《混凝土结构应》PPT课件.ppt

混凝土结构原理及应用,教学层次：工程硕士 主 讲：范 涛,2,混凝土结构原理及应用,第一篇 混凝土结构原理 1. 绪 论 2.混凝土和钢筋的材料性能 3.混凝土结构基本计算原则 4.钢筋混凝土基本构件的承载力和变形 5.预应力混凝土结构构件 第二篇 混凝土结构的应用 1. 混凝土结构的鉴定与加固 2.钢与混凝土组合结构,3,2. 钢与混凝土组合结构,第一节 概述 第二节 钢骨混凝土梁设计,4,第一节 概述,一、钢与混凝土组合结构的范畴 多高层钢结构体系中，梁可采用钢骨混凝土结构或钢与混凝土组合梁；柱可采用钢管混凝土结构或钢骨混凝土结构；楼板可采用压型钢板与混凝土组合楼板等。 由钢与混凝土两种材料组成整体而共同工作的构件称为组合构件。由组合构件可构成组合结构。,5,第一节 概述,1钢与混凝土组合梁 钢与混凝土组合梁由钢梁和钢筋混凝土板以及两者之间的剪切连接件组成。工程中常采用不对称组合梁，钢梁主要有以下几种形式： (如图1.1所示) (1)三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成。 (2)将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板。 (3)将工字钢沿腹板纵向割开，然后将不同大小的半工字钢对焊而成。 (4)蜂窝梁,6,第一节 概述,1钢与混凝土组合梁 组合梁中的剪切连接件的主要作用有： (1)抵抗混凝土板与钢梁叠合面上的纵向剪力，使两者不能自由滑移。 (2)抵抗使混凝土板与钢梁具有分离趋势的“掀起力”。 剪切连接件的形式：分为柔性连接件(带头栓钉、斜钢筋、环形钢筋、带直角弯钩的短钢筋)和刚性连接件(块式连接件)。,7,第一节 概述,2钢管混凝土结构 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而构成的构件，按截面形式的不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。 钢管混凝土目前已被广泛应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、地铁站台柱、各种支架柱、送变电塔杆、桁架主要压杆、高层建筑和拱架等结构形式中。,8,第一节 概述,3劲性钢筋混凝土(钢骨混凝土)结构 劲性钢筋混凝土构件是在混凝土中主要配置型钢也配有构造钢筋及少量受力钢筋的构件。 配钢(钢骨)的形式可分为实腹式型钢和空腹式配钢两大类。 实腹式型钢主要有工字钢、槽钢及H型钢；空腹式配钢是由角钢构成的空间桁架式的骨架。 钢骨混凝土与钢筋混凝土最显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。,9,第一节 概述,4压型钢板与混凝土组合楼板 压型钢板与混凝土组合楼板兴起于20世纪90年代，开始仅作为楼板的永久性模板。 我国自20世纪肋年代以来逐步推广，主要在北京长富宫中心、京城大厦、香格里拉饭店，上海的锦江饭店、静安饭店，深圳的发展中心大厦、深圳大学，沈阳沈海热电厂的平台等得到应用。由于此种结构的大量使用，带动了相关理论的研究。,10,二、钢与混凝土组合梁结构,钢材是性能优良的抗拉材料，而混凝土则是良好的抗压材料。我们欲改变材料的使用方法，其选择可分两类，一是选择合适的材料形成具有所需特性的复合材料，如玻璃纤维、水泥、添加外加剂的混凝土以及合金钢和耐火耐侯钢材等；二是将不同的材料按最佳的几何构造布置，使每种材料因所放置的特定位置而发挥各自的特点，钢与混凝土组合即是这种选择的结果之一。 这种结构有效地利用了混凝土和钢的最佳特点，梁的主要受力特点是承受弯矩和剪力，而为了抵抗力矩，两种材料被合理地布置在顶部和底部以得到最大的力臂，而竖向腹板则承担了大部分的剪力。,11,二、钢与混凝土组合梁结构,（一）钢与混凝土组合梁的类型 钢混凝土组合梁可以分为外包混凝土的组合梁及钢梁外露的组合梁两种。 外包混凝土的组合梁是对钢梁围上足够的箍筋后再用混凝土将钢梁包上。这种形式早在19世纪初期就已经出现，当时主要是出于对结构防火要求考虑的，以后才按钢与混凝土共同工作来计算梁的强度。它的计算原理属于钢筋混凝土结构范畴，在我国称之为“劲性钢筋混凝土或钢骨混凝土梁”。 本节只讨论钢梁外露的组合梁。,12,二、 钢与混凝土组合梁结构,（一）钢与混凝土组合梁的类型,图1.2 外包混凝土的组合梁,13,二、 钢与混凝土组合梁结构,（一）钢与混凝土组合梁的类型,图1.3 钢梁外露的组合梁,14,二、 钢与混凝土组合梁结构,钢梁外露的钢混凝土组合梁的 截面由四部分组成： 1钢筋混凝土翼板 在平台结构或桥梁结构中， 它是楼板或桥面板的本身。对于独立的组合梁，作为翼板的钢筋混凝土板除可提高构件的强度及变形性能外，还可防止梁的出平面失稳。 翼板的形式除为图所示常见的现浇混凝土楼板外，生产实践中还出现了多种结构形式，如：压型钢板的组合楼板、预制装配式钢筋混凝土板等。,15,二、 钢与混凝土组合梁结构,1钢筋混凝土翼板 (1)压型钢板的组合楼板：这种楼板利用成形的压型钢板铺设在钢梁上，通过连接件和钢梁的上翼缘焊牢，然后在压型钢板上浇灌混凝土构成。压型钢板可以当作模板并承担施工荷载；混凝土硬化后钢板还可兼作配筋。