢 混凝土组合结构 中国建筑工业出版社 北京 20053 薛建阳主编 钢与混凝土组合结构 华中科技大学出版社 武汉 20074 johnsonrp compositestructuresofsteelandconcrete oxford blackwellscientificpublications 1995 参考书目 教材赵鸿铁主编 组合结构设计原理 高等教育出版社 北京 2005 第一章 绪论 国内外组合结构研究与应用的发展与现状第二章钢与混凝土的连接与组合第三章压型钢板与混凝土组合板第四章钢与混凝土组合梁第五章型钢混凝土结构第六章钢管混凝土柱第七章混合结构设计概论 第一章 绪论 1 1组合结构的类型及特点两种不同性质的材料组合成整体共同工作的构件称为组合构件 由组合构件可组成组合结构 50多年来组合结构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 已扩展成为五大结构 钢与混凝土组合结构依照钢材形式与配钢方式不同又有多种类型 并且一些新的结构形式仍在不断出现 目前研究较为成熟与应用较多的主要有下列各种钢与混凝土组合结构 1 压型钢板与混凝土组合板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制成的组合板 依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起 在与混凝土共同工作性能较差的压型钢板上可焊接附加钢筋或栓钉 以保证钢材与混凝土的完全组合作用 特点 利用混凝土造价低 抗压强度高 刚度大等特点作为板的受压区 而受拉性能好的钢材放在受拉区 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 其突出的优点还在于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 压型钢板与混凝土组合板的形式 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 钢梁形式有工字钢 槽钢或箱形钢梁 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 整体共同作用形成组合t形梁 特点 使混凝土受压 钢梁主要是受拉与受剪 受力合理强度与刚度显著提高 充分利用了混凝土的有利作用 并且由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起 很大程度上比避免了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳的弱点 带板托的组合梁 无板托的组合梁 组合梁的形式 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制型钢 特点 在混凝土中配置的是型钢 这些型钢可以是轧制的也可以是焊接的 一般在大型建筑中经常配置焊接型钢 可以根据构件截面大小 受力特点 考虑到受力的合理性 灵活的选择焊接型钢各个板件宽度与厚度 型钢混凝土结构不仅强度 刚度明显增加 而且延性获得很大的提高 从而成为一种抗震性能很好的结构 所有尤其适用于地震区 比起钢结构建筑 采用型钢混凝土结构节省了大量钢材 降低了造价 而且避免了钢结构建筑防锈 防腐蚀 防火性能差 需要经常性维护等弱点 型钢混凝土构件截面形式 4 钢管混凝土柱钢管混凝土柱可分为 圆 钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱 一般在钢管中浇注混凝土 并不另配钢筋 1 圆钢管混凝土柱的特点 利用钢管约束混凝土 将混凝土由单向受压转变为三向受压 钢管混凝土结构充分发挥混凝土和钢材各自的优点 避免了钢材特别是薄壁钢材容易失稳的缺点 所以受力合理 大大节省材料由于其是圆形截面 而且断面高度较小 所以在受弯矩作用时显然并无优越可言 而且是不利的 因此常常将其作为高层建筑中的下面数层的柱是最合适的 圆钢管混凝土结构的最大弱点是圆形截面的柱与矩形截面的梁连接比较复杂 是推广圆钢管混凝土结构的一大障碍 圆钢管混凝土 方钢管混凝土 矩形钢管混凝土 钢管混凝土截面形式 2 方钢管混凝土柱的特点 克服了圆钢管混凝土柱的一些缺点 可以用作偏心受压柱 房屋的外观较好 连接面为平面 节点构造比较简单 方钢管构成封闭截面 自身刚度较大 由于钢材都分布于截面外边 抗弯承载力较高 钢板为连续配置 提高了对混凝土的约束作用 故构件的延性比钢筋混凝土结构明显提高 省去模板 方便施工 钢管混凝土节点形式 圆空夹层钢管混凝土截面形式 1 2组合结构的发展与应用由于组合结构的一系列优点 所以欧美国家及日本等国在20世纪初即开始应用 压型钢板混凝土组合楼板开始应用于欧美国家 组合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土的组合剪切计算 美国的porter和ekberg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的计算方法 使得组合板的设计计算理论推进一步 并逐步推广到世界其他国家 冶金部建筑研究总院在对大量国产压型钢板组合板实验研究的基础上 提出了我国自己的计算公式 我国从20世纪50年代开始 首先在桥梁结构中应用了组合梁 