钢混凝土组合结构

1、.1 Steel-Concrete Composite Structures .2 本课程是土木工程专业的一门。 .3 1. 赵鸿铁著，赵鸿铁著，组合结构设计原理组合结构设计原理，科学出版社，科学出版社，2005 2. 聂建国等，聂建国等，钢钢-混凝土组合结构混凝土组合结构，建筑工业出版社，建筑工业出版社，2005 3.刘维亚编，刘维亚编， 钢与混凝土组合结构理论与实践钢与混凝土组合结构理论与实践 ，同上，同上，2008 4.Johnson R P, Composite Structures of Steel and Concrete, OXFORD: Blackwell Scientific

2、 Publications, 1995 薛建阳主编，薛建阳主编，钢与混凝土组合结构钢与混凝土组合结构, ,华中华中 科技大学出版社，武汉，科技大学出版社，武汉，20072007 .4 1 2 3 4 .5 5 6 7 8 .6 （1）组合结构组合结构概述概述 （2）组合结构分类）组合结构分类 （3）压型钢板与混凝土组合结构）压型钢板与混凝土组合结构 （4）钢与混凝土组合梁）钢与混凝土组合梁 （5）型钢混凝土结构）型钢混凝土结构 （6）钢管混凝土结构）钢管混凝土结构 （7）外包钢混凝土结构）外包钢混凝土结构 .7 由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体，由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体

3、， 共同受力、协调变形的结构，称为共同受力、协调变形的结构，称为组合构件组合构件。 钢与混凝土组合结构是其中较为常见的一种，钢与混凝土组合结构是其中较为常见的一种， 也是土木工程领域日益广泛采用的一种结构体也是土木工程领域日益广泛采用的一种结构体 系，为此，本课程将详细讲述这种组合结构的系，为此，本课程将详细讲述这种组合结构的 构造和设计。构造和设计。 专指型钢或用钢板专指型钢或用钢板 焊接成的钢骨架焊接成的钢骨架 钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁 .8 P P D P D P 钢筋混凝土梁 素混凝土梁P D 钢筋混凝土梁 素混凝土梁 充分发挥混凝充分发挥混凝 土抗压性能土抗压性能 增强梁的刚度增强梁

4、的刚度 、强度和延性、强度和延性 均匀裂缝均匀裂缝 D .9 钢与混凝土钢与混凝土 组合结构组合结构 木结构木结构 砌体结构砌体结构 钢结构钢结构 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 施工方便施工方便 造价相对较低造价相对较低 承载力高承载力高 刚度和延性大刚度和延性大 抗震性能好抗震性能好 50多年来组合结构的研究与多年来组合结构的研究与 应用得到迅速发展，至今已应用得到迅速发展，至今已 成为一种公认的新的结构体成为一种公认的新的结构体 系。其与传统的四大结构并系。其与传统的四大结构并 列，已扩展成为第五大结构。列，已扩展成为第五大结构。 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钢与混

5、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五种类型。成熟与应用较多的主要五种类型。 .10 .11 定义定义 在各种形式凹凸肋或各种形式槽纹的压型在各种形式凹凸肋或各种形式槽纹的压型 钢板上浇注混凝土而形成的组合板，依靠钢板上浇注混凝土而形成的组合板，依靠 凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起。凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起。 压型钢板与混凝土组合板的形式压型钢板与混凝土组合板的形式 .12 .13 .14 .15 .16 u 压型钢板可以作为现

6、浇混凝土的永久模 板。这样就省掉了施工中安装和拆除模 板等工序，从而节省了时间和劳动力。 u 当压型钢板安装好以后将可以作为施工平台使用。 同时由于不必使用临时支撑，也不影响下一层施工平 面的工作。 u压型钢板可以作为楼板的底筋使用，减少了安装板筋 的工作量。根据压型钢板的不同截面形状，最多可以 减少30的楼板混凝土用量。减少的楼板自重又可以 相应的减少梁、柱和基础的尺寸，提高了结构的整体 性能。 .17 u压型钢板的肋部可以放置水电管线，从而 使结构层与管线合为一体，间接地加大了 层高或降低了建筑高度，给建筑设计带来 灵活性。 u在施工阶段，压型钢板可作为钢梁的连续侧向支撑， 提高了钢梁的整