这种楼板施工便捷，能加快施工进度；缺点是用钢量多些；一般用于高层钢结构或某些工业厂房楼盖中。从压型钢板的铺设方向来看，它又可分为压型钢板肋平行于钢梁和垂直于钢梁的两种。前者是采用主次梁楼板体系中将压型钢板搁置在次梁上时的组合主梁；后者是压型钢板直接搁置在钢梁上的组合梁。,16,二、 钢与混凝土组合梁结构,(1)压型钢板的组合楼板：,(a)压型钢板楼板的组合梁；肋平行于钢梁；,(b)压型钢板楼板的组合梁； 肋垂直于钢梁；,图1.4 组合梁的翼板,17,二、 钢与混凝土组合梁结构,(1)压型钢板的组合楼板：,(c) 预制钢筋混凝土板，板跨平行于钢梁；,(d)预制钢筋混凝土板，板跨垂直于钢梁,图1.4 组合梁的翼板,18,二、 钢与混凝土组合梁结构,2板托 板托是在混凝土翼板与钢梁上翼缘之间的混凝土局部加肥部分，见图1.3。板托有时是专门设置的，有时是由于客观上存在着某个空间而必需设置的，有时也可以不设。设置板托虽然会给模板施工及配筋带来一些麻烦，但也带来不少好处。首先，由于设置板托增加了截面总高度，可以节省钢材；其次，可以在不改变钢筋混凝土翼板厚度的情况下改变板托高度为结构顶面找坡；当翼板厚度有限而抗剪连接件高度较大时，板托可以为连接件提供一个设置空间；最后，板托还可以改善钢筋混凝土板的横向受弯性能。,19,二、 钢与混凝土组合梁结构,3抗剪连接件 抗剪连接件是钢筋混凝土翼板与钢梁共同工作的基础，它主要是用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力，抵抗两者之间的相对滑移。 4钢梁 钢梁在组合梁中主要是处于受拉状态，故有时又称为“钢部件”。为了充分发挥钢梁的效能，钢梁一般作成如下图所示的形式:,20,二、 钢与混凝土组合梁结构,4钢梁:钢梁在组合梁中主要处于受拉状态，故又是又称为“钢部件”。（如图1.5 钢部件形式） (1)工字形钢梁如图(a)所示：工字形钢梁加工简便，但过大的工字形钢供货不多。一般用于楼盖的次梁组合梁。 (2)钢板梁如图(b)、(c)、(d)所示：大型组合梁的钢部件一般用钢板拼焊而成，为了充分利用钢材，一般可作成对横轴非对称的，见图(b)，或在下翼缘加焊盖板见图(c)，个别也有设计成倒T形钢部件的，见图(d)。楼盖的组合主梁、组合桥梁、组合吊车梁等大多用钢板梁作钢部件。,21,二、 钢与混凝土组合梁结构,4钢梁 (2)钢板梁如图(b)、(c)、(d)所示: 或在下翼缘加焊盖板见图(c)，个别也有设计成倒T形钢部件的，见图(d)。 楼盖的组合主梁、组合桥梁、组合吊车梁等大多用钢板梁作钢部件。,22,二、 钢与混凝土组合梁结构,4钢梁 (3)箱形钢梁：大型组合梁中的钢部件还可以设计成箱形钢梁，箱形截面钢梁的整体稳定性好，结构高度可做得小一些，承载能力亦高。见图(e) (4)蜂窝梁如图(f )：蜂窝梁是用工字形钢经过切割后再错位拼焊而成，其截面高度可比原来的工字钢增加不少，具有刚度大，省钢和可穿行管线等优点，但略为费工。,图(e),图(f ),23,二、 钢与混凝土组合梁结构,（二）钢混凝土组合梁的优缺点 组合梁由于能按各组成部件所处的受力位置和特点，较大限度地充分发挥出钢与混凝土各自材料的特性，不但满足了结构的功能要求，而且还有较好的经济效益。 实践表明，组合梁方案与钢结构方案相比，可节省钢材2040，每平方米造价可降低10-30。 组合梁方案与钢梁方案相比，截面刚度大，梁的挠度可减少1/31/2；此外，还可提高梁的自振频率。,24,二、 钢与混凝土组合梁结构,（二）钢混凝土组合梁的优缺点 组合梁方案与钢梁或钢筋混凝土梁方案相比，可减少结构高度。对于高层结构，若每层减少十几厘米，数十层累计将是一个可观的数字。从而，即可降低整个房屋的造价。 组合梁方案与钢筋混凝土梁方案相比，除可省去梁身混凝土外，还可自由地用焊接固定管线装置。在电站厂房结构中，埋件用钢量占全部用钢量的3.57，采用组合梁方案时，它的优点就更加突出。这时候，除可节省大量埋件用钢材外，还可有效地加快设计与施工的进度。,25,二、 钢与混凝土组合梁结构,（二）钢混凝土组合梁的优缺点 组合梁方案由于它的整体性强，抗剪性能好，表现出良好的耐震性能。组合梁一开始出现就广泛地在桥梁结构中应用，我国在20世纪60年代采用组合梁方案设计建造的某煤矿井塔结构，使用中常年受振动作用，但至今仍完好无恙；又如某电厂采用组合梁方案的平台结构还经受了地震的考验等，这都说明组合梁具有相当好的耐震性能。 可以利用钢梁作混凝土楼板的模板支承，以节约费用。对于高度较高的大跨度结构，如栈桥等，这一优点将更为突出。,26,二、 钢与混凝土组合梁结构,（二）钢混凝土组合梁的优缺点 组合梁不足之处主要表现为： 耐火等级差，对耐火要求高的结构，需对钢梁涂耐火涂料，或做其他防护措施。 在钢梁制作过程中需要增加一道焊接连接件的工序，有的连接件需用专门的焊接工艺；有的连接件在钢梁吊装就位后还需进行现场校正。此外，在钢梁上焊上连接件后，吊装时就不便于在其上行走。,27,二、 钢与混凝土组合梁结构,（三）钢混凝土组合梁发展概况 钢混凝土组合梁大致可以分为三个发展阶段： 组合梁大约出现于19世纪末和20世纪初。当时主要考虑防火的要求在钢梁外面包混凝土，而未考虑两者的组合工作效应。随后在20世纪20年代至30年代期间，即出现了在钢梁与覆盖的混凝土之间加入各式各样连接件的构造方法。 