并进行过少量实验 组合梁的计算与应用中的一个关键问题是连接问题 美国 英国等首先用推出实验得出剪切连接件强度计算公式 并纳入英国规范cp110 我国的郑州工学院 哈尔滨建工学院 清华大学等先后开展了研究工作 钢结构设计规范 gbj17 88 首次将组合梁的设计方法纳入规范 关于型钢混凝土结构的计算理论 国际上主要有三种类型 欧美的计算理论基于钢结构的计算方法 考虑混凝土的作用 在实验基础上将实验曲线进行修正 突出反映在组合柱的计算上 前苏联关于型钢混凝土结构的计算理论是基于钢筋混凝土结构的计算方法 认为型钢与混凝土是完全共同作用的 因此实验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全 第三种类型是日本建立在叠加理论基础上的方法 认为型钢混凝土结构的承载能力是型钢与混凝土两者承载力的叠加 比较证明 日本的计算方法偏于安全 我国在型钢混凝土结构方面的研究与应用始于20世纪80年代初 西安建筑科技大学 冶金部建筑研究总院等科研单位最早对其进行研究 并于1989年提出了 型钢混凝土结构设计建议 1997年主要参考日本规程 原冶金部颁发了行业标准 钢骨混凝土结构设计规程 yb9082 97 2001年又根据我国的研究成果和和设计经验 由建设部颁布了 型钢混凝土组合结构技术规程 jgj138 2001 早在1879年英国就在铁路桥的建设中应用了钢管混凝土结构 随后 美国 法国 前苏联和日本等相继将钢管混凝土结构应用于房屋中 尤其是超高层结构 我国自20世纪60年代开始引入钢管混凝土柱 并广泛应用于工业厂房 高炉和锅炉支架 输 变 电塔架 公路和城市桥梁 以及高层建筑中 原中科院哈尔滨土建研究所 哈尔滨建工学院 中国建筑科学研究院等单位先后开展了较为系统的研究工作 我国至今尚无一部完整的关于组合结构设计的国家规范 但是近几十年 特别近20年来在大量学者的研究成果与应用基础上 各部制订了一些专项规程 这些规程的颁发 一方面推动了组合结构在我国的推广应用 另一方面也说明了目前工程界急切需要一部完整的统一的组合结构设计规范 可供设计遵循 这部规范应当主要建立在我国自己研究成果的基础上 比较成熟 完善 又适合我国国情的规范 它应该是我们工程界的研究 设计 施工人员及有关学者共同完成的一项有意义的任务 第二章钢与混凝土的连接与组合 2 1概述前已述所谓组合构件 组合结构 是两种或两种以上的材料组合在一起 共同工作的构件或结构 组合构件的关键是 组合 必须是组合在一起共同工作的构件才是组合构件 举一简单例子 若两个梁无结合叠合在一起 受力及变形情况如图2 1 根据材料力公式可得 最大正应力 最大剪应力 最大挠度 图2 1非组合梁 如果上下两梁完全组合在一起 按下图受力及变形 图2 2组合梁 按材料力学公式求得 梁上下纤维的最大正应力 跨中 梁的支座处最大剪应力最大挠度 跨中 完全组合的梁与两者简单叠合 未组合 的梁相比 正应力 由减小一半 剪应力 由两者相等 不过并非h 2处而是两梁交界面处 挠度 由减为1 4 大大减小 这是因为组合以后的惯性矩由原来的增大为 增大了4倍 另外 组合 还有另一种意义 如下图2 3所示两个刚度不同的梁简单叠合后受力 则由于刚度差 例如比大得多 因为是两种不同材料与不同截面高度的梁的叠合 图2 3组合梁中的 掀起力 若 则上梁ab的挠度比下梁cd少得多 使上下梁就产生分离 似乎有一种 掀起力 因此要达到完全组合 界面上发生共同变形不仅要克服界面上的纵向剪力 彼此纵向滑移 而且要克服掀起力 阻止两者上下分离 2 2连接方式组合构件中混凝土与钢连接应视构件的形式与受力性能采取不同的方式 对于不同的组合构件 对组合作用有不同要求 因而有不同形式 本章主要是讲用于组合梁中的剪切连接件 钢 混凝土组合板主要是靠压型钢板压制成凸凹的纵肋与槽口 槽纹起到混凝土与压型钢板的连接作用 压型钢板压成纵肋 不仅增强粘结作用 又大大提高了钢板的刚度 使其可以作为模板而不加支撑 或只设少量支撑 图2 4槽口槽纹的不同形式各种槽口槽纹的压型钢板型式见p35图3 1 1 p36图3 2 1 组合梁上的剪力件分两类 1 柔性剪力件一般为带头栓钉 如图2 5 2 刚性剪力件柔性剪力件 虽然能抵抗纵向剪力及掀起力 但是由于其刚度较小 在纵向剪力作用下 由于栓钉杆的变形 引起被连接两部件在界面上的滑移 对于一些需要严格控制滑移的构件 可采用刚性连接件 刚性连接件由方钢 丁字钢 槽钢或马蹄形钢来制作 为了有效抵抗掀起力 一般在其上焊接 u 形钢筋或带钩斜筋 如图2 6所示 图2 5带头栓钉 图剪切连接件 2 6 2 3剪切连接件的实验研究 连接件的强度与荷载 滑移关系和组合构件的设计密切相关 连接件的强度与荷载滑移曲线一般可用推出实验直接测得 标准试件的尺寸与型钢截面的要求见图2 7 图2 7推出试验的试件形式尺寸 剪力件的极限强度与混凝土强度 栓钉直径 栓钉材料的强度等因素有关 栓钉的直径而且影响到组合结构的破坏形态 直径大的栓钉 达到最大破坏荷载时可能是由于栓钉周围混凝土的破坏 而直径小的栓钉 一般是由于栓钉的剪切破坏 两种破坏形态的界限大致为直径16mm 19mm 并与混凝土强度有关 确定连接件强度的一种方法是至少做相同的10个试件 测得它们的极限荷载 然后取概率曲线上的0 05分位值作为连接件的极限荷载pu 剪力件的设计承载能力按下式计算 2 1 式中 为连接件材料的设计强度 为连接件材料的实际屈服应力 