7、体稳定承载力；在使用阶段，提高了 钢梁的整体稳定性和上翼缘的局部稳定性。 u以上几个优点都可以相当大程度地 。 .18 定义定义 将型钢梁与混凝土翼板通过抗剪连接将型钢梁与混凝土翼板通过抗剪连接 件相连在一起形成一个整体共同工作件相连在一起形成一个整体共同工作 的组合梁。的组合梁。 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。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

8、件连钢或箱形钢梁。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体共同作用形成组合T T形梁。形梁。 .19 带板托的组合梁带板托的组合梁无板托的组合梁无板托的组合梁 .20 龙城大桥是常州市龙城跨运河大桥。主桥采取自 锚式悬索斜拉协作体系，主梁采用箱形结构，主 跨跨中部分采用混凝土钢结合梁，其余部分采 用预应力混凝土箱梁。 .21 梁纵向五道腹板。钢纵梁为全焊接结构，由底 板和5道腹板组成，底板和外侧斜腹板组成一 个槽形断面。 .22 张江立交改建工程 组合箱梁截面 组合板梁截面 .23 张江

9、立交改建工程 1.节省钢材，降低造价。 通过变更设计，将钢箱梁（1866.975t）和钢板梁 （628.748t）改为钢混叠合梁（556.2t），节省用钢 量1939.523t。原预算价为3000万元，根据图纸现预 算价2000万元，节省1000万元。 2.增加了预制环节，为现场施工争取了时间。 这种型式的结构极具推广价值，特别适于改建工程。 在满足行车要求的情况下，不但大量节省了用钢量， 降低了造价，而且实施快速。 工程经验工程经验 .24 中铁大桥局的建设者在上海长江大桥上架设中铁大桥局的建设者在上海长江大桥上架设 钢钢混凝土组合梁混凝土组合梁 .25 u 节省钢材，降低造价。增加了预制环

10、 节，为现场施工争取了时间。 u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，很大程度上避免了钢结构容易发生整体 失稳与局部失稳的弱点。 .26 定义定义 型钢混凝土结构又称钢骨混凝土结构型钢混凝土结构又称钢骨混凝土结构 或劲性钢筋混凝土结构，是在混凝土或劲性钢筋混凝土结构，是在混凝土 根据配钢形式的不同，型钢混凝土结构可以分为实腹根据配钢形式的不同，型钢混凝土结构可以分为实腹 式配钢和空腹式配钢。式配钢和空腹式配钢。 中主要配置型钢、并配有一定纵向钢筋和箍筋中主要配置型钢、并配有一定纵向钢筋

11、和箍筋 的结构。的结构。 .27 型钢混凝土构件截面形式型钢混凝土构件截面形式 .28 北京国贸三期北京国贸三期 .29 南通国际会议中心项目 总高度（含避雷针）275 米，混凝土结构高度208 米，钢结构塔顶高度254 米，地下2层，地上55层， 裙楼5层，总建筑面积12 万平米，地上建筑面积 11万平米。结构形式为 核心筒加型钢混凝土柱型钢混凝土柱 结构结构,由中国建筑上海设 计研究院设计。 .30 大连期货广场为双 子楼建筑，每栋建 筑面积21.1万平方 米，地上53层，地 下3层，高约232 米。结构体系为剪 力墙核心筒- ，全玻 璃幕墙。 .31 中银大厦整座大 楼采用由八片平 面支

12、撑和五根型 钢混凝土柱所组 成的混合结构 “大型立体支撑 体系”。 .32 l 在混凝土中配置的是型钢，这些型钢可以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，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。灵活的选择焊接型钢各个板件宽度与厚度。 l 型钢混凝土结构不仅强度、刚度明显增加，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，从而成为一种而且延性获得很大的提高，