从20世纪d0年代到60年代可以认为是组合梁发展的第二阶段。这时，对组合梁有了深入、细致、全面的研究和应用；几乎所有技术先进的国家，如美国、英国、德国、加拿大及前苏联等国都制定了有关组合梁的设计规范或规程。,28,二、 钢与混凝土组合梁结构,（三）钢混凝土组合梁发展概况 在这期间组合梁的设计理论也逐渐完善了。大致在20世纪60年代以前，基本上按弹性理论进行分析，20世纪60年代开始则逐步转为按塑性理论分析。 从20世纪70年代开始，可以认为是组合梁发展的第三阶段，一些主要产钢国家，20世纪70年代曾促进了建筑钢结构的发展并使钢结构一直处于各类结构的领先地位。然而，当组合结构兴起之后，从上世纪70年代开始，它的发展几乎日趋赶上钢结构，且在一定的领域内能够代替钢结构及钢筋混凝土结构。,29,二、 钢与混凝土组合梁结构,（三）钢混凝土组合梁发展概况 在我国，组合梁应用的起步也不算太晚，在交通、冶金、电力、煤矿等系统中都有应用。 在20世纪50年代建成的长江大桥，其上层公路桥的纵梁(跨度18m，梁距1.8m)就采用了组合梁；铁道部还编制了钢筋混凝土板与钢梁联合梁通用图，梁的跨度达到44m；交通部1974年颁行的公路桥涵设计规范中亦有组合梁的专门条款；北京钢铁设计研究总院设计并建成了18m跨的吊车梁；近年来电力系统及冶金系统厂房中的平台结构，采用组合梁的方案的亦极为广泛；组合梁除在一般的民用及公共建筑中已有应用外，1985年开始，组合楼盖在高层钢结构中又得到应用。,30,三、钢管混凝土,钢管混凝土由于具有承载力高，抗震性能好，节约钢材和施工简捷等突出的优点，因而近十年来，在高层建筑和其他结构体系中得到推广应用，发展十分迅速。钢管有圆形和方形之分。此两种形式的钢管混凝土在工程中都已应用，而圆钢管混凝土和方钢管混凝土的力学行为有着重大差别，圆钢管因能有效地约束核心混凝土，从而使其混凝土的抗压强度和变形能力都有显著提高。本节仅对圆钢管混凝土柱作简要介绍。,31,三、钢管混凝土,（一）钢管混凝土的基本原理 钢管混凝土是由普通混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合材料，如所示。其工作的基本原理是： (1)借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性。 (2)借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形能力。,图1.6 钢管混凝土,32,三、钢管混凝土,（二）钢管混凝土结构对材料的要求 (1)钢管可采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管和无缝钢管。焊接必须采用对接焊缝，并达到与母材等强的要求。 (2)混凝土采用普通混凝土，其强度等级不宜低于C30。 钢材的弹性模量和强度设计值及混凝土的弹性模量和强度设计值按有关规范采用。,33,三、钢管混凝土,（二）钢管混凝土结构的特点 (1)受压构件的承载力大幅度提高 如前所述，一方面由于受压钢管混凝土构件中的核芯混凝土处于三向受压应力状态，混凝土的抗压强度和变形能力显著增强，因而受压构件的承载力得到大大提高。另外，当薄壁钢管构件本身单独受压时，由于易发生局部失稳，其承载力较低，实际承载力往往只有理论计算值的l4l50但当管中灌有混凝土形成轴心受压钢管混凝土构件后，薄壁钢管的局部稳定便得到了 保证，从而大大提高了结构的承载能力。,34,三、钢管混凝土,(2)具有良好的塑性和韧性 混凝土破坏时通常表现为脆性特征。但大量试验证明：受压钢管混凝土构件中的核芯混凝土因处于三向受压状态时，材料呈现塑性性状，试验结果表明，钢管混凝土柱破坏时形成显著的鼓曲状态，试件可以压缩到原长的23，完全没有脆性破坏的特征。至于钢管混凝土的韧性，哈尔滨建筑大学于1998年曾进行一系列钢管混凝土构件在设计轴压比等于l情况下滞回性能的试验研究，结果表明，钢管混凝土构件在大轴压比情况下仍然具有较好的耗能能力和延性，特别适合于抗震结构和直接承受动荷载的结构。,35,三、钢管混凝土,（3）施工简便，缩短工期 从施工角度讲，钢管混凝土结构具有如下优点： 柱可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造。 和钢筋混凝土结构相比，钢管本身就是耐侧压的模板，免除了支模、绑扎钢筋和拆模等复杂工序。 因管内无钢筋，核芯混凝土浇灌容易，且可适应泵送和免振自密实混凝土等施工工艺，加速钢管混凝土构件的施工进度。 钢管混凝土构件截面形状通常比钢结构构件简单，焊缝少，易于制作。特别是组成钢管混凝土构件的钢管壁厚一般均较小，现场拼接对焊简便快捷。,36,三、钢管混凝土,（3）施工简便，缩短工期 钢管本身兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工。钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，从而可简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。 在寒冷地区，可以安装空钢管骨架，开春后再浇灌混凝土，施工不受季节的限制。 缺点：与钢筋混凝土结构相比，耐火性能较差，易锈蚀。另外，圆钢管混凝土的节点构造难度较大。