部分包覆钢-混凝土组合结构理论研究与实践

部分包覆覆钢-混凝土组组合结构构

理论论研究与与工程实实践Research&PracticeofPECStructures陈以一李杰同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com主要内容容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学、精工集团浙江绿筑研究成果？主要内容容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学、精工集团浙江绿筑研究成果？PEC结构工程程应用及及特点PEC：PartiallyEncasedComposite➔部分包覆覆钢-混凝土组组合结构构PartiallyEncasedCompositeStructuresofSteelandConcrete陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系在开口截面形式的钢构件（主钢件）外包轮廓范围内，填充以混凝土、并可依据性能要求选择布置纵筋、箍筋、连杆、栓钉等配件的结构构件。1-H钢（开口截面主钢件）；2-包覆混凝土；3-箍筋；4-纵筋；5-连杆；6-抗剪件（栓钉）构件截面构成Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程程应用及及特点部分包覆覆钢-混凝土组组合结构构在建筑筑工程中中的应用用高层建筑筑结构的全全部构件件或主要要受力构构件采用用部分包包覆组合合构件结构中的的某类构构件采用用部分包包覆组合合构件这类结构构，已在在欧洲得得到一定定程度的的应用，，所建高高层建筑筑可达30来层。卢森堡某某办公公楼陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程程应用及及特点部分包覆覆钢-混凝土组组合结构构在建筑筑工程中中的应用用罗马尼亚亚布加勒斯特中中央国际大大厦共29层PEC柱+S梁+支撑2007年竣工进行了抗风、、抗震和抗连连续性倒塌设设计高层建筑结构的全部构构件或主要受受力构件采用用部分包覆组组合构件结构中的某类类构件采用部部分包覆组合合构件这类结构，已已在欧洲得到到一定程度的的应用，所建建高层建筑可可达30来层。PEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用多层建筑比利时根特特法院陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系纽约市办公楼楼（钢柱+PEC梁）Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用多层建筑陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系绍兴市行政中中心配套住宅宅2017（国内首栋PEC框架结构，浙江绿筑集成成科技有限公公司设计建造）2栋5层，2栋1层，共计3500m2PEC框架结构，预预制叠合楼板板，外挂墙板板PEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用多层建筑绍兴市行政中中心配套住宅宅2017（国内首栋PEC框架结构，浙江绿筑集成成科技有限公公司设计建造）2栋5层，2栋1层，共计3500m2PEC框架结构，预预制叠合楼板板，外挂墙板板陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用多层建筑盘锦市实验小小学2018（浙江绿筑设计计）抗震设防烈度度为七度，抗抗震设防类别别为乙类，耐耐火等级为二二级。总建筑面积12847m2，地上4层，层高3900mm。PEC框架结构体系系，楼板采用用钢筋桁架叠叠合板。陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用低层建筑华建实验楼2018建筑位于上海海市浦东新区区，用于工业化建筑的的先锋技术展展示2层PEC框架结构首层高度为3400mm，二层高度3100mm。陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用低层建筑（（采用PEC构件）陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系分层装配式村村镇建筑2017（上海泰大建建筑科技有限公司喜鹊房屋）梁为PEC，NH250ⅹⅹ125ⅹ6ⅹ9，最大跨度6m，跨高比24柱为方钢管，，预制叠合混混凝土楼板Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点部分包覆钢-混凝土组合结结构在建筑工工程中的应用用高层住宅（（PEC剪力墙构件））陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系地下1层、地地上16层商商品房住宅，，面积4300平米。采用PEC框框架-剪力墙墙结构（PEC柱、PEC梁、PEC墙）。外墙采用外挂挂--双层墙系统。。