组合结构设计PPT

1、第6章 组合结构设计 6.1 概 述 6.1.1 压型钢板与混凝土组合板 6.1.2 组合梁 6.1.3 型钢混凝土结构 6.1.4 钢管混凝土结构 6.1.5 外包钢混凝土组合结构 6.1.6 其他新型组合结构形式 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板 6.2.1 压型钢板的形式 6.2.2 组合板的计算 5.2.3 荷载标准值 6.3 钢混凝土组合梁设计 6.3.1 概述 6.3.2 组合梁设计 第6章 组合结构设计 6.3 钢混凝土组合梁设计 6.3.1 概述 6.3.2 组合梁设计 6.4 钢管混凝土结构设计 6.4.1 概述 6.4.2 受压短柱的工作性能 6.4.3 单肢柱的受压承载力

2、计算 6.4.4 轴心受压短柱的极限分析 6.4.5 单肢柱的受压承载力 6.5 思考题与作业 6.1 概 述 钢与混凝土组合结构依照钢材形式与配筋方式的不同分为多种类型，并且一些新的结构形式仍在不断出现。目前研究较为成熟且应用较多的主要有以下几种： (1) 压型钢板与混凝土组合板。 (2) 钢混凝土组合梁。 (3) 型钢混凝土结构。 (4) 钢管混凝土结构。 (5) 外包钢结构。 6.1 概 述6.1.1 压型钢板与混凝土组合板 这是在压成各种形式的凹凸肋与各种形式的槽纹钢板上浇筑混凝土而制成的组合板，依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起。由于槽钢中肋的形式与槽纹图案的不同，钢与混

3、凝土的共同工作性能有很大区别。在与混凝土共同工作性能较差的压型钢板上可焊接附加钢筋或栓钉，以保证钢材与混凝土的完全组合作用。 6.1 概 述6.1.1 压型钢板与混凝土组合板 压型钢板与混凝土组合板的优点主要有：(1) 充分利用了混凝土造价低、抗压强度高、刚度大等特 点，将其作为板的受压区，而将受拉性能好的钢材置于受拉区，代替板中受拉纵筋。这使得两种材料合理受力，各得其所，都能发挥各自的优点。(2) 压型钢板在施工时先行安装，可作为浇筑混凝土的模板及施工平台。这样不仅节省了全部昂贵而稀缺的木模板，获得一定的经济效益，而且使施工安装工作可以数个楼层立体作业，大大加快了施工进度，缩短了工期。(3)

4、 压型钢板非常轻便，易于运输、存储、堆放与装卸。不仅节省大量人力，还减少了现场工作量，改善了施工条件。 6.1 概 述6.1.2 组合梁 通过抗剪连接件或粘结作用将钢梁与混凝土板组合在一起就形成组合梁。混凝土板可以是现浇钢筋混凝土板、预制混凝土板、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，整体共同工作形成组合T形梁。 6.1 概 述6.1.2 组合梁 其特点同样是使混凝土受压，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。由于侧向

5、刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起，因此在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。在符合一定的条件时，组合梁的整体稳定与局部稳定可以不必验算，这也省去了相当一部分钢结构为保证稳定所需要的各种加劲肋的钢材。与传统的非组合结构相比，由于组合梁的强度与刚度的提高，节省了大量钢材(约节省钢材25%30%)，并且组合梁的应用降低了梁的高度以及建筑物的层高与总高。 6.1 概 述6.1.3 型钢混凝土结构 型钢混凝土结构(即：钢骨混凝土结构)是在构件的混凝土中主要配置轧制或焊接型钢的结构。在配置实腹型钢的构件中还应配有少量纵筋与箍筋。这些钢筋主要是为了约束混凝土，是构造需要，在计算中亦可