,37,三、钢管混凝土,(4)经济效果显著 如前所述，钢管混凝土结构可充分发挥两种材料各自的优势，不仅承载力高，而且与全钢结构相比，采用钢管混凝土柱可节约钢材50左右，其工程造价也可降低45。和钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土6070，减轻结构自重50以上，其耗钢量和造价略为偏高或基本持平。,38,三、钢管混凝土,（三） 钢管混凝土结构的发展及应用 钢管混凝土结构早在19世纪80年代就出现了。到目前为止，这种结构在土木工程中的应用已有百年历史。由于钢管混凝土具有优越的力学性能和良好的经济效益，一开始便受到美欧各国土木工程界的重视，并先后竞相开发利用。 我国从1959年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用，1963年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。 20世纪70年代以后，钢管混凝土柱又在我国冶金、造船、电力等部门的单层厂房和重型构架中得到成功的应用，总数又上百个工程。,39,三、钢管混凝土,（三） 钢管混凝土结构的发展及应用 我国绝大部分高层建筑采用的是钢筋混凝土结构体系。但随着高度超过100m的超高层建筑大量兴建，在高强混凝土还部普及的 20世纪80年代后期，人们开始应用钢管混凝土柱以解决“胖柱”问题。 例如： 北京国际贸易中心塔楼的原结构设计由美国提供，采用的是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土柱的截面设计尺寸为2200mm2200mm，十分笨重。后改用了国内的钢管混凝土设计方案后#，钢管砼柱的截面仅为1400mm30mm，截面面积减少了2/3。,40,三、钢管混凝土,（三） 钢管混凝土结构的发展及应用 全国闻名的深圳赛格广场大厦，采用了钢管砼结构设计，其钢管砼柱最大截面仅为1600mm28mm，若用钢筋混凝土柱，截面则应为2400mm2200mm，柱截面面积减少了63， 粗略估算，整个大厦增加了使用面积80000多平方米。显然，采用钢管砼结构的高层建筑其经济效益非常显著。 90年代，我国的钢管混凝土工程应用也进入成熟阶段并居世界前列，将其拓展为公路与城市拱桥和高层与超高层建筑的两大工程应用领域。近10年来，我国达百米和超过百米的钢管砼结构的高层建筑已有47多座。其中最高就是深圳72层的赛格广场大厦，结构高度291.6m，堪称世界之最。,41,四、压型钢板与混凝组合楼板,压型钢板与混凝土组合楼板是一种新型的楼板结构。这种结构已在国外被广泛地应用于工业与民用建筑中。随着压型钢板在我国建筑工程中的推广应用，自1984年以来我国兴建的高层钢结构建筑中大部分采用组合楼盖；例如： 上海瑞金大厦，27层，高107m，10层以上为压型钢板一混凝土板，梁上焊有一排或两排16栓钉抗剪连接件，间距230mm。 北京香格里拉饭店，26层，高8275m，采用预制钢筋混凝土板与钢梁的组合，用22107两排栓钉及两个钢筋卡子作为剪力连接件。,42,四、压型钢板与混凝组合楼板,北京京城大厦，52层，高1835m，为了提高梁的承载力及刚度，楼层主次梁全部采用19或16栓钉剪力连接件，使钢梁与楼盖连成整体，形成“压型钢板一混凝土板”组合楼盖。 还有：26层的北京长富宫中心、53层的京广中心、39层的中国国际贸易中心、41层的深圳发展中心大厦、37层的上海国际贸易中心大楼、43层的上海静安希尔顿酒店等工程，均采用了栓钉作剪力连接件的“压型钢板一混凝土板”组合楼盖，不仅提高了结构承载力和刚度，还节约了用钢量。,43,四、压型钢板与混凝组合楼板,（一）组合楼板的分类 按压型钢板在组合楼板中的作用，它可分为三类。 第一类，以压型钢板作为主要承载构件的组合楼板。混凝土在组合楼板中仅起分布荷载和面层的作用；压型钢板则承受自重、混凝土重和外加使用荷载等全部荷载。 第二类，以压型钢板作为永久性模板的组合楼板。压型钢板在楼层施工阶段承受自重及湿混凝土和施工荷载；待混凝土硬结后，组合楼板的主要承载构件为钢筋混凝土板， 而压型钢板仅作为永久性模板留在组合楼板中。,44,四、压型钢板与混凝组合楼板,（一）组合楼板的分类 上述一、二类组合楼板，在设计中均未涉及两种不同材料的组合效应，仅根据它们承 受外载条件，参照一般钢结构和钢筋混凝土结构设计规范，分别进行设计，也称非组合楼板。 第三类，考虑了压型钢板与混凝土组合效应的组合楼板。在楼层施工阶段，压型钢板起着模板作用；待混凝土硬结后，压型钢板又起着受拉钢筋的作用，因此又称组合楼板。,45,四、压型钢板与混凝组合楼板,（二）压型钢板与混凝土的连接形式 压型钢板与混凝土之间的组合效应，是通过接触面之间采用适当连接方式形成的。要求接触面上的连接件具有足够的抗剪切粘结强度，以抵抗楼板在外载作用下产生的纵向水平剪力，同时还要确保压型钢板与混凝土能在垂直方向结合成不可分开的整体。常见的连接形式可归纳为以下三种，如图1.7： (1)采用闭口型槽口的压型钢板：为增加抗剪切效应，有时还在压型钢板腹板开设20mm的孔洞。,图1.7 压型钢板板型,46,四、压型钢板与混凝组合楼板,（二）压型钢板与混凝土的连接形式 (2)在压型钢板的腹板和翼缘土轧制凹凸槽纹作为粘结剪力件。