为连接件的剪切极限荷载 为连接件的抗剪设计承载能力 表2 1给出了几种规格的栓钉 在不同混凝土强度等级下的静力强度试验结果 表2 1带头栓钉静力强度实验结果 2 4剪切连接件的承载能力计算根据试验结果 并考虑满足可靠指标的要求 一个带头栓钉仅受纵向剪力的剪切承载能力可按下式计算当时 2 2 当时 2 3 当在3 0 4 2之间 可用线性插入法确定 h 栓钉全长 d 栓钉杆直径 栓钉杆截面积 混凝土轴心抗压强度 混凝土弹性模量 栓钉材料抗拉设计强度 表2 2给出了相应于常用混凝土强度等级 多种规格栓钉的抗剪承载力1 一无头栓钉剪力连接件的承载力如果栓钉的抗拔力得到可靠保证 亦可用无头栓钉 其承载力可按上述 2 2 2 3 式计算 并参考表2 2 2 承受拉力作用的带头栓钉连接件应验算抗拉锚固能力 2 4 为栓钉连接件的抗拉设计强度 c为系数 普通混凝土取3 0 轻混凝土取2 5 csp为与连接件间距有关的折减系数 2 5 为连接件间距 当纵向与横向间距均小于2h时 应进一步折减 并由试验确定 如带头栓钉同时受拉 剪复合作用 应考虑其不利组合 按下式验算 2 6 p为栓钉承受的实际剪力 为存在拉力情况下栓钉的剪切设计强度 t为栓钉承受的实际拉力 为存在剪力作用下的栓钉抗拉设计强度 如果考虑栓钉受拉后 栓钉所能承受的剪力p减小不超过10 则可以忽略拉力的影响 3 带头栓钉在交变荷载作用下的承载力 2 7 为在一定剪应力变化幅值范围内循环次数 为对应该剪力变化幅度 连接件的允许次数 4 用于连接压型钢板的带头栓钉 压型钢板肋与支承梁平行时 仍可按 2 2 2 3 计算 但当压型钢板肋宽与肋高之比小于1 5时 其剪切设计强度乘以计算折减系数 2 8 2 8 图2 8压型钢板与梁连接 当压型钢板的肋垂直于支撑梁 其设计剪切强度按 2 2 2 3 计算 并乘以折减系数 2 9 支承梁截面上 一个板肋的栓钉数 时 取3 即两列时 系数为0 60 一列时为0 85 3列时为0 49 如果剪力件既对梁又对板提供组合作用时 则剪力件上引起的剪力应按下式计算 2 10 p 剪力件上引起的总剪力 由于梁的组合作用引起的纵向剪力 由于板的组合作用引起的横向剪力 5 块式剪切连接件即刚性剪力件 块式剪力件承载力可以根据局部受压强度进行计算 2 11 受力方向的承压面积 周围混凝土的局部受压强度 局部受压计算面积 以相邻剪力件背面1 5斜率扩大了的面积 2 12 图2 9局部受压计算面积 图2 10块式连接件的计算 块式连接件与钢梁焊缝应根据作用于连接件重心的剪力pv所产生的剪力与弯矩进行设计 作用在焊缝上的剪力弯矩 2 14 2 13 6 承受剪力的斜筋连接件 2 15 为斜筋的截面面积7 斜筋与环筋锚固连接件 2 16 2 17 8 带有斜筋与环筋的块式连接件带有斜筋的块式连接件 其组合强度 2 18 带有环筋的块式连接件 2 19 9 槽钢连接件槽钢连接可按 1 20 计算 对于常用槽钢及混凝土强度 其设计承载力列于表2 3 2 20 表2 3一个槽钢连接件的设计承载能力 2 5剪切连接件的构造要求1 连接件的混凝土保护层不小于20mm 带头栓钉连接件栓钉头的下面或抗拔环筋的内面与板中下部筋的上表面至少应有30mm的净距 见图2 11 主要是为了防止腐蚀 及有效抵抗 掀起力 2 有板托的组合梁 连接件应满足 侧面保护层不小于40mm 混凝土板托的外边缘应当在自连接件根部所引的与翼缘成45 的斜线以外 见图2 12 图2 11栓钉与环筋的设置 3 纵向间距不大于600mm 且不大于板厚的4倍 连接件与翼缘边缘之间距离不小于20mm 图2 12栓钉剪力件在板托中位置 5 栓钉头直径不小于1 5d 头高不小于0 4d6 栓钉最小间距 剪力方向垂直剪力方向 横向 7 用于连接压型钢板与钢梁的栓钉 d 19mm 栓钉顶部至少应超过压型钢板顶面35mm 4 带头栓钉连接件 长径比h d不小于3 承拉翼缘的直径d 1 5t t 翼缘板厚 翼缘不受拉d 2 5t 3 1概述压型钢板与混凝土组合板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构 1 压型钢板按其在组合板中的作用可分为三类 以压型钢板作为板的主要承重构件 混凝土只是作为板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用 按钢结构规范进行施工阶段和使用阶段计算 压型钢板仅作为浇筑混凝土的永久性模板 并作为施工时的操作平台 考虑施工阶段荷载 按钢结构计算 使用阶段仅考虑混凝土 按按混凝土规范计算混凝土板 以上两类均属于非组合板 考虑组合作用的压型钢板混凝土组合板 施工阶段压型钢板作为模板及浇注混凝土的作业平台 使用阶段 压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉钢筋 在全部静载及活载作用下 考虑二者的组合作用 第三章压型钢板与混凝土组合板 本章主要讲第三类 即组合楼板 2 组合板优点1 压型钢板作为浇灌混凝土的模板 节省了大量木模板及其支撑 2 压型钢板工厂生产 运输 堆放方便 节省大量支模工作 并且改善了施工条件 3 在使用阶段 由于组合作用 可代替受拉钢筋 减少了钢筋的制作与安装工作 4 刚度大 自重轻 5 便于敷设通信 电力 采暖等管线 6 便于立体作业 加快施工进度 缩短工期 7 可直接做顶棚 8 