6、考虑其辅助受力。 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，从而成为一种抗震性能的结构，所以尤其适用于地震区。型钢混凝土结构的另一优点是：施工安装时，梁柱型钢骨架本身构成了一个强度刚度较大的结构体系，可以作为浇筑混凝土时挂模、滑模的骨架，不仅大量节省了模板支撑，也可以承担施工荷载。 6.1 概 述6.1.3 型钢混凝土结构 6.1 概 述6.1.4 钢管混凝土结构 在钢管中浇筑混凝土的结构称为钢管混凝土结构。一般在混凝土中不再配纵向钢筋与钢箍，所用钢管一般为薄壁圆钢管，方钢管混凝土结构应用较少。 钢管混凝土柱充分发挥了混凝土和钢材各自的优点，克服了钢材特别是薄壁钢材容易失稳

7、的缺点，受力非常合理，且大大节省了材料。据资料分析，钢管混凝土结构与钢结构相比可节省钢材50%左右，降低造价40%50%；与钢筋混凝土柱相比，节省水泥70%左右，因而减轻自重70%左右。钢管本身就是浇筑混凝土的模板，故可省去全部模板，且不需要支模、钢筋制作与安装，简化了施工。比钢筋混凝土柱用钢量仅增加约10%。钢管混凝土柱的另一突出优点是延性较好，这是因为一方面其外壳是延性很好的钢管；另一方面约束混凝土比一般单向受压的混凝土延性提高很多。 6.1 概 述6.1.4 钢管混凝土结构 由于钢管混凝土主要是利用强度很高的混凝土受压，所以这种构件最适用于做轴心受压与小偏心受压构件。由于它是圆形截面，而

8、且断面高度较小，该结构形式的优点不能得到充分体现，甚至是不利的，因此通常将其用作高层建筑中下面几层的柱。在一些本来弯矩较大的结构中，可以利用结构形式的改变，把以受弯为主转变为受压为主，以发挥钢管混凝土结构的优势。例如：单层厂房可做成双肢柱或多肢柱；在桥梁中可设计成拱形，利用钢管混凝土作受轴压为主的上弦拱圈，而拉杆仅仅是利用空钢管受拉。钢管混凝土由于受弯性能不好，故一般不用作梁结构。 6.1 概 述6.1.4 钢管混凝土结构 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较复杂，节点的施工处理较为复杂。这是影响钢管混凝土结构进一步推广的一大障碍。此外，钢管的外露，使其也具有一般钢结构防

9、锈、防腐蚀及防火性能较差的弱点。 6.1 概 述6.1.5 外包钢混凝土组合结构 从广义上说，外包钢混凝土结构是指外部配筋的钢筋混凝土结构，简称外包钢结构。它是在克服装配式钢筋混凝土结构大量采用钢筋剖口焊、接头二次浇筑混凝土等缺点的基础上发展起来的。 由于角钢外露，也带来防锈、防腐蚀、防火性能较差的问题，需要保持日常维护。此外，外包钢混凝土的角钢外露，也对结构外观有一定影响，所以目前一般只局限于工业厂房，在民用建筑、公共建筑中尚难推广。 6.1 概 述6.1.6 其他新型组合结构形式 钢纤维混凝土是近几十年出现的有别于钢筋混凝土和型钢混凝土的新型结构形式。它具有良好的抗拉、抗弯、抗剪、抗冲团、

10、抗折及耐疲劳的特性。此外，在混凝土中加配玻璃纤维也能改善构件的受力性能。 钢筋混凝土外包钢板箍构件是近年来研究与应用的一种组合结构形式。可以用于兴建工程也可以用于旧房屋结构加固。在构件(梁、柱)端部或跨间包钢板箍后不仅能局部提高构件抗压强度与抗剪强度，而且能改善构件与结构的延性。钢板箍常加于柱端及梁的剪力较大区等。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板 在很多高层钢结构或钢筋混凝土混合结构的楼盖、屋盖结构中，可采用压型钢板与混凝土组合楼板。从广义上讲，可分为以下三类：(1) 以压型钢板作为楼板的主要承重构件，混凝土只是作为楼板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用。这一类压型钢板应选择板厚及高