槽纹剪力件一般等距分布，它的数量、尺寸对抗剪切强度影响很大。这类压型钢板的规格和槽纹剪力件的形式很多，应用也最广。 (3)采用开口型槽口的压型钢板，同时它的翼缘上另焊附加抗剪钢筋。,图1.7 压型钢板板型,47,四、压型钢板与混凝组合楼板,（二）压型钢板与混凝土的连接形式 此外，在采用钢梁作为支承结构的楼层中，通常在支承梁和楼板连接处，焊上带头的抗剪栓钉，如下图所示。带头的抗剪栓钉不仅是楼板和支承梁组合效应的抗剪连接件，同时也起着防止压型钢板与混凝土之间的滑移作用。,图1.8 支承处抗剪栓钉 A.压型钢板； B.支承梁； C.抗剪栓钉,48,四、压型钢板与混凝组合楼板,（三）组合楼板与非组合楼板的应用特点 组合楼板与非组合楼板在使用中各有其特点，但也有如下的共同点： (1)适应主体钢结构快速施工的要求，可不再采用施工速度较慢的木模或钢模支模施工。压型钢板可快速就位，还可采用多个楼层铺设压型钢板、分层浇筑混凝土板的流水施工法。 (2)便于铺设板内管线，并可在压型钢板凹槽内埋置建筑装修用的吊顶挂钩。,49,四、压型钢板与混凝组合楼板,（三）组合楼板与非组合楼板的应用特点 (3)用圆柱头焊钉穿透压型钢板焊接在钢梁上翼缘后，使施工阶段中压型钢板也可对钢梁起侧向支承作用。 (4)采用压型钢板后，将增加材料费用，尤其是组合楼板中的压型钢板，需采用防火涂料并增加相应的费用。但是，这一缺陷可由其他方面的优点予以弥补。,50,四、压型钢板与混凝组合楼板,1非组合楼板 (1)在使用阶段，压型钢板不作为混凝土板的受拉钢筋，属于非受力钢板，因此按无压型钢板的钢筋混凝土楼板计算其承载力。 (2)在施工阶段，压型钢板作为浇筑混凝土板的模板，即不拆卸的永久性模板。而且压型钢板下常不再设置临时竖向支柱，以使楼层混凝土板的浇筑能交叉进行。因此，在施工阶段，要由压型钢板承担未结硬的湿混凝土板的重量和施工活荷载。 (3)由于压型钢板不替代混凝土板内的受拉钢筋作用，可不采用防火涂料，但仍宜采用镀锌板使其能起防锈作用。,51,四、压型钢板与混凝组合楼板,1非组合楼板 (4)压型钢板与混凝土之间的叠合面可放松要求，不要求采用带有特殊波槽、压痕的压型钢板或采取其他措施。 (5)仍需采用圆柱头焊钉，以使压型钢板与钢梁焊接固定，保证施工人员在压型钢板上行走及操作安全。 目前国内的高层建筑钢结构，主要采用上述的非组合楼板。其主要原因有两方面，一是国内生产的板型多数是无压痕及波槽的，不能传递叠合面之间的纵向剪力；二是为了节省防火涂料的费用。,52,四、压型钢板与混凝组合楼板,2组合楼板 (1)在使用阶段压型钢板作为混凝土楼板的受拉钢筋，也提高了楼板的刚度。 (2)在施工阶段压型钢板作为浇筑混凝土时的模板，其下常可不再支设临时竖向支柱，直接由压型钢板承担未结硬的湿混凝土重量和施工荷载。 (3)宜采用镀锌量不多的压型钢板，并在其板底采用防火涂料。 (4)需采用圆柱头焊钉以传递压型钢板与混凝土叠合面之间的剪力，并将压型钢板与钢梁焊接固定，保证施工人员在压型钢板上行走及操作安全。,53,四、压型钢板与混凝组合楼板,2组合楼板 (5)由于在使用阶段压型钢板作为受拉钢筋使用，为使其能传递压型钢板与混凝土叠合面之间的纵向剪力，需采用如下的压型钢板板型： 图1.7（a）：带有纵向波槽的压型钢板。 图1.7（b）：板上有压痕的压型钢板。 图1.7（c）：无波槽和无压痕的压型钢板上要焊接横向钢筋。,54,四、压型钢板与混凝组合楼板,2组合楼板 对于上述三种板型，其端部仍需焊接圆柱头焊钉等抗剪连接件，如下图1.9所示。,图1.9 压型钢板组合楼板的构造,55,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（一） 概述 近年来，我国高层建筑迅速发展，需要多种结构类型及形式满足建筑高度、功能、节约材料及降低造价等方面的要求，因此钢骨混凝土构件得到了广泛的应用。 目前对这种构件的名称不甚统一，在日本称之为钢骨钢筋混凝土结构；在国内，冶金部行业标准钢骨混凝土结构设计规程(YB908297)称为钢骨混凝土(钢骨可以是型钢、焊接钢板、空腹钢骨等)，于2001年发布的建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程(JGJl382001)称之为型钢混凝土组合结构(本规程中钢骨特指型钢)，也有称之为劲性钢筋混凝土结构的.,56,五、钢骨（型钢）混凝土结构,这种结构构件是由钢骨、钢筋和混凝土三种材料所构成，是将钢骨埋人钢筋混凝土中的一种结构形式，故将之称为钢骨(型钢)钢筋混凝土结构，则更能反映这种构件的材料组成的本质。 钢骨混凝土构件是一种组合结构构件；组合构件又可分为埋入式与非埋入式(外露式)两种。埋人式构件包括钢骨混凝土梁、柱及剪力混凝土墙和钢管混凝土柱及内藏钢板剪力墙等，非埋人式构件包括钢与混凝土组合梁、压型钢板与混凝土组合楼板(见本书第五章)等等。,57,五、钢骨（型钢）混凝土结构,由于钢、钢筋混凝土与钢骨混凝土构件各有特点，如果在同一栋建筑中将这些构件类型合理运用，可最大限度地满足建筑功能的需要，建造出经济性好、可靠性高的建筑。 比如：在高层钢结构中，基础及地下室部分多采用钢筋混凝土结构，上部采用纯钢结构，而中间需要设置钢骨混凝土结构过渡层。在超高层钢筋混凝土结构中，为了保证底层柱在很大轴力下具有良好的变形能力，也可以采用钢骨混凝土构件。