减小了发生火灾的可能性 3 2压型钢板的型式及要求3 2 1压型钢板的形式 1 闭口形槽口的压型钢板 图3 1a 2 轧齿槽或开小孔的压型钢板 图3 1b 3 加焊钢筋的压型钢板 图3 1c 国内生产的压型钢板仅适用于直接作用于非组合板 如果用于组合板中 必须在板的翼缘上采取措施 以保证组合效应 图3 1压型钢板与混凝土的组合连接 图3 2国外生产的板型 图3 3国内产压型钢板主要板型 3 3压型钢板的截面特征3 3 1受压翼缘的有效计算宽度在与腹板交接处应力最大 距腹板愈远 应力愈小 呈曲线递减 实用上常把翼缘的应力分布简化成在有效宽度上的均布分布 计算公式按表3 3 2计算 可近似取 t为压型钢板板厚 3 3 2对压型钢板的要求压型钢板的厚度一般不应小于0 75mm 为便于浇灌混凝土 要求压型钢板的平均槽宽不小于50mm 当在槽内设置带头栓钉时 压型钢板的总高 包括刻痕在内不应大于80mm 压型钢板受压翼缘带有纵向加劲肋时 加劲肋的刚度须满足 边缘卷边加劲肋且 3 1 中间加劲肋且 3 2 3 4组合板的承载力计算3 3 1组合板的破坏模式 见图3 4 2 1 弯曲破坏 沿1 1 当组合板中含钢量适当时 破坏是从受拉区压型钢板及受拉钢筋开始 及受拉钢板及钢筋首先屈服 板的变形裂缝迅速发展 受压区不断减小 最后由于混凝土被压碎而告破坏 通常应以含钢率或x值控制 2 纵向水平剪切粘结破坏 沿2 2 主要由于混凝土与压型钢板的界面抗剪切滑移强度不够 使两界面成为组合板薄弱环节 破坏特征 首先在靠近支座附近的集中荷载处混凝土出现斜裂缝 混凝土与压型钢板开始发生垂直分离 随即压型钢板与混凝土丧失抗剪切粘结能力 产生较大的纵向滑移 3 斜截面的剪切破坏 沿3 3 这种破坏一般发生在当组合板的高跨比很大 荷载比较大 尤其是在集中荷载作用时 发生支座最大剪力处沿斜截面剪切破坏 图3 4组合板破坏模式 3 3 2组合板的承载力计算1 施工阶段的承载力计算施工阶段压型钢板作为模板 在混凝土达到设计强度前 仅压型钢板 不考虑混凝土的作用 作为施工时的操作平台 荷载 压型钢板的自重 湿混凝土的自重及施工时机具 人员等一切活荷载 3 3 3组合板的计算方法和原则 1 施工阶段压型钢板作为浇筑混凝土的模板 采用弹性方法计算 强边 顺肋 方向的正 负弯矩和挠度应按单向板计算 弱边 垂直肋 方向不计算 2 使用阶段 1 实用设计法当压型钢板顶面以上的混凝土厚度为50mm至100mm时 组合板强边 顺肋 方向的正弯矩和挠度 按承受全部荷载的简支单向板计算 强边方向负弯矩按固端板取值 不考虑弱边 垂直肋 方向的正 负弯矩 当压型钢板顶面以上的混凝土厚度大于100mm时 组合板的挠度应按强边方向的简支单向板计算 当时 应按双向板计算内力 当或时 应按单向板计算内力 其中 3 3 式中 组合板的各向异性系数 lx 组合板强边 顺肋 方向的跨度 ly 组合板弱边 垂直肋 方向的跨度 ix iy 分别为组合板强边和弱边方向的截面惯性矩 计算iy时只考虑压型钢板顶面以上的混凝土厚度hc 即 其中b为压型钢板的计算宽度 通常取波距值 2 双向组合板 周边支承条件当双向组合板的跨度大致相等 且相邻跨是连续时 板的周边可视为固定边 当组合板相邻跨度相差较大 或压型钢板以上的混凝土板不连续时 应将板的周边视为简支边 各向异性双向板对于各向异性双向板的弯矩 可将板形状按有效边长比加以修正后视作各向同性板的弯矩 强边方向的弯矩 取等于弱边方向跨度乘以系数后所得各向同性板在短边方向的弯矩 弱边方向的弯矩 取等于强边方向跨度乘以系数后所得各向同性板在长边方向的弯矩 图3 5组合板计算简图 四边支承双向板强边 顺肋 方向按组合板设计 弱边 垂直肋 方向 仅取压型钢板上翼缘以上的混凝土板进行设计 3 连续组合板对于连续组合板 当采用弹性方法进行内力分析时 若允许支座混凝土开裂 则可按考虑塑性内力重分布的计算方法 中间支座处的负弯矩可适当地进行调幅 支座负弯矩降低之后 跨中正弯矩亦相应地增加 即应满足静力平衡条件 施工活荷载一般按等效均布荷载 根据施工实际情况确定 但应不小于1 5kn m2 考虑到未和混凝土 组合 前 压型钢板刚度较小 变形较大 因此混凝土体积可能超过图纸所标的标准体积 因此将混凝土自重乘以1 1的系数 3 3 4组合板的承载能力计算按 钢结构设计规范 计算 压型钢板物理力学性能可参考表3 2 1 3 2 3和产品样本 公式 m fws 3 4 m 计算宽度上压型钢板的弯矩设计值 f 压型钢板抗弯强度设计值 ws 压型钢板的截面抵抗矩 取受压区或受拉区的截面抵抗矩中较小者 受压区 受拉区 3 5 3 6 is 单位宽度压型钢板对其形心轴的惯性矩 xc 压型钢板中和轴至受压边缘的距离 hs 压型钢板的总高度 2 使用阶段承载力的计算荷载 压型钢板及混凝土自重 面层及构造层 如保湿层 找平层 防水层 隔热层等 的重量 吊顶及管道的重量 设备及使用荷载 当组合板上作用有集中荷载或线荷载时 应当考虑荷载分布的有效宽度和组合板的有效宽度问题 如图3 5所示 图3 5集中荷载分布有效宽度 集中荷载的分布宽度 按沿荷载作用边缘沿45 线传递bf1 荷载分布有效宽度 bf 组合板上集中荷载或线荷载的实际作用宽度 hc 压型钢板顶面以上混凝土的厚度 hd 楼板饰面层厚度 组合板在集中荷载作用下的有效宽度按下式计算 1 抗弯承载能力计算简支板 连续板 2 剪切计算取 l为板跨 a为剪跨 取集中荷载作用点至较近支座间距离 