11、度较大的板型，以保证施工和使用时的强度与刚度。这种压型钢板不考虑其组合作用，混凝土面层只在计算荷载时考虑，因此可以按照钢结构设计规范进行设计计算。(2) 压型钢板只作为浇筑混凝土的永久性模板，并用作施工时的操作平台。在施工阶段，考虑在混凝土及压型钢板的自重以及施工荷载作用下(同第一类压型钢板)按钢结构计算。在使用阶段只考虑钢筋混凝土的作用，不考虑压型钢板的作用，在结构层与构造层自重以及使用阶段的所有外荷载作用下按钢筋混凝土结构计算，可以完全遵照混凝土结构设计规范进行设计与施工。此时也不考虑压型钢板与混凝土的组合作用。以上两类均按照非组合板进行计算与设计。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板(3)

12、 考虑组合作用的压型钢板与混凝土组合楼板(本章主要叙述这第三类组合楼板)。施工阶段压型钢板作为模板及浇筑混凝土的作业平台，因此有如第一、二类压型钢板一样按照钢结构设计规范进行施工阶段强度、刚度验算。在使用阶段，压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉钢筋，在全部静载及活载作用下，考虑二者的组合作用，因此按照组合板进行设计计算。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.1 压型钢板的形式 图6.3 国外生产的主要板型 图6.4 国产压型钢板主要板型 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算1. 组合板内力分析的几个问题1) 局部荷载的作用可认为组合板上的集中荷载以45的锥体从板面向板底

13、传递(如图6.5所示)，其分布宽度bm可按下式计算：式中：bp荷载分布宽度。 压型钢板肋顶以上混凝土板的厚度。 地面饰面厚度。图6.5 集中荷载的有效分布宽度 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算此时，压型钢板组合板的有效计算宽度bem可按照以下情况下的公式计算：(1) 受弯计算时有以下两种情况。 对简支板： (6-2) 对连续板： (6-3)式中：bm集中荷载在组合板上的分布宽度。 l组合板的跨度。 lp荷载作用点至组合板支座的较近距离，当跨内有多个集中荷载作用时，lp应取产生较小bm的相应荷载的作用点至较近支承点的距离。(2) 受剪计算时按如下的公式计算： 6.2 压型

14、钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算2) 各向异性压型钢板组合板压型钢板组合板分单向板和双向板，可用有效边长比判别。当0.5 2.0时，按双向板计算；当 0.5或 2.0时，按单向板计算。有效边长比定义如下： (6-5)式中： 板的各向异性系数，。 组合板强边(顺肋方向的跨度)。 组合板弱边(垂直肋方向的跨度)。 ， 分别为组合板强、弱边方向的截面惯性矩(计算时，仅考虑压型钢板肋顶以上的混凝土厚度hc)。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算2) 各向异性压型钢板组合板 压型钢板仅在一个方向上有凸肋，所以计算时应考虑压型钢板组合板的各向异性对其内力的影响，对双向板的

15、内力进行各向异性修正；计算强边方向的弯矩Mx时，弱边方向的计算跨度应取(如图6.6(a)所示)；计算弱边方向的弯矩My时，强边方向的计算跨度应取(如图6.6(b)所示)。 图6.6 各向异性板的计算简图 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算3) 支承条件双向板周边的支承条件，可按以下情况确定：当计算的组合板与相邻跨连续、且跨度大致相等时，可视板的周边为固定边；当组合板上浇筑的混凝土不连续、或相邻跨度相差较大时，应将楼板的周边视为简支边。当采用塑性理论计算连续组合板内力时，可对支座弯矩进行调幅(控制在25%以内)。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算2.