,58,五、钢骨（型钢）混凝土结构,钢骨混凝土构件按钢骨的形式又可以分为实腹钢骨与空腹钢骨两种类型。 在20世纪60-70年代，空腹钢骨应用较为普遍，其中包括辍板式与桁架式两种形式。试验表明，缀板式钢骨混凝土构件的承载力与延性较差，一般多采用桁架式钢骨。 由于桁架式钢骨加工制作比较麻烦，所以随着H型钢生产的发展以及焊接技术的日趋成熟，近年来钢骨混凝土构件一般都采用实腹式型钢。国内外试验表明，采用实腹型钢的钢骨混凝土构件在低周反复荷载作用下具有良好的滞回特性和耗能能力，其延性、承载力、刚度都优于配置空腹型钢的钢骨混凝土构件。,59,五、钢骨（型钢）混凝土结构,我国对于钢骨混凝土结构的研究起步较晚，从1987年起开展有关“劲性钢筋混凝土结构性能及设计方法”课题研究以来，进行了比较系统的试验研究。 近年来，随着我国高层建筑的迅速发展，钢骨混凝土结构及构件在工程中已经得到了一些应用，并已初步显示出钢骨混凝土结构对改善结构抗震性能、减小构件截面尺寸、提高建筑的综合技术经济指标等方面的巨大潜力。,60,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（二）钢骨混凝土结构的特点 与钢筋混凝土结构相比，钢骨混凝土结构具有许多显著的特点： (1)变形能力强、抗震性能好。钢筋混凝土结构由于混凝土材料的脆性特征，特别是当同一层中的柱刚度相差较大、担负剪力不均衡或是当结构存在较大的偏心扭转时，构件容易发生剪切破坏，结构的延性较差。钢骨混凝土结构由于钢骨的存在，构件延性得到很大的改善。,61,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（二）钢骨混凝土结构的特点 (2)在截面尺寸相同的条件下，可以合理配置较多的钢材。超高层建筑底层柱的轴力很大，当采用钢筋混凝土构件时，为了满足规范对轴压比的要求，柱截面尺寸通常很大，而这类短柱的延性往往很差。如果采用钢骨混凝土构件，就可以大大提高柱的含钢率，使柱的承载力与变形能力有效提高。对于大跨度梁，如果采用钢筋混凝土构件，梁截面高度较大，难以满足建筑净空要求，而改用钢骨混凝土构件就很容易满足要求。另外，由于钢材没有徐变问题，所以钢骨混凝土构件由于徐变引起的挠度较小。,62,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（二）钢骨混凝土结构的特点 (3)当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时，采用钢骨混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。 (4)在施工时，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，如果再利用压型钢板作为混凝土楼板的模板的话，可以大大节省模板工作量。 (5)由于在构件中同时存在钢骨与钢筋，浇筑混凝土比较困难。 (6)钢材较费，建设费用较高。钢骨混凝土结构的用钢量为80-180kg/m2，其中钢骨占总用钢量的2050。,63,五、钢骨（型钢）混凝土结构,与纯钢结构相比，钢骨混凝土结构具有以下特点： (1)混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，经济性较好。 (2)结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，结构的水平位移可严格控制。 (3)混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生，如果结构构造设计合理，就能保证很好的延性。 (4)使用的型钢规格较小、钢板厚度较薄，比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。 (5)结构自重较大，施工复杂程度较高。,64,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（三）钢骨混凝土构件的力学特性与计算的基本原则 1.钢骨混凝土构件的力学特性 当钢筋混凝土构件发生剪切破坏时，一旦超过最大承载力，承载力即迅速下降，在往复荷载作用下，承载力将进一步降低，滞回曲线所包围的面积即消耗能量很小。当轴压比较大时，柱的变形能力下降，即使是发生受弯破坏的构件，其变形能力也随轴压比增大而降低。对于钢骨混凝土柱，随着钢骨量的增加，变形能力下降的程度可以得到很大缓解。,65,五、钢骨（型钢）混凝土结构,1.钢骨混凝土构件的力学特性 钢筋混凝土结构梁柱节点一般发生剪切破坏，破坏后结构的延性较差，耗能能力较弱。虽然钢骨混凝土梁柱节点的最大承载力也是由其抗剪能力决定的，但达到最大承载力后，抗剪能力下降不多，而且在反复荷载作用下耗能能力较强。 如上所述，由于钢骨混凝土构件的力学性能比钢筋混凝土构件有很大提高，对于变形能力要求较高的高层建筑、短柱很多或平面与竖向刚度很不均衡的结构形式，特别适于采用钢骨混凝土结构。,66,五、钢骨（型钢）混凝土结构,2钢骨混凝土构件计算的基本假定 由于钢骨混凝土构件是由混凝土、钢筋和钢骨三种材料构成的组合构件，计算分析相当复杂。国内的一些学者倾向于沿用钢筋混凝土构件计算中常用的钢筋与混凝土变形协调的假定，即“受压区钢骨与混凝土之间始终没有相对滑移，构件截面始终保持为平面”的假定。