3 8 3 9 3 10 3 7 1 正截面受弯承载力的计算基本同钢筋混凝土适筋梁 适筋破坏时 作如下假设 1 达到极限状态时 沿着截面高度混凝土受压区应力呈抛物线形分布 计算时可等效成矩形应力图形 等效矩形应力图形的应力值为fc 计算受压区高度为实际受压区高度的0 8倍 2 达到极限状态时 受拉区压型钢板及受拉钢筋的应力均能达到各自的强度设计值 3 忽略中和轴附近受拉混凝土的作用和压型钢板凹坑内混凝土的作用 4 对于完全剪切连接组合板 在混凝土与压型钢板的界面上滑移很小 混凝土与压型钢板始终保持共同工作 因此直至达到极限状态 板都符合平截面假定 两种情况 1 塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上的混凝土板内 即组合板截面的应力分布如图3 6所示 图3 6中和轴在混凝土板内时的计算应力图 根据内力平衡则组合板的承载能力 或 3 11 3 12 3 13 3 14 m 组合板的最大正弯矩截面的弯矩设计值 mu 为组合板抵抗正弯矩的承载能力 b 组合板的单位宽度 x 组合板的计算受压区高度 当时 取进行计算 ho 组合板的有效高度 f 压型钢板抗拉强度设计值 ap 组合板的计算宽度b内 压型钢板的截面面积 图3 7中和轴在压型钢板内时的计算应力图 2 塑性中和轴在压型钢板内 即 此时截面的应力分布见图3 7 根据截面的内力平衡条件 得ap2 塑性中和轴以上计算宽度内压型钢板的截面面积 yp1 压型钢板受拉区截面应力的合力作用点至受压区混凝土合力作用点的距离 yp2 压型钢板受拉区截面应力的合力作用点至压型钢板截面压应力合力作用点的距离 由式 3 15 得求得ap2后 就可确定x 参数yp1和yp2就随之确定 关于连续组合板为什么连续板中仍用压型钢板与混凝土组合板 3 15 3 16 3 17 1 保持结构的一致性与整体性2 连续板中最大负弯矩比简支梁中的最大弯矩还是小得多 连续板中间支座负弯矩区 应在板面配置负钢筋 压型钢板相当于受压钢筋 按双筋梁计算 此时 相当于受压钢筋为已知 图3 8组合板负弯矩截面承载能力计算图 压型钢板与相应的受拉钢筋as1所抵抗的弯矩为 3 18 或 3 19 若外荷载产生的弯矩则可求得若 则可求得相应于受压混凝土及承担的弯矩根据力矩平衡再由力的平衡联立求解可得x及受拉钢筋总面积抗弯承载能力应有 3 23 3 24 3 25 3 26 3 27 3 22 3 20 3 21 2 纵向水平剪切粘结计算 并应满足其中取0 002与两者中的较大值 集中荷载作用时 考虑到荷载有一定的分布宽度 此时应用有效宽度bef代替b m ap as亦应为与bef对应的值 3 28 图3 9 验算纵向剪切粘结面1 1 当达到弯曲承载能力极限状态时 压型钢板达到f 拉应力合力 根据力的平衡 在1 1面上的纵向水平剪力介绍两种计算方法 1 英 美及欧洲规范的公式组合板的纵向水平剪切承载力这是根据porter和ekberg所做455块组合板实验回归并考虑到可靠度指标的要求得出的 其中各单位均采用英制单位 为含钢率 b为组合板单位计算宽度 inch h0为组合板有效高度 inch s为剪力件间距 inch 若剪力件为凹凸槽纹且等距布置时取s 1 a为剪跨 如前述为集中荷载取集中荷载作用点至邻近支座的距离 若为均布荷载可取 a l 4若为复杂荷载可取 a m v 3 30 3 29 m k为系数 应根据不同形式的压型钢板通过试验回归确定 验算时应有2 我国原冶金部建筑研究总院根据试验的建议公式为剪切粘结系数 由试验确定 根据该院的建议a为剪跨 mm 取法同前 为平均槽宽 mm t为压型钢板厚度 mm h0为组合板有效高度 mm 同样验算时应有 3 32 3 斜截面剪切承载力计算由于一般组合板比较高 斜截面剪力一般不会成为其破坏时的控制条件 当板高跨比很大或荷载很大时 斜截面承载能力的验算不可忽略 组合板在均布荷载作用下的斜截面剪切承载力 3 33 3 31 ft为混凝土抗拉强度设计值 在集中荷载或集中荷载与均布荷载共同作用下 且集中荷载对支座或节点边缘截面所产生的剪力值占总剪力的75 以上的组合板斜截面承载力应按下式计算v为组合板在计算宽度b内的剪力设计值 3 34 4 局部荷载作用的冲切计算当集中荷载较大 荷载作用范围很大 组合板比较薄的情况下 有时发生冲切破坏 冲切破坏和钢筋混凝土板类似 是沿着荷载作用区周边45o斜锥面冲切破坏 见图3 10冲切承载力计算公式 3 35 fl 局部集中荷载设计值 ft 混凝土轴心抗拉强度设计值 hc 组合板混凝土层的厚度 ucr 临界截面的周长 即距离集中荷载作用面积周边处板垂直截面的周长 按下式计算 图3 10板冲切承载力计算 为了使局部荷载尽量发布在有效宽度范围内 应当在混凝土板中 在有效宽度bef范围内配置一定数量的横向分布钢筋 其截面积与不小于混凝土截面积的0 2 其中ac bc分别为集中荷载作用面的长和宽 3 36 3 5组合板的变形计算3 5 1施工阶段变形计算因为组合板施工阶段将压型钢板作为模板 并且是操作平台 因此其施工阶段的变形验算显得更为重要 荷载 仍按施工阶段承载能力验算 包括压型钢板及湿混凝土自重以及施工活荷载 包括机具 人员 材料等 考虑施工时压型钢板弯曲变形 混凝土自重乘以1 1 活荷载不小于1 5kn m2 但是变形计算均取标准值 施工阶段是验算压型钢板的变形 不允许塑性变形 