16、 承载力和变形计算对压型钢板混凝土组合板需进行施工和使用两个阶段的计算。1) 施工阶段计算板上混凝土硬化以前的阶段为施工阶段，压型钢板承担自重、混凝土自重以及施工荷载。若跨中弯曲变形大于20 mm，在确定混凝土板自重时，应考虑“坑凹”效应增加的混凝土重量，在全跨增加厚度为0.7的混凝土重或增设支撑。压型钢板施工阶段的承载力和弯曲变形采用弹性设计方法计算，且需满足规定的要求。此时，计算宽度可取压型钢板的一个全波宽度或单位宽度。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算(1) 正截面受弯承载力验算。其验算应要求满足下式： MfsyWs (6-6)式中：M弯矩设计值。均布荷载作用下，

17、连续板边跨跨 中截面弯矩可近似取ql2/11，内支座截面取ql2/9，内跨跨中截面取ql2/14。 fsy压型钢板的强度设计值(见表6-1)。 Ws压型钢板的截面抵抗矩，取对受拉和受压边抵抗矩的较小值。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算(2) 压型钢板的弯曲变形。其变形应满足下式要求： fflim(6-7)式中：f组合板的挠度。 flim挠度限值，取/200和20 mm两者中的较小值(l0 为板的计算跨度)。 均布荷载简支板的挠度为： 均布荷载双跨连续板的挠度为：式中： 计算宽度均布荷载标准值。 Es压型钢板的弹性模量。 Is计算宽度压型钢板的惯性矩。 板的计算跨度。

18、6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算2) 使用阶段计算 (1) 正截面受弯承载力时，组合板抗弯强度按塑性设计法进行计算，假定截面受拉区及受压区的应力均达到强度设计值。设组合板厚度为h，压型钢板高度为hs，在h比hs大得多且含钢率适中的情况下，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hs高度，然后受压边缘混凝土达到极限压应变而压坏，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。设计过程中有时超筋板是难以避免的，因此，压型钢扳的面积和尺寸选择还取决于施工阶段的受力情况。 6.2 压型钢板与混

19、凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算 根据界限破坏条件可以导出相对界限受压区高度(如图6.7所示)和界限配筋率max。界限破坏时，压型钢板顶面的拉应变达到屈服应变时，受压边缘混凝土恰好达到极限压应变。则相对界限受压区高度为： (6-8)界限配筋率为： (6-9)式中： 组合板的有效高度，即从钢板形心轴到受压边缘 的距离。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算适筋板的受弯承载力按下式计算： MMu0.8 fsy As(-x/2)(6-10)其中，受压区高度 (6-11)式中：As压型钢板的截面面积。 b计算宽度，通常取1m宽或压型钢板的波距。 fsy压型钢板的抗拉强度设计值。

20、 式(6-10)中的0.8是钢板面积折减系数，考虑了压型钢板的允许制造误差、钢板暴露于空气中没有混凝土保护层以及中和轴附近材料不能充分发挥作用等因素。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算 超筋板的受弯承载力计算较为复杂，一方面是由于压型钢板中的应力是随截面高度变化的，另一方面还要考虑在施工阶段是否受载。为简化起见，其受弯承载力可偏于安全地取界限破坏时的受弯承载力： MMu0.8fsyAs h0(1-0.5b)(6-12) 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算(2) 纵向受剪承载力时，组合板的主要设计要求在于钢板和混凝土交界面上的粘结应力应不致引起二者的

21、相对滑移。在荷载作用下，交界面的破坏形态还可能是纵向剪切和粘结破坏的结合，故称为剪切粘结破坏。因此，组合板纵向受剪承载力也称交界面剪切粘结承载力。 剪切粘结破坏如图6.8所示。试验研究表明，在加载点附近形成的主斜裂缝，使附近的粘结力丧失，形成交界面水平裂缝并很快向板端发展，最终导致整个剪跨段长度上的粘结破坏，引起钢板与混凝土之间的滑移。图6.8 剪切粘结破坏 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算 组合板纵向受剪承载力与其剪跨a如图6.8所示、平均肋宽bbm如图6.7所示、截面有效高度h0、压型钢板厚度t有关，可按下式计算： VlVl u-1 a+2 bbmh0+3 t (6