这种变形协调模型的优点是从力学概念上保持了与钢筋混凝土构件的一致性。 试验表明，在达到极限承载力之前，钢骨与混凝土之间已经产生了相对滑移。另外，变形协调模型的计算公式也相当复杂。,67,五、钢骨（型钢）混凝土结构,2钢骨混凝土构件计算的基本假定 日本的钢骨混凝土计算标准采用的是一种强度叠加方法，它假定钢骨混凝土构件的承载力是钢骨与钢筋混凝土两部分承载力之和。这种方法具有计算简单、应用灵活的特点，计算结果偏于安全，因而得到了广泛的应用。由冶金工业部主持制定和颁布的钢骨混凝土结构设计规程(YB908297)也是建立在强度叠加法基础之上的。 在此，将主要依据钢骨混凝土结构设计规程(YB9082-97)并结合高层建筑结构的特点对钢骨混凝土结构设计中遇到的主要问题进行说明。,68,五、钢骨（型钢）混凝土结构,(1)钢骨混凝土构件的刚度 在风荷载与多遇地震作用参与荷载组合时，结构的位移与内力计算是在弹性范围内进行的。当钢骨混凝土构件中钢骨的含钢率较大时，尚应考虑其对构件刚度的影响。 钢骨混凝土构件的刚度为钢骨与钢筋混凝土两部分刚度之和： EA EcAcEssAss EI Ec IcEssAss (1-1） GAGcAc GssAss 式中： EA、 EI、 GA分别为钢骨混凝土构件的轴向刚度、抗弯刚度和抗剪刚度；,69,五、钢骨（型钢）混凝土结构,(2)钢骨混凝土结构设计的基本原则 虽然钢骨混凝土结构的性能比普通钢筋混凝土结构有很大改善，但其阻尼比、刚度及构件开裂等特性均与钢筋混凝土结构比较接近。 当主要抗侧力构件为钢结构时，在风荷载及地震作用效应组合验算时宜按现行高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98)进行；当主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构或钢骨混凝土结构时，抗风及抗震的验算宜按钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程进行。,70,五、钢骨（型钢）混凝土结构,(3)承载力抗震调整系数 对于考虑地震作用组合的钢骨混凝土构件，其承载力抗震调整系数RE按表1-1选用。 表1-1 承载力抗震调整系数RE,71,五、钢骨（型钢）混凝土结构,(4)钢骨混凝土结构构件设计，应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计；对承载能力的极限状态采用下列表达式进行设计： 非抗震设计 (1-2) 抗震设计 (1-3) 式中：S结构构件内力组合设计值； R结构构件承载力设计值； 0结构重要性系数，安全等级为一、二、三级的构件分别取1.1、1.0、0.9； RE承载力抗震调整系数，按表1-1采用。,72,五、钢骨（型钢）混凝土结构,(5)钢骨混凝土构件的材料： 钢骨混凝土构件的钢骨材料可采用国产Q235B、C、D碳结钢或Q345BE级的低合金钢，其机械性能及化学成分应保证抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯性能、冲击韧性合格和S、P、C的含量限制。 混凝土的强度等级不宜少于C25(建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程中规定为C30)。钢筋为热轧钢筋。 钢骨混凝土构件中使用的连接材料及栓钉等应分别符合相关技术标准的要求。,73,五、钢骨（型钢）混凝土结构,（四）钢骨混凝土构件的一般构造要求 1钢骨部分 （1）钢骨构件的宽厚比：由于混凝土和箍筋的约束作用，钢骨中板材的宽厚比较纯钢构件有较大提高。对于钢骨混凝土构件，即使混凝土保护层剥落后，翼缘的局部屈曲形状也与纯钢构件不同，这是因为此时核心部分的混凝土仍然保存完好，使得屈曲只能向外方向发生，临界应力也有很大提高。 当钢骨的宽厚比满足表1-2的要求时，在计算极限承载力时，可不考虑钢骨局部屈曲的影响。在钢骨混凝土构件中，钢骨板材的厚度不应小于6mm。,74,五、钢骨（型钢）混凝土结构,表1-2 钢骨构件的宽厚比与径厚比限值,75,五、钢骨（型钢）混凝土结构,1钢骨部分 (2)含钢率：在钢骨混凝土梁、柱中，钢骨的含钢率不应小于2，也不宜大于15。 为了充分发挥钢与混凝土两种材料各自的特点，达到经济合理、施工方便的目的，钢骨混凝土构件的含钢率既不能太大，也不能太小。实践表明，当含钢率为5-8时较为合理，且柱的含钢率一般应大于梁的含钢率。 在施工阶段，钢骨可以用作模板支架。此时要对由钢骨构成的框架进行施工阶段验算，保证在施工荷载及可能出现的风荷载作用下，满足承载力、稳定性和施工精度的要求。,76,五、钢骨（型钢）混凝土结构,2钢筋混凝土部分 对于钢骨混凝土构件，钢筋混凝土部分的构造要求大部分与普通钢筋混凝土构件相同。与普通钢筋混凝土构件不同的是，在钢骨混凝土构件中由于钢骨的存在，纵向钢筋与箍筋配置的形式及数量受到很大限制，配筋率和配箍率均较小。 在钢骨混凝土构件中，箍筋的作用也是十分显著的，箍筋除了在钢筋混凝土斜截面抗剪中起重要作用外，还对构件内部的混凝土有很好的约束作用，能够有效地防止纵向钢筋压曲和钢骨的腹板或翼缘发生局部屈曲。