部分包覆钢-混凝土组合结构理论研究与实践

1、部分包覆钢-混凝土组合结构理论研究与工程实践Research & Practice of PEC Structures主要内容陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系什么是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？主要内容陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系什么是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结构工程应用及特点 PEC：Partially Encased Composite 部分包覆钢-混凝土组合结构 Partia

2、lly Encased Composite Structures of Steel and Concrete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PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 高层建筑结构的全部构件或主要受力构件采用部分包覆组合构件结构中的某类构件采用部分包覆组合构件这类结构，已在欧洲得到一定程度的应用，所建高层建筑可达30来层。卢森堡 某办公楼PEC结构工程应用及

3、特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用罗马尼亚 布加勒斯特 中央国际大厦共29层PEC柱+S梁+支撑2007年竣工进行了抗风、抗震和抗连续性倒塌设计 高层建筑结构的全部构件或主要受力构件采用部分包覆组合构件结构中的某类构件采用部分包覆组合构件这类结构，已在欧洲得到一定程度的应用，所建高层建筑可达30来层。PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 多层建筑比利时 根特法院陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系纽约市办公楼（钢柱+PEC梁）PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 多层建筑陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院

4、建筑工程系绍兴市行政中心配套住宅 2017（国内首栋PEC框架结构，浙江绿筑集成科技有限公司设计建造）2栋5层，2栋1层，共计3500m2PEC框架结构，预制叠合楼板，外挂墙板PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 多层建筑绍兴市行政中心配套住宅 2017（国内首栋PEC框架结构，浙江绿筑集成科技有限公司设计建造）2栋5层，2栋1层，共计3500m2PEC框架结构，预制叠合楼板，外挂墙板陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 多层建筑盘锦市实验小学 2018（浙江绿筑设计）抗震设防烈度为七

5、度，抗震设防类别为乙类，耐火等级为二级。总建筑面积12847m2，地上4层，层高3900mm。PEC框架结构体系，楼板采用钢筋桁架叠合板。陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 低层建筑华建实验楼 2018建筑位于上海市浦东新区，用于工业化建筑的先锋技术展示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PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 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

6、村镇建筑 2017（上海泰大建筑科技有限公司喜鹊房屋）梁为PEC，NH25012569，最大跨度6m，跨高比24柱为方钢管，预制叠合混凝土楼板PEC结构工程应用及特点部分包覆钢-混凝土组合结构在建筑工程中的应用 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、地上16层商品房住宅，面积4300平米。采用PEC框架-剪力墙结构（PEC柱、PEC梁、PEC墙）。外墙采用外挂-双层墙系统。采用管线分离和集成厨卫。装配率高达90%。PEC结构工程应用及特点PEC结构得以推广应用的原因？陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用及特点PEC构

7、件的特点组合作用（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混凝土裂缝早期开裂。纯钢构的板件失稳模态PEC的钢板件失稳模态腹板失稳被抑制翼缘失稳模态改变稳定临界应力提高PEC采用系杆拉接翼缘翼缘失稳进一步抑制稳定承载力更加提高PEC结构工程应用及特点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（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混凝土裂缝早期开裂。表面保护

8、作用（防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂层但保持同样的性能要求（经济性优势）纯钢截面8个表面需要防护仅上下表面和翼缘侧端需要防护当上覆混凝土楼板时防护面积可进一步减少PEC结构工程应用及特点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（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混凝土裂缝早期开裂表面保护作用（防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂层但保持同样的性能要求（经济性优势）可预制性海外-预制场地，双面填筑国内-预制工厂

9、，可单面填筑，一次成型精工绿筑预制制造工厂内景PEC结构工程应用及特点PEC构件的特点组合作用（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混凝土裂缝早期开裂。表面保护作用（防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂层但保持同样的性能要求（经济性优势）预制性装配性：现场连接采用钢结构方式PEC结构工程应用及特点PEC构件的特点组合作用（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制

10、混凝土裂缝早期开裂。表面保护作用（防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂层但保持同样的性能要求（经济性优势）预制性装配性：现场连接采用钢结构方式内装施工性H钢梁现场砖块填充预制PEC梁表面平整PEC结构工程应用及特点PEC构件的特点组合作用（约束作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部稳定性，通过增加整个截面的抗弯和抗扭刚度提高纯钢构件的整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混凝土裂缝早期开裂。表面保护作用（防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂层但保持同样的性能要求（经济性优势）预制性装配性：现场连接采用钢结构方式内装施工性一定程度轻量化陈以一

11、李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系主要内容陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系什么是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2

12、4022019015013070结构的最大适用高度（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多高层结构楼层相对位移限值跨度挠度限值l07ml0/200 (l0/250)7ml09ml0/250 (l0/300)l09ml0/300 (l0/400)部分包覆钢-混凝土组合梁的最大挠度限值（mm）在编CECS规程主要章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

13、程系什么是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？梁的设计计算适用截面 两类基本截面形式和弯曲轴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9a2截面达到塑性弯矩14a3钢组件截面边缘可达到钢材屈服强度20a 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/tw124a翼缘宽度bf为，连杆间距记为s1 ，则 当s1/bf0.5时，表列宽厚比限值可放大1.5倍当0.5s1/