22、-13) 式中： 纵向剪力设计值(kN/m)。 纵向受剪承载力(kN/m)。 A 组合板剪跨(mm)，一般可取aM/V，M为与 剪力设计值V相应的弯矩。均布荷载简支板可取al/4。 bbm组合板平均肋宽(mm)。 t压型钢板厚度(mm)。 0，1，2，3剪切粘结系数，应由试验研究确定。采用国产压型钢板时，可取078.142，10.098，20.0036，338.625。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算 (3) 斜截面受剪承载力时，按下式计算： VcVcu0.7ft Bbmh0 (6-14)式中：Vc组合板斜截面剪力设计值。 Vcu组合板斜截面受剪承载力。 ft 混凝土

23、轴心抗拉强度设计值。 Bbm计算宽度范围内压型钢板的平均肋宽之和，当 计算宽度为一个波宽时取组合板平均肋宽 bbm。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算(4) 受冲切承载力时，当组合板上作用有较大的局部荷载Fl时 (如图6.9所示)，应计算其抗冲切承载力是否满足下式要求： Fl 0.6 ft um hc(6-15)式中：Fl组合板冲切力设计值。 um发生冲切破坏的临界周界长度。图6.9 冲切临界周界长度 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.2 组合板的计算(5) 变形验算。计算组合楼板的挠度时，不论其实际支承情况如何，均按简支单向板采用弹性方法计算沿(顺肋)方向的挠度

24、，并进行变形验算。挠度值应按荷载效应标准组合、准永久组合分别进行计算，其中的较大值不应超过规定的挠度限值，即 max( fk，fq )f lim (6-16)式中：fk按荷载效应标准组合值计算的挠度。 fq按荷载效应准永久组合值计算的挠度。 f lim挠度限值(l0/360)，l0为板的计算跨度。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.3 组合板的构造要求 组合板的总厚度h不应小于90 mm，压型钢板翼缘以上混凝土的厚度hc不应小于50 mm。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30 mm三者中的较小值。 组合板中应设置分布钢筋网，以承受收缩

25、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(sAs/bhc)均不宜少于0.002。在有较大集中荷载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。 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.3 组合板的构造要求 组合板在钢梁上的支承长度不应小于75 mm，其中压型钢板的支承长度不小于50 mm (如图6.10(a)和图6.10(c)所示)。支承于混凝土构件上时，组合板的支承长度不应小于100 mm，压型钢板的支承长度不应小于75 mm(如图6.10(b)和图6.10(d)所示)，连续板或搭接板在钢梁上的最小支承长度为75 mm，支承

26、于混凝土构件上时则为100 mm(如图6.10(e)和图6.10(f)所示)。图6.10 组合板的支承长度要求 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.3 组合板的构造要求 为阻止压型钢板与混凝土之间的滑移，在组合楼板的端部(包括简支板端部及连续板的各跨端部)均应设置栓钉。压型钢板与钢梁的连接采用圆柱头栓钉，栓钉穿进压型钢板并焊接于钢梁上(如图6.11所示)。栓钉直径一般为：板跨度l3 m时，取13 mm16 mm；板跨度3 mm6 mm时，取16 mm19 mm。栓钉应高出压型钢板上翼缘35 mm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。图6.11 板端部设

27、置栓钉 6.2 压型钢板与混凝土组合楼板6.2.3 组合板的构造要求 压型钢板与混凝土梁的连接如图6.12所示。其中，图6.12(a)为在压型钢板端部打孔，把钢筋插入预留孔水泥浆中，或在压型钢板上用栓钉连接件将其固定在梁上。也可从梁内伸出锚固钢筋与现浇混凝土接合在一起，如图6.12(b)所示。图6.12(c)所示为在压型钢板端部冲出许多鱼尾状条并拧成麻花状，浇筑在混凝土中。以上做法都能增强板的组合效果。图6.12 压型钢板与混凝土梁的连接 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述 1. 组合梁的组成 组合梁是充分利用钢与混凝土两种材料和结构特性联合成为整体而共同工作的一种结构形式，同单一材料