故按弹性计算 3 37 ess 压型钢板的弹性模量 is 为计算宽度上压型钢板的惯性矩 q1k 施工阶段单位计算宽度压型钢板上的荷载标准值 l 挠度系数 根据弹性分析 简支板的挠度系数为5 384 两跨连续板的挠 度系数为1 185 要求施工阶段组合板的挠度不应超过l 200及20mm l为板的跨度 当此要求不满足 应采取加临时支撑等减小压型钢板变形的措施 3 5 2使用阶段的变形计算使用阶段混凝土已达到设计强度 能保证与压型钢板共同工作 按组合板考虑 应分别按荷载效应的标准组合和准永久组合进行计算 并取其中较大值作为变形验算的依据 两种方法 方法1 采用换算截面法 将压型钢板按钢材与混凝土弹性模量之比折算成混凝土 计算组合板的换算惯性矩 使用阶段一般允许出现裂缝 因此组合板的等效惯性矩可近似取未开裂截面与开裂截面惯性矩的平均值 即 3 38 未开裂截面的重心轴中惯性矩分别可近似按 3 39 3 40 计算 开裂截面的重心轴和惯性矩近似按 3 41 3 42 计算 其中近似将重心轴即视作中和轴 受拉区混凝土裂开 故混凝土只考虑受压区的作用 槽口处缺失的混凝土截面近似按whs考虑 而得出 3 41 3 42 3 39 3 40 3 41 3 42 荷载效应标准组合时 组合板的变形按下式计算 其中 q2k 荷载效应标准组合时 计算宽度组合板的荷载标准值 其它符号同前 荷载效应准永久组合下组合板的变形计算 考虑到混凝土的塑性变形与徐变影响 将刚度折半 故 荷载效应的准永久组合下 计算宽度上组合板的荷载代表值 0 5即为刚度折减50 按 3 43 3 44 式计算得到的挠度均应满足为组合板净跨 3 43 3 44 3 45 方法2 使用阶段荷载效应标准组合时的挠度按下式计算 3 46 荷载效应准永久组合时的挠度按下式计算 3 47 式中 按全截面有效计算的组合截面换算截面惯性矩 对荷载效应的标准组合 按下式计算 3 48 按全截面计算的组合板中和轴至截面受压区边缘的距离 按下式计算 3 49 混凝土截面形心轴至受压区边缘的距离 混凝土截面面积 组合板的有效高度 计算宽度上压型钢板截面面积 计算荷载效应准永久组合下截面中和轴至受压区边缘的距离以及换算截面惯性矩时 只需将公式 3 48 3 49 中的换为2即可 3 6组合板的振动控制组合板的自振频率不能过小 否则容易受外力干扰而发生较大振动 影响结构的安全性和正常使用 板的自振周期应满足 可按下列近似方法计算自振频率 3 50 3 51 由永久荷载产生的挠度 mm 3 7构造要求1 压型钢板的板厚不小于0 75mm 一般为0 75 2 5mm 2 组合板的全高不小于90mm 压型钢板顶面至组合板顶面的高度不小于50mm 3 简支组合板的跨高比不大于25 连续组合板的跨高比不大于35 4 连续板及悬臂板的负弯矩区应按计算配置负钢筋 总量不小于0 002bh0 5 在集中荷载或线性荷载作用下的组合板 应在有效宽度bef的范围内配置分布筋 其总面积不少于组合板截面的0 2 当板上开洞较大时 应在洞口周围附加钢筋 附加钢筋不少于被削弱部分的面积 6 为了防止混凝土收缩及温度影响 也为了分布荷载 混凝土内应配分布钢筋网 其设置满足混凝土结构设计规范的要求 7 沿墙的四周及角部 板伸入墙内 可按混凝土规范配置板顶面的附加钢筋 8 支承长度 组合板在钢梁的支承部分不应少于75mm 而压型钢板的支承长度不应少于50mm 见图3 11a b 支承于混凝土梁上组合板支承长度不小于100mm 压型钢板不小于75mm 见图3 11c d 9 栓钉的设置应符合如下要求 1 跨度小于3米的组合板 栓钉的直径应为13 16m 跨度3 6m的组合板栓钉的直径应为16 19mm 2 栓钉长度应满足其高出压型钢板顶面 35mm 且应设在支座处压型钢板的凹肋中穿透压型钢板焊牢在梁上 见图3 12 3 用光面开口压型钢板制作的组合板 可在压型钢板上翼缘上焊 150 300mm的横向钢筋 以加强组合粘结作用 焊缝长度不小于50mm见图3 13 10 裂缝的计算和要求仍同混凝土板 一类使用环境时不大于0 3mm 二 三类使用环境时不大于0 2mm 图3 11组合板的支承要求 图3 12组合板与支座连接栓钉 图3 13压型钢板端部的横向钢筋 第四章钢与混凝土组合梁 4 1概述组合梁即在钢梁上铺设混凝土板 可用于楼盖 屋盖 也可用于工业建筑中的操作平台 在桥梁工程的路面中同样有广泛应用 组合梁主要用于跨度大 荷载大 或者整体承重结构为钢结构的厂房 高层建筑或桥梁结构等 对于一般使用钢梁混凝土板的结构中 混凝土板只是作为楼面 屋面 平台板或桥面 对钢梁来说混凝土板只是其荷载 图4 1 如果使两者结合在一起 混凝土板与钢梁共同工作 则混凝土板可作为梁的翼缘而成为梁的一部分 发挥比钢梁更大的作用 无论强度和刚度都大大提高了 图4 2 两者的组合作用是靠焊在钢梁上 浇筑在混凝土板中的剪切连接件来实现的 剪切连接件的种类与计算如第一章所述 钢梁可以用轧制型钢或焊接型钢 例如工字钢 槽钢 槽钢经常用作楼盖 平台或阳台的边梁 见图4 3 可以获得平整的外表面 图4 1非组合梁截面应力 图4 2组合梁截面应力 图4 3用槽钢制作的组合梁边梁 图4 4工字形及蜂窝形钢梁 工字钢处于梁的受拉区 主要是下翼缘起受力作用 上翼缘处于中和轴附近 不能发挥主要受力作用 而主要是起与混凝土板的连接作用 因而往往应用上翼缘小下翼缘大的不对称工字钢 不对称工字钢的制作一般有如下三种焊接方式 