组合结构1PPT课件

山东科技大学钢结构工程研究所王来 钢 混凝土组合结构 第一节钢 混凝土组合结构概论 由几种不同受力性质的建筑材料组成 在荷载作用下具有整体作用的结构称为组合结构 根据组成材料的不同 组合结构有诸多类型 目前 组合结构一般是指由钢材 包括轧制或焊接成型钢 钢筋 和混凝土的结构 统称钢 混凝土组合结构 Steel concretecompositestructure 组合结构具有能发挥不同材料各自的优良性能 钢材 混凝土的利用比较充分 造价较低 抗震性能好以及施工方便等优点 组合板 组合梁 组合柱 钢管混凝土 组合墙 一 组合结构的分类 1 钢 混凝土组合楼盖结构 Steel concretefloorcompositestructure 钢 混凝土组合楼盖结构 也称为钢 混凝土组合梁结构 是指通过抗剪连接件连接钢梁和混凝土板的结构体系 按楼板形式分类 有以下四种 1 现浇钢筋混凝土板组合楼盖如图1 1 1所示 这类组合楼盖的特点是混凝土板在现场浇筑 需要搭设脚手架 安装模板 施工周期较长 2 预制钢筋混凝土板组合楼盖其连接构造如图1 1 2所示 预制混凝土板支承于钢梁上 为了抵抗混凝土板和钢梁之间的纵向剪力 在钢梁上应焊有抗剪连接件 在板的边缘应有槽口以便连接件穿过 用细石混凝土浇灌槽口与板间缝隙 并采取措施保证板与钢梁以及板与板之间的可靠连接 这类组合楼盖的缺点是传递水平力的能力较差 楼板施工时影响钢结构的吊装 3 钢 混凝土叠合板楼盖混凝土叠合板翼缘由预制板和后浇混凝土层构成 预制板既作为模板 又作为楼板的一部分参与楼盖受力 图1 1 3为采用混凝土叠合板的组合屋面梁 近年来 钢 混凝土叠合板组合楼盖结构成功地应用于火力发电厂主厂房等工程 技术经济效益和社会效益比较显著 4 压型钢板 混凝土板组合楼盖压型钢板 混凝土板组合楼盖由压型钢板 混凝土板 抗剪连接件和钢梁三部分组成 如图1 1 4所示 抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交界面的纵向剪力 抵抗相对滑移 以保证二者共同工作 这种楼盖主要应用于高层钢结构建筑中 结构性能较好 综合经济效益优于其他组合楼盖 压型钢板用冷轧钢板或镀锌薄钢板制作 宜采用后者 一般厚度为0 5 1 2mm 图1 1 5为部分国产压型钢板的板型 国家标准 钢结构设计规范 GB50017 2003 电力行业标准 钢 混凝土组合楼盖结构设计规程 DL T5085 1999等对压型钢板 混凝土组合楼盖的设计作了规定 2 型钢混凝土组合结构 Steelreinforcedconcretecompositestructure 混凝土内配置型钢 轧制或焊接成型 和钢筋的结构称为型钢混凝土组合结构 也称其为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构 型钢混凝土结构除了用于框架结构 剪力墙结构外 也可制作拱和壳体 在桥梁和原子能反应堆保护壳等工程中使用 承载力高 构件截面较小 可降低结构层高 利用型钢的承载力减少模板工程量 缩短工期 结构延性好 抗震性能优良 耐久性和防火性能均明显优于钢结构 建设部制定了行业标准 型钢混凝土组合结构技术规定 JG138 2001 电力行业标准 钢 混凝土组合结构设计规程 DL T5085 1999 冶金工业部行业标准 钢骨混凝土结构设计规程 YB9058 97等 3 钢管混凝土组合结构 Concretefilledsteeltubularcompositestructure 钢管混凝土结构是用混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构 通常不必配置钢筋 钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点 