当箍筋对核心混凝土的约束作用很好时，构件的延性系数可达67。,77,五、钢骨（型钢）混凝土结构,3保护层厚度 (1)钢筋：钢筋保护层厚度主要是由防火、防锈、防止钢筋纵向屈曲以及保证钢筋与混凝土之间粘结力等因素决定的，设计时可参照混凝土结构设计规范中的有关规定。由于在钢骨混凝土构件中配筋的形式受到一定限制，钢筋直径一般较大，因此保护层厚度可略大于普通钢筋混凝土构件的保护层厚度。,78,五、钢骨（型钢）混凝土结构,3保护层厚度 (2)钢骨：钢骨保护层厚度主要是由构件的耐火等级、耐久性、粘结力等因素以及施工便捷性决定的。对于钢骨混凝土构件，当保护层厚度为50mm时，耐火极限为2h，当保护层厚度为60mm时，耐火极限为3h。另外，浇捣混凝土能否密实也是很重要的。 钢骨混凝土结构设计规程规定，主筋与钢骨之间的净距不得小于30mm且应大于粗骨料最大粒径的1.5倍，箍筋与钢骨之间的净距不小于25mm及粗骨料最大粒径的1.5倍。为了做到构造合理、混凝土浇捣密实，柱的钢骨保护层厚度取150mm左右，梁的钢骨保护层厚度取100mm左右比较合适，如图1-10所示。,79,五、钢骨（型钢）混凝土结构,图1-10 钢骨混凝土梁柱构件截面构造要求,80,五、钢骨（型钢）混凝土结构,图1-10 钢骨混凝土梁柱构件截面构造要求,81,五、钢骨（型钢）混凝土结构,4剪力连接件 当钢骨上需要设置剪力连接件时，宜优先采用栓钉。栓钉的直径规格宜选用19mm 和22mm两种，其长度不应小于4倍栓钉直径，且栓钉的间距不应小于5倍栓钉直径。当采用其他剪力件时，应有可靠依据或参照相应的规程进行计算。,82,第二节 钢骨混凝土梁的设计,钢骨混凝土梁属于受弯构件，其分析计算也必须按两类极限状态的要求进行。 第一类极限状态即承载能力的极限状态的计算主要是计算梁的抗弯和抗剪承载力； 第二类极限状态即正常使用的极限状态的验算主要是验算梁的裂缝开展及挠度。下面分别介绍。,83,第二节 钢骨混凝土梁的设计,一、钢骨混凝土梁承载力计算 试验表明，受弯构件在外荷载作用下，截面的混凝土、钢筋、型钢(钢骨)的应变保持平面，受压极限变形接近于3，破坏形态以型钢上翼缘以上混凝土突然压碎、型钢翼缘达到屈服为标志，其基本性能与钢筋混凝土受弯构件相似。由此建立钢骨混凝土梁正截面受弯承载力计算的基本假定。 钢骨混凝土梁的剪切破坏，随着剪跨比的不同主要是剪压破坏和斜压破坏两种形式。防止剪压破坏由受弯承载力计算来保证，防止斜压破坏由截面控制条件来保证。,84,第二节 钢骨混凝土梁的设计,1正截面承载力计算公式 在进行钢骨混凝土构件设计时，采用强度叠加公式计算构件截面的承载力。对于钢骨混凝土梁，其正截面承截力为钢骨部分承截力与钢筋混凝土部分承载力之和： (2-1) 式中：M弯矩设计值； 钢骨部分的受弯承载力； 钢筋混凝土部分的受弯承载力。 以下，将分别对 、 的计算方法进行说明。,85,第二节 钢骨混凝土梁的设计,(1)钢骨部分的受弯承载力 当不考虑地震作用组合时，钢骨部分的受弯承载力计算与在普通钢结构设计中梁的计算公式类似，,（2-2）,式中：s钢骨截面塑性发展系数，对于工字形截面， s 105； Wss 钢骨的净截面抵抗矩； f ss钢骨的抗拉、压、弯强度设计值。,86,第二节 钢骨混凝土梁的设计,(1)钢骨部分的受弯承载力 当考虑地震作用组合时，钢骨部分的受弯承载力为：,（2-3）,上式中RE为承载力抗震调整系数。 值得指出的是式(2-3)与高层民用建筑钢结构技术规程中考虑地震作用组合时的公式稍有不同，在上式中仍然保留了钢骨截面塑性发展系数s 。这是由于考虑到在钢骨混凝土结构中，混凝土对钢骨有很强的约束作用，即使在地震作用时仍可保证钢骨有一定程度的塑性发展。,87,第二节 钢骨混凝土梁的设计,(2)钢筋混凝土部分的受弯承载力 钢筋混凝土部分的受弯承载力为：,（2-4）,式中：As 受拉钢筋的截面面积； fsy受拉钢筋抗拉强度设计值； hb0受拉钢筋截面形心至截面受压边缘的距离； hb0受拉钢筋面积形心至受压区压力合力作用点的距离。,88,第二节 钢骨混凝土梁的设计,公式(2-4)与混凝土结构设计规范中给出的计算原则完全相同，其基本假定为： 钢筋混凝土部分的变形符合平截面假定。 忽略混凝土的抗拉强度。 为使计算模型简单起见，将混凝土受压区的应力分布简化为矩形，高度取实际受压区高度的80。 混凝土非均匀受压时的极限压应变cu0.0033。 当梁的含钢率较大时，受压区混凝土宜扣除钢骨的面积。 对于T形及倒I形截面的受弯构件，位于受压区翼缘的计算宽度bf可参照混凝土结构设计规范中有关规定计算。,89,第二节 钢骨混凝土梁的设计,(3)钢骨混凝土梁强度计算的叠加方法介绍 简单叠加法：由式(2-1)可知，钢骨混凝土梁可以看作是由钢骨与钢筋混凝土两个独立构件组成的。其受弯承载力为钢骨部分与钢筋混凝土部分承载力之和，如图2-1所示。,图2-1 钢筋混凝土构件承载力分解,90,第二节 钢骨混凝土梁的设计,简单叠加法： 这种直接将钢骨部分与钢筋混凝土部分各自受弯承载力相加的方法称为简单叠加法。 这种方法主要基于当钢骨混凝土梁在达到极限荷载的80以后，钢骨与混凝土之间产生滑移，两者的变形不能继续保持一致。由于简单叠加法使用非常方便，因而在日本的结构设计标准中得到广泛应用。但是，由于在实际构件中钢骨与混凝土之间存在粘结力，彼此之间的变形有相互约束作用，所以按简单叠加法得到的计算结果一般说