如图4 4a b c a 三块钢板 b t字钢与钢板 c 二个大小不同t字钢对接 d 蜂窝形钢梁 此外 还有蜂窝形梁 图4 4d 因为钢梁中央腹板受力很小 形成蜂窝状孔之后便于管线穿过 混凝土板可以是普通钢筋混凝土板 也可以是轻骨料混凝土 预应力混凝土及压型钢板与混凝土组合板 钢筋混凝土板与钢梁连接处 一般设置板托 板托一般有如下作用 1 扩大梁与板的承压面积 防止混凝土板局部承压破坏 2 提高了板在支承处 梁 的截面高度 因而提高了板的抗冲切能力 3 使组合梁的截面高度增大 因此承载能力与刚度大大提高 因此在可能情况下应尽量设置板托 如图4 5所示 图4 5有板托的组合梁 如前述组合梁的组合作用主要是依靠剪切连接件 根据剪力件的配置多少分两类 1 完全剪切连接 即在极限弯矩作用下所产生的纵向剪力 完全由所配剪力件承担 2 部分剪切连接 剪力件所承担的总剪力小于极限弯矩下产生的纵向剪力 部分剪切连接组合梁适用于下列三种情况 1 组合梁上各截面的弯矩达不到其极限弯矩的情况 组合梁的截面高度与钢梁的板件厚度不取决于截面所需的抗弯强度 而是主要取决于截面刚度或板件的局部稳定 2 组合梁中最大正弯矩截面达到受弯承载能力时 达不到极限弯矩的某些区段 3 当剪切连接件的设置受构造等原因 不能按完全剪切连接设计时 目前部分剪切连接组合梁的计算方法仅适用于跨度不超过20米 以承受静力荷载为主 且没有太大集中荷载的等截面梁 采用柔性连接件 4 2组合梁的试验研究 1 受力过程弹性 弹塑性和屈服三阶段 图4 6和图4 7 2 截面的平均应变型钢受拉翼缘屈服之前 平均应变符合平截面假定 如果配置足够的剪切连接件 在极限荷载时 仍基本符合平截面假定 图4 8 图4 6 图4 7 图4 8 3 混凝土板与钢梁的水平滑移 图4 9 由跨中向梁端部逐渐增大 随荷载的增加而逐渐增大 4 混凝土板与钢梁的掀起位移 图4 10 在跨中最小 远离跨中 向上的掀起位移越大 图4 9水平滑移 图4 10掀起位移 4 3组合梁截面的承载力计算 概述两种计算理论 弹性理论 塑性理论1 弹性理论 直接承受动力荷载 钢梁的受压板件宽厚比较大 不符合塑性设计条件且组合截面中和轴在钢梁腹板内通过2 塑性理论不直接承受动力荷载 受压板件宽厚比较小 组合截面中和轴在混凝土板内通过或板托内通过 组合梁的受力状态与施工条件有关 因此不论按弹性理论还是塑性理论计算 一般都需考虑混凝土硬化前和硬化后两个受力阶段 以及施工时钢梁下有 无临时支撑等情况 如果在钢梁下不设临时支撑 则应按下面两个受力阶段进行计算 第一阶段 楼板混凝土的强度达到设计强度75 之前的阶段 这时荷载应包括钢梁自重和现浇混凝土的重量等永久荷载 以及模板重和其它施工活荷载 这些荷载全部由钢梁单独承受 按一般钢梁计算其强度 挠度和稳定性 第二阶段 楼板混凝土达到设计强度75 之后的阶段 此时荷载应包括增加的结构层及构造层 如防水层 饰面层 找平层 吊顶 等永久荷载以及使用阶段活荷载 这些续加荷载全部由组合梁承受 在验算组合梁的挠度以及按弹性分析方法计算组合梁的承载力时 应将第一阶段由永久荷载产生的挠度或应力与第二阶段计算所得的挠度或应力相叠加 在第二阶段计算中 可不考虑钢梁的整体稳定性 而组合梁按塑性分析法计算承载力时 则不必考虑应力叠加 可不分阶段按照组合梁一次承受全部荷载进行计算 如果钢梁下设有临时支撑 则应按实际支承情况验算钢梁的强度 稳定性和挠度 并且在计算使用阶段组合梁承受的续加荷载产生的变形时 应把临时支承点反力 由永久荷载产生的 反向作为续加荷载 如果组合梁的设计是变形控制时 可考虑将钢梁预先起拱等措施 不论是按弹性分析还是塑性分析法 有无临时支撑对组合梁的受弯极限承载力均无影响 故在计算受弯承载力时 可不分阶段 按照组合梁一次承受全部荷载进行计算 2 组合梁按弹性理论的计算 1 组合梁混凝土翼缘板的有效宽度be 图4 11混凝土翼缘板的有效宽度 混凝土翼缘的有效宽度be可按下式计算 b0 板托顶部宽度 当板托倾角 450时 应按 450计算板托顶部的宽度 当无板托时 则取钢梁上翼缘的宽度 b1 b2 梁外侧和内侧的翼板计算宽度 各取梁跨度的l 6和翼板厚度hc1的6倍中的较小值 此外 b1尚不应超过翼板实际外伸宽度s1 b2不应超过相邻钢梁上翼缘或板托间净距的1 2 当为中间梁时 取b1等于b2 当采用压型钢板与混凝土组合板时 翼板厚度hc1等于组合板的总厚度减去压型钢板的肋高 但在计算混凝土翼板的有效宽度be时 压型钢板与混凝土组合板的翼板厚度hc1可取有肋处板的总厚度 hc2为板托高度 当无板托时 hc2 0 4 1 1 钢梁的截面特征钢梁截面积钢梁中和轴至钢梁顶面的距离钢梁中和轴至钢梁底面的距离中和轴以上截面对中和轴的面积矩 4 2 4 3 4 4 4 5 2 荷载短期效应设计时用的截面特征计算 钢梁截面对中和轴的惯性矩钢梁上翼缘的弹性抵抗矩钢梁下翼缘的弹性抵抗矩 4 6 4 7 4 8 图4 12非对称工形截面 2 用换算截面法计算组合截面特征两种情况 1 中和轴在混凝土板内 2 中和轴在混凝土板以下 图4 13 图4 14 3 考虑荷载长期影响设计时用的截面特征由于混凝土徐变的影响 组合梁在永久荷载的长期作用下 混凝土板的应力有所降低 钢梁的应力有所提高 计算时 可将混凝土板的有效宽度除以换算成钢截面 这时 组合截面中和轴大多在混凝土板之下 4 组合梁在施工阶段的承载力计算1 