受力合理 节省材料 其基本原理有二 一是借助核心混凝土增强钢管壁的稳定性 二是借助钢管对核心混凝土的约束作用 使混凝土处于三向受压状态 提高混凝土的强度和变形能力 图1 1 7钢管混凝土 1990年国家建材工业局颁发 钢管混凝土设计与施工规程 CJ101 89 1991年中国工程建设标准化协会制定了 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS28 90 1999年电力行业标准 钢 混凝土组合结构设计规程 DL T5085 1999发布 促进了钢管混凝土组合结构在我国的发展 2004年中国工程建设标准化协会制定了 矩形钢管混凝土结构技术规程 CECS159 2004 钢管混凝土在我国高层建筑中的应用发展很快 自20世纪90年代以来 经历了由局部采用 大部分采用到全部采用钢管混凝土柱的过程 已建成有北京的世界金融大厦 36层 高度120m 1998年 深圳的赛格大厦 76层 高度291 6m 1999年 图1 1 8 等 美国双联大厦 TwoUnionSquare 56层 高度220m 于1989年建成 钢管混凝土柱截面1400 25 内灌混凝土强度等级高达C130 图1 1 8深圳赛格大厦 钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式如图1 1 9所示 图1 1 10为钢管混凝土拱肋的截面形式 1990年 钢管混凝土技术首次成功应用于跨度115m的四川省旺苍东河大桥 图1 1 11 图1 1 9钢管混凝土结构桥梁结构 图1 1 10钢管混凝土拱肋结构截面形式 图1 1 11四川省旺苍东河大桥 4 外包钢混凝土组合结构 Steelencasedreinforcedconcretecompositestructure 外包钢混凝土结构是指外部配钢的钢筋混凝土结构 简称外包钢结构 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 5 1 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 图1 1 12 图1 1 12外包钢构件 组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作机理 是由二者之间的粘结力 抗剪连接件及钢材对混凝土的约束作用实现的 压型钢板与混凝土组合楼板的共同工作 主要依靠钢板上压制的齿槽 穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件或焊在压型钢板端部的横向钢筋的作用 钢 混凝土组合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪连接件形成 所以 抗剪连接件设计是工程关键之一 计算和构造都应满足规定的要求 型钢混凝土结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用 有时也设置抗剪连接件 钢管混凝土结构的共同工作主要依靠钢管与混凝土的相互约束 层间横隔板等形成 二 组合结构的共同工作 第二节钢 混凝土组合板 一 组合梁板的基本原理非组合梁 由混凝土板和钢梁组成的楼盖结构中 若二者交界面处没有连接措施 则在竖向荷载作用下 混凝土板截面和钢梁截面的弯曲变形相互独 各自有中和轴 若忽略摩擦力 交界面上仅有竖向压力 二者之间必定发生相对水平滑移错动 所以 其受弯承载力M M1 M2 组合梁 如果在钢梁上翼缘设置足够的抗剪连接件并伸入混凝土板形成整体 阻止板和钢梁之间的相对滑移 使二者的弯曲变形协调 共同承担荷载的作用 则称为组合梁 在荷载作用下 组合梁截面仅有一个中和轴 