28、制成的结构相比，可提高结构的强度和刚度，节约钢材，降低造价，有较显著的经济效果。 组合梁为组合结构的主要形式之一，其结构体系主要由翼板、板托、抗剪连接件及钢梁四部分组成，如图6.13所示。 图6.13 钢梁外露的组合梁 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述 1) 翼板房屋结构中，组合梁的翼板一般由楼板的结构层一部分充当。翼板部分不仅能提高组合梁的强度和刚度，还可避免梁在平面外的失稳破坏。翼板可用现浇混凝土板，亦可用混凝土叠合板或压型钢板混凝土组合板，其中混凝土板应按混凝结构设计规范GB 500102002的规定进行设计。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述 2) 板托板托是组合梁

29、中的翼缘与钢梁之间的混凝土局部加腋部分。板托的设置应根据组合梁强度、变形及房屋的净空要求等具体情况确定。板托可以增加组合梁的高度，节省钢材，并可为抗剪连接栓钉提供一个设置空间，但相对而言，不带板托的组合梁施工较为方便。在组合梁的强度、挠度和裂缝计算中，可不考虑板托截面的影响。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述3) 抗剪连接件抗剪连接件先焊接在钢梁的上实缘，并浇于混凝土翼板或混凝土板托之中。抗剪连接件设置目的是承受翼板和钢梁接触面之间的剪力，因为组合梁交界面上钢与混凝土的粘结作用很小，极易发生粘结破坏。为保证上下层结构有效的共同工作，必须在交界面处设置抗剪连接件。 6.3 钢混凝土组合

30、梁设计6.3.1 概述3) 抗剪连接件 常用的抗剪连接件主要有栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、T形钢连接件等，如图6.14所示。 (a) 栓钉连接件 (b) 槽钢连接件 (e) 弯筋连接件(c) 方钢连接件 (d) T形钢连接件 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述4) 钢梁为了充分发挥钢梁的受拉性能，钢梁一般可采取如下几种截面形式(如图6.15所示)。图6.15 组合梁的截面形式 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述2) 连续组合梁的受力特点 连续组合梁由于中间支座负弯矩部位的连接构造复杂，不如简支组合梁应用广泛应用，其受力特点为：在支座负弯矩区段，由于混凝土开裂，一般不考虑混凝土板的

31、作用，仅考虑混凝土板有效宽度内沿梁轴线方向的负钢筋起作用，但绝大部分弯矩仍然要由板下钢粱来承担。对于连续组合梁的跨中截面，由于可形成整体的组合截面，其受弯承载力很大。因此，支座负弯矩区段的抗弯能力远小于跨中截面，形成受弯承载力分布与支座弯矩大、跨中小的内力分布相反的状态；在承担较大的楼面活荷载并构成不利分布时，有可能使梁的某一跨全跨出现负弯矩，使钢梁下翼缘受压，则此时需验算其整体稳定性；支座处的剪力及弯矩均很大，受力复杂，要考虑钢梁中的正应力与剪应力的应力组合问题。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述3) 框架组合梁 框架组合梁在实际工程中很少应用。其受力特点除存在与连续组合梁相类同的

32、问题外，框架组合梁还存在组合梁负钢筋的锚固等问题。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述3. 理论分析方法 组合梁截面应力的计算理论有两种：一种是按弹性理论进行分析计算；另一种按考虑截面塑性变形发展的塑性理论进行分析。(1) 弹性理论分析方法主要用于计算梁截面的应力和刚度。首先将钢和混凝土两种材料投弹性模量换算等效成一种材料，再直接利用材料力学的公式进行计算。(2) 塑性理论分析方法更符合梁的实际受力情况，这是因为混凝土和钢材均为弹塑性材料，因此仅当混凝土的最大压应力小于0.5fc且钢材最大拉应力小于fy时，采用弹性方法进行截面的应力和刚度分析才是合理和可信的。但对于构件的承载力计算，由