采用管线分离离和集成厨卫卫。装配率高达90%。Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC结构得以推广广应用的原因因？陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂。纯钢构的板件件失稳模态PEC的钢板件失稳稳模态腹板失稳被抑抑制翼缘失稳模态态改变稳定临界应力力提高PEC采用系杆拉接接翼缘翼缘失稳进一一步抑制稳定承载力更更加提高Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂。表面保护作用用（防火防腐腐）：内填混凝土可以减减少主钢件部分表面的防火防防腐涂层但保保持同样的性性能要求（经济性优势势）纯钢截面8个表面需要防防护仅上下表面和和翼缘侧端需需要防护当上覆混凝土土楼板时防护面积可进进一步减少Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂表面保护作用用（防火防腐腐）：内填混凝土可以减减少主钢件部分表面的防火防防腐涂层但保保持同样的性性能要求（经济性优势势）可预制性海外-预制场地，双双面填筑国内-预制工厂，可可单面填筑，，一次成型Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com精工绿筑预制制制造工厂内内景PEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂。表面保护作用用（防火防腐腐）：内填混凝土可以减减少主钢件部分表面的防火防防腐涂层但保保持同样的性性能要求（经济性优势势）预制性装配性：现场连接采用用钢结构方式式Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂。表面保护作用用（防火防腐腐）：内填混凝土可以减减少主钢件部分表面的防火防防腐涂层但保保持同样的性性能要求（经济性优势势）预制性装配性：现场连接采用用钢结构方式式内装施工性H钢梁现场砖块填充预制PEC梁表面平整Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC结构工程应用用及特点PEC构件的特点组合作用（约约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的的局部稳定性性，通过增加加整个截面的的抗弯和抗扭扭刚度提高纯纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束束和其他配件一定程度上抑抑制混凝土裂裂缝早期开裂裂。表面保护作用用（防火防腐腐）：内填混凝土可以减减少主钢件部分表面的防火防防腐涂层但保保持同样的性性能要求（经济性优势势）预制性装配性：现场连接采用用钢结构方式式内装施工性一定程度轻量量化陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com主要内容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学--精工集团浙江绿筑合作研究？在编CECS规程主要章节节材料基本设计规定梁设计柱和支撑设计节点设计抗震措施和抗震计算制作安装和涂装施工验收在编CECS规程主要章节节基本设计规定项次结构类型非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度0.20g0.30g1框架结构7060504535242框架-支撑结构220200170150110703框架-钢筋混凝土剪力墙结构15013012010080504框架-钢筋混凝土核心筒结构24022019015013070结构的最大适适用高度（m）结构类型弹性相对位移限值弹塑性相对位移限值框架结构框架-支撑结构1/4001/50框架-钢筋混凝土剪力墙结构框架-钢筋混凝土核心筒结构1/8001/100多高层结构楼楼层相对位移移限值跨度挠度限值l0<7ml0/200(l0/250)7m≤l0<9ml0/250(l0/300)l0≥9ml0/300(l0/400)部分包覆钢-混凝土组合梁梁的最大挠度度限值（mm）在编CECS规程主要章节节节点设计同轴梁段拼接节点梁柱节点-栓焊连接梁柱节点-全螺栓连接主次梁节点在编CECS规程主要章节节梁设计柱和支撑设计主要内容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学--精工集团浙江绿筑合作研究？梁的设计计算算适用截面两类基本截面面形式和弯曲曲轴1-H形钢（主钢件）；2-预制混凝土；3-箍筋；4-纵向钢筋；5-翼缘板；6-抗剪连接件（栓钉）梁的计算仅针对绕强轴弯曲分类构件设计要求宽厚比最大值（b0/tf）1构件发生充分塑性转动≤9εa2截面达到塑性弯矩≤14εa3钢组件截面边缘可达到钢材屈服强度≤20εa截面宽厚比规定主钢件受压翼缘外伸部分主钢件腹板高厚比hw/tw≤124εa翼缘宽度bf为，连杆间距记为s1，则当s1/bf≤0.5时，表列宽厚比限值可放大1.5倍当0.5<s1/bf<≤1，表列宽厚比限值可在1.0~