混凝土板主要承受压力 钢梁主要承受拉力 与非组合梁相比 组合梁的中和轴高度和内力臂增大 其受弯承载力显著提高 组合梁的截面高度大 因而刚度也大 掀起作用 一般在板梁交界面上的竖向分布力为压力 当荷载作用于钢梁上时 交界面上竖向分布力为拉力 将引起板 梁的分离 组合梁中这种上下层分离的趋势称为掀起作用 由于掀起力远小于交界面上的剪切力 而且抗剪连接件的形状具有一定的抗掀起作用 在设计中一般不进行抗掀起计算 二 完全抗剪连接和部分抗剪连接根据抗剪连接件的布置 数量和受剪承载力 可把组合梁分为完全抗剪连接组合梁和部分抗剪连接组合梁两类 完全抗剪连接 即使在梁产生弯曲破坏的最不利截面处再增加连接件的数量 梁的受弯承载力也不再增加时的抗剪连接设计 部分抗剪连接 抗剪连接件的数量少于完全抗剪连接所需要的数量时 在实际工程中 在满足设计要求的情况下 采用部分抗剪连接可以取得较好的经济效益 三 压型钢板 混凝土组合板的优点 非组合板 若仅考虑把压型钢板作为浇注混凝土时的永久性模板使用 则压型钢板只需要满足施工阶段的承载力和变形要求 施工完成后 全部使用荷载由混凝土板承受 其设计方法与钢筋混凝土板相同 对压型钢板的截面构造也无特殊要求 组合板 若压型钢板除在施工阶段作为模板使用外 在使用阶段还作为混凝土板的受力钢筋或部分受力钢筋 与混凝土共同工作承担使用荷载 此时 为保证混凝土与压型钢板的共同工作 在压型钢板表面需设置抗剪齿槽或者采取开孔洞 焊接短钢筋 横向钢筋等措施 以抵抗交界面的纵向剪力和竖向揿起力 此外 还要考虑对板的防火性能和耐久性能的要求 常见的压型钢板和混凝土的组合形式见图 压型钢板 混凝土组合板具有下列优点 压型钢板可作为浇灌混凝土的模板 节省了大量木模板及支撑 压型钢板非常轻便 堆放 运输及安装都非常方便 使用阶段 压型钢板可代替受拉钢筋 减少钢筋的制作与安装工作 刚度较大 省去许多受拉区混凝土 节省混凝土用量 减轻结构自重 有利于各种管线的布置 装修方便 与木模板相比 施工时减小了火灾发生的可能性 压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用 组合板的总厚度不应小于90mm 压型钢板翼缘以上混凝土的厚度不应小于50mm 混凝土强度等级不宜低于C20 骨料尺寸不应大于0 4hc 压型钢板肋平均宽度的1 3和30mm三者中的较小值 组合板中应设置分布钢筋网 以承受收缩和温度应力 提高火灾时的安全性 并起到分布集中荷载的作用 分布钢筋两个方向的配筋率均不宜少于0 002 在有较大集中荷地区段和开洞周围应配置附加钢筋 当防火等级较高时 可配置附加纵向受拉钢筋 简支板的支座上部应配置构造负弯矩钢筋 以控制裂缝宽度 负弯矩钢筋的配筋率不小于0 002 其截断点距支承边的长度不小于l 4 l为板的跨度 且每米不少于5根 悬臂板和连续板的支座负弯矩区段应配置纵向受拉钢筋 其计算与一般钢筋混凝土板相同 但要考虑截面中由于压型钢板有波槽在受压区所形成的缺口 受压区钢板的受压屈曲 计算时忽略不计 四 压型钢板 混凝土组合板的构造要求 组合板在钢梁上的支承长度不应小于75mm 其中 压型钢板的支承长度不小于50mm 图 a c 支承于混凝土构件上时 组合板的支承长度不应小于100mm 压型钢板的支承长度不应小于75mm 图 b d 连续板或搭接板在钢梁上的最小支承长度为75mm 支承于混凝土构件上时则为100mm 图 e f 压型钢板与钢梁的连接采用圆柱头栓钉 栓钉穿透压型钢板或将钢板端部肋压平后焊接于钢梁上 图 栓钉直径一般为 板跨度l 3m时 取13 16mm 板跨l 3 6m时 取16 19mm 栓钉应高出压型钢板上翼缘35mm以上 组合板中 栓钉仅作为压型钢板与混凝土交界面上的抗剪能力储备 不必计算 组合板端部的连接 1 