14、bf1，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梁的设计计算结构分析方法与构件计算 非地震作用组合情况下的内力分析方法采用弹性分析，不考虑混凝土开裂，对弹性分析结果采用弯矩调幅法考虑负弯矩区混凝土开裂以及截面塑性发展的影响，内力调幅系数不宜超过30%陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系 构件计算规定承载力计算（抗弯、抗剪）挠度验算裂缝宽度验算梁的设计计算受弯承载力计算（矩形截面梁） 极限状态基本假定（1）主钢件与混凝土可靠连接, 不计相对滑移；（2）受压区混凝土均达到轴心抗压强度，不计受拉区混凝土的作用；主钢件应

15、力均达到钢材屈服强度；（3）梁腹部纵向钢筋均匀受拉或受压，其应力均达到屈服强度 极限状态应力分布模式 计算公式梁的设计计算受弯承载力计算（T形截面梁） T形截面梁正负弯矩和不同中和轴位置时的受弯承载力计算图式和公式 PEC梁的受弯整体稳定承载力计算？梁的设计计算T形截面梁（有楼板组合梁）抗剪件计算陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系 抗剪承载力可仅考虑主钢件腹板贡献抗剪承载力计算 一般不需考虑弯、剪耦合作用对承载力的影响， 但对于T形截面梁承受负弯矩，且 ，对腹板强度进行折减梁的设计计算例：框架梁挠度计算-组合结构设计规范固定反弯点0.1L，正、负等刚度 整体分析得到梁截面内力-读P

16、KPM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连续梁挠度计算-规范固定反弯点0.1L，正、负等刚度 求得反弯点位置，正弯矩区折减刚度，负弯矩区平均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连续梁挠度计算-规范固定反弯点0.1L，正、负等刚度 求曲率积分得到任意截面挠度曲率积分梁长挠度梁长12m，跨中最大挠度0.02m梁的设计计算截面构造设计 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柱的设计计算适用截面条件

17、单H钢PEC构件 截面宽厚比规定主钢件受压翼缘外伸部分陈以一 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/bf0.5时，表列宽厚比限值可放大1.5倍当0.5s1/bf1，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9a2截面达到塑性弯矩14a3钢组件截面边缘可达到钢材屈服强度20a与梁构件相同钢材强度Q235Q460混凝土强度等级C30C60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0.94.0之间柱的设计计算轴心受压构件承载力计算 截面承载力 (强度)PEC

18、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GB 50017规定的b曲线对H形钢弱轴，采用钢结构设计标准GB 50017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单向压弯构件承载力计算 截面压弯承载力 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假定与受弯构件截面一致轴力-弯矩相关关系及其简化绕强轴压弯绕弱轴压弯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

19、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柱的设计计算单向压弯构件承载力计算 截面压弯承载力 极限状态应力假定与受弯构件截面一致轴力-弯矩相关关系及其简化强度公式与试验比较 (绕强轴压弯)I 区：II 区：绕强轴压弯试验样本 42均值 1.499标准差 0.367绕强轴压弯绕弱轴压弯IIIIII柱的设计计算单向压弯构件承载力计算陈以一 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

20、.482强度计算公式稳定计算公式 受剪承载力 柱的设计计算单向压弯构件承载力计算 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式与试验比较 (绕弱轴压弯)试验样本 18均值 1.531标准差 0.397强度计算公式稳定计算公式柱的设计计算双向压弯构件承载力计算 截面承载能力极限状态 理论极限状态承载力相关曲面Vs设计假定曲面 截面压弯承载力计算公式同时满足以下方程II 区：I 区：I 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计计算双向压弯构件承载力计算陈以一 李杰/ 同济大学土

21、木工程学院建筑工程系 构件承载力计算公式（稳定性） 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：主要内容陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系什么是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？需继续解决的构件设计课题陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系 受弯构件长期受荷条件下的刚度计算 双H钢截面构造和设计方法 PEC墙构造和设计方法（竖向承重+抗侧）主要内容陈以一 李杰/ 同济大学土木工程学院建筑工程系什么是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

22、学-精工集团浙江绿筑合作研究？PEC构件力学性能试验（同济）梁、柱试验0.03Test SpecimenRigid arm弹性可保持到相对转角1/200构件延性系数可达到 3 以上H钢受压翼缘宽厚比超过14仍可发展较大塑性变形极限分析假定得到的截面抗弯承载力与试验吻合上述性能可在不配置腹板栓钉的条件下达到纵向钢筋对抑制混凝土表面裂缝开展起到作用FFpredicted1/501/30FFpredicted1/501/30弹性可保持到相对侧移1/200试件承载力均能达到或超过塑性极限分析预测结果承载力下降15%时绕强轴压弯可达1/25相对侧移；绕弱轴压弯可达1/401/30柱轴压力如超过H钢屈服轴

23、压力，极限后延性变差栓钉构造可以省略，但连杆连接可靠性是保证后期变形能力的重要环节0.0051/2001/200PEC构件力学性能试验（同济）PEC构件力学性能试验（同济）PEC构件力学性能试验（同济）PEC构件力学性能试验（同济）梁柱节点试验Bolt out beam sectionWithout division plate in beamBolt in beam sectionWith division plate in beamPrecast Cast on siteDivision plateTie rodPEC构件力学性能试验（同济）梁柱节点试验Test connection装配式节点可有效抵抗正负弯矩；保证弹性阶段的节点达到刚性以节点破坏为控制模式的试件呈剪切破坏，其承载力可准确预测节点极限承载力时节点剪切变形可达0.03rad；承载力下降15%左右时，剪切变形可达0.050.06rad,节点延性系数可达10左右，与混凝土节点抗剪时的脆性特征显著不同Beam