1.5倍间插值连杆矩形截面梁T形截面梁陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com梁的设计计算算结构分析方法法与构件计算算非地震作用组组合情况下的的内力分析方方法采用弹性分析析，不考虑混凝凝土开裂，对弹性分析结结果采用弯矩矩调幅法考虑虑负弯矩区混混凝土开裂以以及截面塑性性发展的影响响，内力调幅幅系数不宜超超过30%陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系构件计算规定定承载力计算（（抗弯、抗剪剪）挠度验算裂缝宽度验算算Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com梁的设计计算算受弯承载力计计算（矩形截面梁梁）极限状态基本本假定（1）主钢件与混凝土可靠靠连接,不计相对滑移；（2）受压区混凝土均达到轴心抗压压强度，不计受拉区混凝土土的作用；主钢件应力均达到钢材屈服强度；（3）梁腹部纵向向钢筋均匀受受拉或受压，，其应力均达到屈服强度度

极限状态应力分布模式

计算公式Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com梁的设计计算算受弯承载力计计算（T形截面梁）T形截面梁正负负弯矩和不同同中和轴位置置时的受弯承承载力计算——图式和公式陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系PEC梁的受弯整体体稳定承载力力计算？Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com梁的设计计算算T形截面梁（有有楼板组合梁梁）抗剪件计计算陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系抗剪承载力可可仅考虑主钢钢件腹板贡献献抗剪承载力计计算一般不需考虑虑弯、剪耦合合作用对承载载力的影响，，但对于T形截面梁承受受负弯矩，且且，，对腹腹板强度进行行折减Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com梁的设计计算算例：框架梁挠挠度计算--《组合结构设设计规范》固固定反弯点0.1L，正、负等刚刚度整体分析得到到梁截面内力力--读PKPM梁内力结果梁长L弯矩梁长L弯矩曲线拟合折线拟合梁的设计计算算连续梁挠度计计算--规范固定反弯弯点0.1L，正、负等刚刚度求得反弯点位位置，正弯矩矩区折减刚度度，负弯矩区平均等等效刚度弯矩求反弯点位置梁长L梁长L曲率求曲率梁的设计计算算连续梁挠度计计算--规范固定反弯弯点0.1L，正、负等刚刚度求曲率积分得得到任意截面面挠度曲率积分梁长挠度梁长12m，跨中最大挠挠度0.02m梁的设计计算算截面构造设计计

主钢件截面不设置连杆时的构造腹板的填充混凝土应配纵向钢筋和箍筋设置箍筋时，箍筋可通过直径大于10mm、焊接在腹板上的栓钉连接，也可将箍筋焊接在腹板上，或箍筋穿过腹板连接

主钢件截面设置连杆时的构造Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com柱的设计计算算适用截面条件件单H钢PEC构件截面宽厚比规规定主钢件受压翼翼缘外伸部分分陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系√√本版规程尚未列入翼缘宽度bf为，连杆间距记为s1，则当s1/bf≤0.5时，表列宽厚比限值可放大1.5倍当0.5<s1/bf<≤1，表列宽厚比限值可在1.0~

1.5倍间插值连杆分类构件设计要求宽厚比最大值（b0/tf）1构件发生充分塑性转动≤9εa2截面达到塑性弯矩≤14εa3钢组件截面边缘可达到钢材屈服强度≤20εa与梁构件相同钢材强度Q235~Q460混凝土强度等级C30~C60钢贡献率满足主钢件与纵筋面积<全面积20%截面高宽比宜在0.9~4.0之间柱的设计计算算轴心受压构件件承载力计算算截面承载力(强度)Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comPEC柱子试验与柱子曲线比较（绕弱轴失稳）长柱：均值1.036

标准差0.099短柱：均值1.034标准差0.110构件承载力(整体稳定)——对H形钢强轴采用钢结构设计标准GB50017规定的b曲线对H形钢弱轴，采用钢结构设计标准GB50017规定的c曲线计算长细比时回转半径的规定陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系柱的设计计算算单向压弯构件件承载力计算算截面压弯承载载力陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系极限状态应力力假定与受弯弯构件截面一一致轴力-弯矩相相关关关系及及其简简化绕强轴轴压弯弯绕弱轴轴压弯弯IIIIII截面强度计算公式（适用绕强、弱轴弯曲）I区：II区：其中：——