局部荷载作用的有效分布宽度可认为组合板上的集中荷载以45 的锥体从板面向板底传递 其分布宽度可按下式计算 五 组合板的计算 2 水平剪力的传递形式依靠压型钢板的纵向波槽 依靠压型钢板上的压痕 小洞或冲成的孔眼 依靠压型钢板上焊接的横向钢筋 设置于端部的锚固件 其中端部锚固件要求在任何情形下都应当设置 3 组合楼板的设计 荷载 永久荷载和使用阶段的可变荷载验算内容 强度和变形变形验算的力学模型 单向弯曲简支板承载力验算的力学模型 按压型钢板上混凝土的厚薄确定计算模型验算包括 正截面抗弯承载力 抗冲剪承载力和斜截面抗剪承载力 适筋板和超筋板 随弯矩的增大 组合板中压型钢板从受拉边开始屈服 并发展到整个高度 然后受压边缘混凝土达到极限压应变而压碎破坏 这种板为适筋板 当板厚相对较小 含钢率较大时 受压区混凝土将先于钢板屈服而达到极限压应变 压碎破坏 这种板为超筋板 有时超筋板难以避免 因为压型钢板的面积和尺寸选择还取决于施工阶段的受力情况 相对界限受压区高度和界限配筋率为 正截面抗弯承载力验算适筋板的受弯承载力按下式计算 式中x 组合板受压区高度 x Apf fcmb 当x 0 55h0时 取0 55h0 h0为组合板有效高度 系数0 8相当于将压型钢板钢材的抗拉强度设计值和混凝土弯曲抗压强度设计值乘以折减系数0 8 考虑到起受拉钢筋作用的压型钢板没有混凝土保护层 以及中和轴附近材料强度发挥不充分等因素 抗冲剪承载力验算组合板在集中荷载下的冲切力V1 应满足Fl 0 7ftumhcum 临界周界长度 斜截面抗剪承载力验算组合板斜截面最大剪力设计值Vu应当满足 变形验算按弹性方法进行组合板的变形验算 挠度值应分别按荷载效应标准组合 荷载效应准永久组合计算 其中的较大值不应超过规定的挠度限值 即 一 组合梁的优点当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时 宜按钢 混凝土组合梁结构设计 钢 混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件 1 组合梁截面中混凝土主要受压 钢梁受拉 充分发挥材料特性 承载力高 承载力相同时 比非组合梁节约钢材达15 25 2 混凝土板参加梁的工作 梁的刚度增大 楼盖结构的刚度要求相同时 采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26 30 组合梁用于高层建筑 不仅降低楼层结构高度 且显著减轻对地基的荷载 3 组合梁的翼缘板较宽大 提高了钢梁的侧向刚度 提高了稳定性 改善了钢梁受压区的受力状态 增强抗疲劳性能 4 可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板 混凝土板及施工荷载 无需设置支撑 加快施工速度 5 抗震性能好 6 在钢梁上便于地焊接托架或牛腿 供支撑室内管线用 不需埋设预埋件 第三节钢 混凝土组合梁 钢 混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混凝土 解决钢材锈蚀问题 采用低合金钢材 这种钢材表面锈蚀后可形成保护层 阻断锈蚀继续向内部发展 采用高质量的防锈蚀油漆 二 钢梁的截面形式组合梁中钢梁的截面形式多样 如图所示 组合梁中钢梁的截面形式 三 组合梁的构造要求1 截面尺寸简支组合梁的高跨比为1 18 1 12 一般取1 15 混凝土板厚通常取截面高度的1 3左右 一般采用100mm 120mm 140mm 160mm 荷载特别大的平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用180mm 200mm甚至300mm 采用压型钢板的组合楼盖中 压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离不小于50mm 