钢梁的受弯承载力在弯矩作用下 钢梁的正应力应满足在弯矩和共同作用下 钢梁的正应力应满足 4 9 4 10 其中 分别为绕x轴和y轴的弯矩 对工字形截面 x轴为强轴 y轴为弱轴 分别为对x轴和y轴的净截面抵抗矩 截面塑性发展系数 对工字形截面 1 05 1 20 对箱形截面 1 05 钢材抗弯强度设计值 当钢梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于而不超过时 应取 其中 为钢材牌号所指的屈服点 2 钢梁的抗剪承载力计算在主平面内受弯的实腹构件 4 11 其中v 施工荷载作用下 钢梁中产生的剪力设计值 s 计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩 i 钢梁毛截面惯性矩 tw 钢梁腹板厚度 钢梁的抗剪强度设计值 5 组合梁在使用阶段的承载力计算1 受弯承载力基本假定 截面应变符合平截面假定 钢材与混凝土均认为是理想弹性材料 钢梁与混凝土板之间的连接是可靠的 虽有微小的滑移 但可忽略不计 当混凝土板带有板托时 板托可不计入截面计算中 不考虑混凝土开裂及板内钢筋的影响 按两阶段受力设计 式中以拉应力为正 组合梁的钢梁上 下翼缘产生的正应力 组合梁的混凝土板顶面 底面产生的正应力 组合梁的钢梁上 下翼缘的弹性抵抗矩 4 12 4 13 4 14 4 15 第一受力阶段的恒载对组合梁产生的弯矩 第二受力阶段的荷载对组合梁产生的弯矩 换算成钢的组合截面对钢梁上 下翼缘的抵抗矩 换算成混凝土的组合截面对混凝土板顶面 底面的抵抗矩 钢材抗弯强度设计值 混凝土轴心抗压强度设计值 当组合梁按一个阶段 仅按第二阶段 受力设计时 梁上全部荷载都由组合截面承受 这时 4 16 4 17 式中m 一个受力阶段梁上全部荷载对组合梁产生的弯矩 在永久荷载的长期作用下考虑混凝土徐变的影响 组合梁按两个阶段受力设计时 可按下列公式校核截面正应力 4 18 4 19 4 20 4 21 第一 第二受力阶段的恒载对组合梁产生的弯矩 第二受力阶段的活荷载对组合梁产生的弯矩 考虑混凝土徐变的钢梁上 下翼缘产生的弯曲正应力 考虑混凝土徐变的混凝土板顶面 底面产生的弯曲正应力 换算成钢的组合截面对钢梁上 下翼缘的抵抗矩 换算成混凝土的组合截面对混凝土板顶面 底面的抵抗矩 组合梁按整个受力阶段计算时 考虑混凝土徐变影响的钢梁截面正应力 应符合 式中 分别为全部恒载和第二受力阶段活荷载对组合梁产生的弯矩 2 剪应力及主应力的验算第一受力阶段结束之后 施工活荷载卸去 仅由恒载在钢梁上产生剪应力 这时仍假定截面上剪应力全由钢梁承担 式中 第一受力阶段的恒载在钢梁上产生的剪力 计算剪应力处以外钢梁截面对中和轴的面积矩 钢梁毛截面惯性矩 钢梁腹板厚度 4 22 4 23 4 24 梁在第二受力阶段时 组合截面中的剪应力为式中 第二受力阶段的附加恒载和活荷载在组合梁中产生的剪力 计算剪应力处以外组合截面对换算截面中和轴的面积矩 换算成钢截面的组合截面惯性矩 剪应力的分布如图4 15所示 当换算截面中和轴o o在钢梁内时 将图和图叠加 即得钢梁中总的剪应力值 叠加后的钢梁剪应力最大值 不得超过钢材的抗剪强度设计值 当中和轴o o位于混凝土板或板托内 钢梁的剪应力验算点应取钢梁腹板计算高度的顶面 因为此处的钢梁剪应力达到最大值 如果计算截面中同时作用有较大的剪力和弯矩时 必须验算钢梁的主应力 4 25 式中 腹板边缘的最大法向应力和剪应力 钢梁上的主压应力和主剪应力 钢材的抗拉强度设计值 钢材的抗剪强度设计值 4 26 4 27 图4 15剪应力和主应力 组合梁按塑性理论的计算密实截面 钢梁受压翼缘与腹板不是太薄 具有足够的刚度 在构件截面达到屈服应力并产生足够的塑性转动之前 不致由于板件局部屈曲而降低或丧失承载力 在组合梁的正弯矩区段 其塑性中和轴不在钢梁腹板内 或塑性中和轴虽在钢梁腹板内 但钢梁截面板件的宽厚比应满足表4 1的要求 截面即为密实截面 否则就属于纤细截面 纤细截面的组合梁 应按弹性理论计算 还应适当地布置支承杆 表4 1组合梁板件宽厚比限值 注 1 钢梁截面轴心压力n可取为混凝土翼缘有效宽度内钢筋的拉力设计值 2 h0为腹板的计算高度 1 基本假定 对于完全剪切连接的组合梁 基本假定如下 1 钢梁截面无论处于受拉区还是受压区 其应力均达到钢材的抗拉或抗压强度设计值 2 混凝土受压区为均匀受压 其应力达到轴心抗压强度设计值 3 不考虑塑性中和轴一侧受拉区混凝土的作用 4 不考虑剪力对组合梁受弯承载力的影响 5 当混凝土板上设有板托时 在计算截面特征和承载力时均不考虑板托的影响 6 不考虑施工过程中有无支撑及混凝土徐变 收缩与温度作用的影响 2 组合梁正截面受弯承载力计算两种情况 塑性中和轴在混凝土板内与塑性中和轴在钢梁中通过 界限 中和轴刚好从混凝土板底通过 此时根据力的平衡有 4 28 当 中和轴在混凝土翼缘板中通过当afp behc1fc 则中和轴在钢梁中通过其中 钢梁全截面的面积f 塑性设计时的型钢抗拉强度设计值 钢筋混凝土翼缘板的有效宽度 混凝土翼缘板厚度 不包括板托高度第一种情况 中和轴在混凝土翼缘中通过 即af behc1fc 其极限状态的应力图形如图4 16所示 应有式中x为塑性中和轴至混凝土翼缘板顶面的距离 可按下式计算 4 29 4 30 图4 16中和轴在混凝土翼缘板内通过 y 钢梁截面应力合力至混凝土受压区截面应力合力间的距离yt为钢梁截