13、从而成为一种 抗震性能很好的结构，所有尤其适用于地抗震性能很好的结构，所有尤其适用于地 震区。震区。 l 比起钢结构建筑，采用型钢混凝土结构节比起钢结构建筑，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，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。需要经常性维护等弱点。 .33 定义定义 钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝 土而形成的结构。土而形成的结构。 在钢管内可以配置钢筋，也可以只填充混凝土。在钢管内可以配置钢筋，也可以只填充混凝土。 按截面形式的不同，可分

14、为圆钢管混凝土、方钢管混按截面形式的不同，可分为圆钢管混凝土、方钢管混 凝土和多边形钢管混凝土结构。凝土和多边形钢管混凝土结构。 .34 圆钢管混凝土圆钢管混凝土方钢管混凝土方钢管混凝土矩形钢管混凝土矩形钢管混凝土 钢管混凝土截面形式钢管混凝土截面形式 .35 .36 钢管混凝土节点形式钢管混凝土节点形式 .37 利用钢管约束混凝土，将混凝土由单向受压转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

15、理，大大节省材料。失稳的缺点，所以受力合理，大大节省材料。 圆钢管混凝土结构的最大弱点是圆形截面的柱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。土结构的一大障碍。 .38 .39 位于深南中路与华强 北路交汇处，是目前目前 世界最高的钢管混凝世界最高的钢管混凝 土结构大厦土结构大厦，是深圳 市跨世纪的标志性建 筑。总高355.8米， 总建筑层79层，总建 筑面积达17万平方米。 赛格观光位于赛格广 场的71、72层，登高 临望，深圳和香港的 都市风貌尽收眼底， 犹如一幅美丽的画卷。 “赛格

16、电子市场”是 世界规模最大的电子 交易市场。 .40 天津津塔工程位于天津天津津塔工程位于天津 市和平区大沽北路与兴市和平区大沽北路与兴 安路交口西北侧，总建安路交口西北侧，总建 筑面积约为筑面积约为34.6万平方万平方 米，由一幢米，由一幢75层高的办层高的办 公楼及一幢公楼及一幢30层高的公层高的公 寓楼组成。地下四层，寓楼组成。地下四层， 办公楼结构体系为办公楼结构体系为钢管钢管 混凝土柱框架混凝土柱框架+核心筒钢核心筒钢 板剪力墙体系板剪力墙体系+外伸刚臂外伸刚臂 抗侧体系组合结构，公抗侧体系组合结构，公 寓楼结构体系为钢筋混寓楼结构体系为钢筋混 凝土凝土+剪力墙体系。檐高剪力墙体系。

17、檐高 为为336.9米。米。 .41 162层，高度为层，高度为818米，的米，的“迪拜塔迪拜塔” 需要一个坚实的基础，以支持重量可能需要一个坚实的基础，以支持重量可能 超过超过500，000吨的地面以上建筑。吨的地面以上建筑。 “迪拜塔迪拜塔”建造在一个建造在一个3.7米厚的三角米厚的三角 形结构的基座上，这个三角形基座由形结构的基座上，这个三角形基座由 192根直径为根直径为1.5米的钢管桩或支柱缸体米的钢管桩或支柱缸体 支持。这些钢管桩或支柱缸体深入地下支持。这些钢管桩或支柱缸体深入地下 50米。米。 .42 南宁永和大桥位于南宁市，横跨邕江，北连中华路，南接南建路，主孔净跨径南宁永和大

18、桥位于南宁市，横跨邕江，北连中华路，南接南建路，主孔净跨径 为为335.40m，是迄今为止的世界上最大跨度的下承式有推力，是迄今为止的世界上最大跨度的下承式有推力钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥。 .43 连徐高速公路京杭运河特大桥全长连徐高速公路京杭运河特大桥全长2577米，为三跨自锚式空间米，为三跨自锚式空间 曲线曲线，是当时国内跨径最大的提篮式钢管混凝，是当时国内跨径最大的提篮式钢管混凝 土拱桥，土拱桥，2001年年12月建成，荣获月建成，荣获“詹天佑土木工程大奖詹天佑土木工程大奖”。 .44 位于广州市环城高速公路，跨越珠江主航道，是一座位于广州市环城高速公路，跨越珠江主航道，是一座。 全