钢梁的截面高度ha不宜于截面总高度h的1 2 5 为保证组合梁腹板的局部稳定性 可按 钢结构设计规范 要求设置加劲肋 组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求 有托板时 伸出长度不应小于hc2 无托板时 应同时满足伸出钢梁中心线不小于150mm 伸出钢梁翼缘边不小于50mm的要求 组合梁边梁混凝土翼缘板的构造 2 板托板托顶部的宽度与高度hc2之比应不小于1 5 且板托的高度不宜大于混凝土板厚度hc1的1 5倍 板托的外形应满足图所示的构造要求 板托边缘距连接件外侧的距离不得小于40mm 板托外表轮廓应在自连接件根部算起的45 仰角之外 3 主次梁连接平接连接方式 叠接连接方式 四 抗剪连接件抗抗剪连接件的形状 既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用 常用的抗剪连接件类型 栓钉 槽钢 弯筋以及方钢 T形钢连接件等 宜优先采用栓钉连接件 因其施工方便快速 受力性能好 单位承载力用钢量最少 其次是槽钢连接件 连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系 以有利于抵抗连接件被掀起 避免混凝土发生劈裂 抗剪连接件剪力 滑移曲线 图为栓钉 槽钢 T形钢连接件的剪力 滑移曲线 由图可知 栓钉和槽钢等连接件的刚度较小 变形能力较大 这类连接称为柔性连接件 T形钢连接件的刚度较大 变形能力较小 称为刚性连接件 目前已很少采用 抗剪连接件剪力 滑移曲线 五 组合梁受弯承载力 组合梁设计的内容应包括 受弯承载力计算 受剪承载力计算 抗剪连接件的数量和布置 混凝土翼缘板及其板托纵向界面受剪承载力计算 变形验算 负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算以及构造设计 1 组合梁正截面的受力性能从开始加荷到破坏 组合梁正截面经历弹性 弹塑性和塑性三个受力阶段 组合梁的恒载 挠度曲线 加荷到破坏荷载90 以上时 混凝土翼缘板相对于钢梁发生较大的掀起变形 连接件的水平变形较大 若横向钢筋不足 板顶面沿钢梁轴线附近出现纵向裂缝 图 a 削弱了混凝土与钢梁的共同工作 此时钢梁的屈服范围已发展到一定的高度 受压区混凝土产生塑性变形 挠度迅速增大 组合梁进入塑性阶段 直到破坏 图 b 组合梁正截面受力的实测应变分布 可以看出 在钢梁下翼缘达到屈服应变以前 截面应变分布基本上符合平截面假定 实测混凝土翼缘板相对于钢梁的纵向水平滑移 表明 在钢梁的下翼缘屈服以前 钢梁与混凝土翼缘板之间的相对滑移较小 试验表明 连接件的水平滑移对组合梁极限承载力的影响很小 计算承载力时可以忽略 但对变形的影响则不能忽略 而且纵向剪力在各连接件中产生重分布 使各连接件承爱的剪力超于均匀 实测混凝土翼缘板沿梁长的掀起变形 在跨中加载点附近 掀起值很小 由跨中向支座延伸 掀起值不断增大 约距支座处l0 10处 l0为计算跨度 为最大 交界面上沿梁长的掀起变形 2 受弯承载力计算 1 按塑性理论计算的基本假定混凝土翼缘板与钢梁为完全抗剪连接 塑性中和轴以上混凝土达到轴心抗压设计强度 忽略塑性中和轴以下混凝土的抗拉强度 不计托板截面的作用 塑性中轴以下钢梁截面的拉应力和塑性中和轴以上钢梁截面的压应力均达到钢材的相应强度设计值 2 正弯矩截面的受弯承载力 塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时 塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时 塑性中和轴在钢梁腹板内时 塑性中和轴在钢梁腹板内时 六 组合梁纵向界面受剪承载力 