特征轴力，规程规定了计算方法——

轴心受压时截面承载力设计值——

受弯时截面承载力设计值，分别采用规程规定了计算方法Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com柱的设设计计计算单向压压弯构构件承承载力力计算算截面压压弯承承载力力极限状状态应应力假假定与与受弯弯构件件截面面一致致轴力-弯矩相相关关关系及及其简简化强度公公式与与试验验比较较(绕强轴轴压弯弯)I区：II区：绕强轴轴压弯弯试验样样本42均值1.499标准差差0.367绕强轴轴压弯弯绕弱轴轴压弯弯IIIIII柱的设设计计计算单向压压弯构构件承承载力力计算算陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系整体稳定承载力折减系数

ke取0.5弯矩作用平面内的整体稳定计算弯矩作用平面内的整体稳定计算稳定公式与试验比较(绕强轴压弯)试验样本13均值1.493标准差0.482强度计算公式稳定计算公式受剪承载力Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com柱的设设计计计算单向压压弯构构件承承载力力计算算受剪承载力整体稳定承载力折减系数

ke取0.5弯矩作用平面内的整体稳定计算弯矩作用平面外的整体稳定计算稳定公公式与与试验验比较较(绕弱轴轴压弯弯)试验样样本18均值1.531标准差差0.397强度计算公式稳定计算公式Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com柱的设设计计计算双向压压弯构构件承承载力力计算算截面承承载能能力极极限状状态理论极极限状状态承承载力力相关关曲面面Vs设计假假定曲曲面截面压弯承载力计算公式同时满足以下方程II区：I区：Email：yiyichen@;tongjilijie@163.comI

II

与两组试验数据比较试验样本17陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系柱的设设计计计算双向压压弯构构件承承载力力计算算陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系构件承载力计算公式（稳定性）Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com受剪承载力计算公式剪力平行H钢腹板：剪力垂直H钢腹板：主要内内容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学--精工集团浙江绿筑合作研究？需继续续解决决的构构件设设计课课题陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系受弯构构件长长期受受荷条条件下下的刚刚度计计算双H钢截面面构造造和设设计方方法PEC墙构造造和设设计方方法（（竖向向承重重+抗侧））Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com主要内内容陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系Email：yiyichen@;tongjilijie@163.com什么是PEC?在编CECS规程包含哪些内容？梁柱如何设计计算？构件设计还有那些课题？同济大学--精工集团浙江绿筑合作研究？PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）梁、柱柱试验验0.03TestSpecimenRigid

arm弹性可可保持持到相相对转转角1/200构件延延性系系数可可达到到3以上H钢受压压翼缘缘宽厚厚比超超过14仍可发发展较较大塑塑性变变形极限分分析假假定得得到的的截面面抗弯弯承载载力与与试验验吻合合上述性性能可可在不不配置置腹板板栓钉钉的条条件下下达到到纵向钢钢筋对对抑制制混凝凝土表表面裂裂缝开开展起起到作作用FFpredicted1/501/30FFpredicted1/501/30弹性可可保持持到相相对侧侧移1/200试件承承载力力均能能达到到或超超过塑塑性极极限分分析预预测结结果承载力力下降降15%时绕强强轴压压弯可可达1/25相对侧侧移；；绕弱弱轴压压弯可可达1/40~1/30柱轴压压力如如超过过H钢屈服服轴压压力，，极限限后延延性变变差栓钉构构造可可以省省略，，但连连杆连连接可可靠性性是保保证后后期变变形能能力的的重要要环节节0.0051/2001/200PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）梁柱节节点试试验Bolt

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plateinbeamPrecastCastonsiteDivisionplateTierodPEC构件力力学性性能试试验（（同济济）梁柱节节点试试验Testconnection装配式式节点点可有有效抵抵抗正正负弯弯矩；；保证证弹性性阶段段的节节点达达到刚刚性以节点点破坏坏为控控制模模式的的试件件呈剪剪切破破坏，，其承承载力力可准准确预预测节点极极限承承载力力时节节点剪剪切变变形可可达0.03rad；承载载力下下降15%左右时时，剪剪切变变形可可达0.05~0.06rad,节点延延性系系数可可达10左右，，与混混凝土土节点点抗剪剪时的的脆性性特征征显著著不同同BeamF-curvesConnectionF-curvesPEC节点试试验研究（（同济济）PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）梁裂缝缝宽度度试验验梁裂缝缝宽度度试验验PEC构件力力学性性能试试验（（同济济）同济大大学--浙江绿绿筑合合作开开展配配套楼楼盖试试验研研究SP板叠合合楼板板降板板节点点抗剪剪试验验同济大大学--浙江绿绿筑合合作开开展配配套楼楼盖试试验研研究透视图图透视图图PEC剪力墙构件典型截面扁钢工字钢混凝土PEC剪力力墙结结构研研发与与实