19、长全长1084米，主桥上部结构为米，主桥上部结构为3跨钢管混凝土中承式桁架肋系杆拱，跨越珠江跨钢管混凝土中承式桁架肋系杆拱，跨越珠江 主副航道、丫髻沙岛，跨径达主副航道、丫髻沙岛，跨径达360米，为当时世界同类桥梁第一。米，为当时世界同类桥梁第一。 .45 定义定义 亦简称外包钢结构，指在混凝土构件亦简称外包钢结构，指在混凝土构件 外部配置钢板或角钢的结构。外部配置钢板或角钢的结构。 它可以满足大中型工业厂房内固定各类管道线路而不它可以满足大中型工业厂房内固定各类管道线路而不 需设置预埋件，也可以可以用于已有建筑物的加固改需设置预埋件，也可以可以用于已有建筑物的加固改 造。造。 .46 .47

20、 外包钢加固柱外包钢加固柱 .48 .49 外包钢加固混凝土梁外包钢加固混凝土梁 .50 外包钢加固混凝土板外包钢加固混凝土板 .51 .52 由于组合结构的一系列优点，所以欧美国家及日本由于组合结构的一系列优点，所以欧美国家及日本 等国在等国在20世纪初即开始应用。世纪初即开始应用。 开始应用于欧美国家。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组合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土压型钢板与混凝土 的组合剪切计算的组合剪切计算。美国的。美国的Porter 和和Ekberg教授等首先在教授等首先在 实验的基础上，提出了组合面纵向剪切承载能力的计算实验的基础上，提出了组合

21、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。计算公式。 .53 我国从我国从20世纪世纪50年代开始，首先在桥梁结构中应年代开始，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与应用中的一个关键问题是连接问题连接问题。美国、英。美

22、国、英 国等首先用推出实验得出剪切连接件强度计算公国等首先用推出实验得出剪切连接件强度计算公 式，并纳入英国规范式，并纳入英国规范CP110；我国的郑州工学院、；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哈尔滨建工学院、清华大学等先后开展了研究工 作。作。钢结构设计规范钢结构设计规范(GBJ17-88)首次将组合首次将组合 梁的设计方法纳入规范。梁的设计方法纳入规范。 .54 关于关于的计算理论，国际上主要有三的计算理论，国际上主要有三 种类型：种类型：欧美的计算理论基于钢结构的计算方法，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考

23、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。正，突出反映在组合柱的计算上。前苏联关于型钢前苏联关于型钢 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。验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全。第第 三种类型是日本建立在三种类型是日本建立在叠加理论基础上的方法叠加理论基础上的方法，认为，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型钢混凝土结构的承载能力是型钢与混凝土两者承载

24、 力的叠加。比较证明，日本的计算方法偏于安全。力的叠加。比较证明，日本的计算方法偏于安全。 本文介绍的计算方法 .55 我国在我国在方面的研究与应用始于方面的研究与应用始于20世世 纪纪80年代初。西安建筑科技大学、冶金部建筑研究总年代初。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，并于院等科研单位最早对其进行研究，并于1989年提出了年提出了 型钢混凝土结构设计建议型钢混凝土结构设计建议。1997年主要参考日本年主要参考日本 规程，原冶金部颁发了行业标准规程，原冶金部颁发了行业标准钢骨混凝土结构设钢骨混凝土结构设 计规程计规程（YB9082-97)；2001年又根据我国的研究成年又根据我国的研究成 果和和设计经验，由建设部颁布了果和和设计经验，由建设部颁布了型钢混凝土组合型钢混凝土组合 结构技术规程（结构技术规程（JGJ 138-2001）。 .56 早在早在1879年英国就在铁路桥的建设中应用了年英国就在铁路桥的建设中应用了 ，随后，美国、法国、前苏联和日本等相，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，尤其是超高层结继将钢管混凝土结构应用于