混凝土翼缘板及其托板的纵向最不利受剪界面有两种类型 一是穿过整个板厚的竖向受剪界面a a 二是围绕抗剪连接件周边的受剪界面b b 无板托 和c c 有板托 1 各种抗剪连接件的构造要求 1 栓钉连接件栓钉是采用自动栓钉焊接机焊接于钢梁翼缘上的 各个方向具有相同的强度和刚度 不影响混凝土板中钢筋的布置 栓钉连接件的公称直径有8mm 10mm 13mm 16mm 19mm及22mm 常用的为后四种 栓钉沿梁轴线方向的间距不应小于焊杆直径的6倍 垂直于梁轴线方向的间距不应小于焊杆直径的4倍 栓钉连接件的布置要求 七 抗剪连接件设计 2 槽钢连接件当栓钉的抗剪能力不满足要求或者不具备栓钉焊接设备时 可采用槽钢连接件 图 槽钢连接件一般采用Q235钢轧制的 8 10 12等小型槽钢 其长度不能超过钢梁翼缘宽度减去50mm后的值 槽钢连接件翼缘肢尖方向应与混凝土板中水平剪应力的方向一致 并仅在槽刚下翼缘根部和趾部 即垂直于钢梁的方向 与钢梁焊接 角焊尺寸根据计算确定 但不小于5mm 为减少钢梁上翼缘的焊接变形 平行于钢梁的方向不需施焊 槽钢连接件 3 弯筋连接件弯筋连接件一般采用直径不小于12mm的HPB235级钢筋 弯起角度宜为45 弯折方向应与板中纵向水平剪应力的方向一致 并成对设置 沿梁轴线方向的间距不小于0 7hc1 hc1为混凝土板厚度 且不大于2hc1 弯筋连接件的长度不小于其直径的30倍 从弯起点算起的长度不小于直径的25倍 其中 水平段的长度不小于其直径的10倍 光面钢筋应加弯钢 弯筋连接件与钢梁连接的双侧焊缝长度为4d HRB335级钢筋 或5d HPB235级钢筋 弯筋连接件 2 抗剪连接的破坏形态 1 连接件受剪受拉破坏混凝土强度等级比较高时 连接件的承载力与混凝土无关 取决于连接件的类型及材质 这种破坏也包括焊缝破坏 2 连接件附近混凝土破坏栓钉连接件的承压应力在底部最大 沿高度逐渐减小 当接近顶部时承压应力开始反向 前方根部混凝土的局部受压破碎或劈裂 栓钉连接件破坏 槽钢连接件破坏 以混凝土板劈裂最为常见 混凝土板中在连接件受力方向形成宏观纵向裂缝 在垂直方向形成宏观横向裂缝 此类破坏时连接件的承载力取决于混凝土的强度等级及品种 槽钢连接件破坏 3 单个抗剪连接件承载力 栓钉连接件组合梁中的栓钉连接件主要承受侧压力 一般情况下掀起作用在栓钉中产生的拉力很小 可以忽略不计 因此栓钉承载力可按纯剪受力模型计算 当栓钉中的拉力不可忽略时 可按拉 剪组合作用计算 栓钉除承受剪切作用外 其根部混凝土承受局部压力 因此混凝土的强度和变形对栓钉受剪承载力也有影响 当混凝土立方体强度fcu 35N mm2时 单根栓钉的受剪承载力与栓钉截面积 混凝土轴心抗压强度和弹性模量有关 当混凝土强度fcu 35N mm2时 栓钉的最大受剪承载力取决于检钉的抗剪能力 单根栓钉受剪承载力计算公式如下 式中Ad 栓钉钉杆的截面积 fdu 栓钉的极限抗拉强度 当fdu 520N mm2时 取fdu 520N mm2 EC 混凝土的弹性模量 fc 混凝土的轴心抗压强度 k 由试验研究确定的经验系数 其值与栓钉的高度和直径的比值有关 栓钉的高度为其直径4倍以上时 常见情况 取k 0 43 式中不等号右边表示单个栓钉本身的受剪承载力设计值 考虑到栓钉受到周围混凝土的约束 其抗剪强度有所提高 故取栓钉的抗剪强度为抗拉强度的70 对于连续组合梁的负弯矩区 由于混凝土板受拉 连接件的抗剪承载力有所降低 应乘以折减系数0 85 4 抗剪连接件的数量和布置 完全抗剪连接组合梁的抗剪连接件设计应保证梁截面在达到受弯承载力之前 交界面不发生连接件的受剪破坏 因此 最大弯矩截面至零弯截面之间区段 剪跨区 内的连接件数量按下式计算 八组合梁的变形计算 1 换算截面法混凝土板的换算宽度按下列公式计算 计算荷载效应标准组合下的挠度时计