33、于未考虑两种材料的塑性发展，因而计算偏于保守，且不符合实际情况。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.1 概述3. 理论分析方法 常用的施工方法是将组合梁的钢梁先安装就位，作为以后浇灌混凝土楼板的承重结构。此时，在钢梁下不设临时支撑，应分别按下列两个受力阶段进行计算。(1) 第一受力阶段：楼板混凝土未达到强度设计值以前的阶段。此时荷载考虑钢梁自重、模板重及现浇混凝土板重，称为第一受力阶段的恒载，连同本阶段的施工活荷载，全部由钢梁承受，验算其应力、挠度及稳定性。(2) 第二受力阶段：楼板混凝土达到强度设计值以后的阶段。此时，荷载考虑饰面层、找平层、防水层和吊顶等，称为第二阶段的恒载。使用阶段的可变

34、荷载称为第二受力阶段的可变荷载。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.2 组合梁设计 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.2 组合梁设计 1. 施工阶段组合梁施工时，若钢梁下无临时支承，则混凝土硬结前的材料重量和施荷载应由钢梁承受，钢梁应按钢结构设计规范中有关受弯构件计算的规定计算其强度、稳定性和变形。无临时支撑组合梁在使用阶段的挠度较大，这种施工方法常用于混凝土板自重不大的楼盖结构。施工阶段的挠度应按荷载标准组合值(包括混凝土板、钢梁自重及施工荷载)计算。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.2 组合梁设计 2. 使用阶段1) 一般规定组合梁按其塑性中和轴所在的位置可分为两大类：塑性中和轴位于混凝

35、土翼板内的第一类截面和塑性中和轴位于钢梁内的第二类截面。对于第一类截面，钢梁位于截面的受拉区，不会产生局部压屈。对于第二类截面，当钢梁板件宽厚比满足表6-2要求时，钢梁受压翼缘与腹板具有足够的刚度，达到全部塑性并产生足够的旋转时，不至于局部屈曲失稳，可按塑性理论计算其承载力；不满足表6-2要求的梁则应按弹性理论进行分析计算。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.2 组合梁设计 2. 使用阶段根据弹性理论分析，上翼板的计算宽度(如图6.16所示)按下式取值： be=b1+b2+b0(6-17) 式中：b0板托顶部的宽度；当板托倾角45时，应按45 计算板托顶部的宽度；当无板托时，则取钢梁上翼缘的宽

36、度。b1、b2梁外侧和内侧的翼板计算宽度，各取梁跨度l的1/6和翼板厚度hc1的6倍中的较小值。此外，b1尚不应超过翼板实际外伸宽度s1；b2不应超过相邻钢梁上翼缘或板托间净距的1/2。当为中间梁时，公式中的b1等于b2。 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.2 组合梁设计 2) 受弯承载力计算组合梁截面按塑性理论进行分析时，采用如下基本假定。(1) 混凝土翼缘板与钢梁为完全抗剪连接，以保证抗弯能力得到充分发挥。(2) 塑性中和轴以上混凝土面积均匀受压，其应力达到轴心抗压设计强度。(3) 忽略塑性中和轴以下混凝土的抗拉强度。(4) 为了简化计算，将混凝土板托及钢筋混凝土翼板内的钢筋忽略不计。(5

37、) 塑性中和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，分别达到钢材的相应强度设计值f。 6.3 钢混凝土组合梁设计2) 受弯承载力计算 根据塑性中和轴的位置，组合梁正弯矩截面受弯承载力按以下两种情况计算。第一类是截面抗弯承载力计算公式。塑性中和轴位于混凝土翼板内，即： 时(如图6.17所示)，按静力平衡条件有以下两个公式成立： (6-20) M (6-21)式中：Ac钢梁受压区截面面积。 y1钢梁受拉区截面形心至混凝土翼板受压区截面形 心的距离。 y2钢梁受拉区截面形心至钢梁受压区截面形心的距离。 6.3 钢混凝土组合梁设计3) 受剪承载力计算假定组合梁截面上的全部剪力仅由钢梁腹

38、板承受，则有： V (6-22)式中：tw钢梁腹板厚度。 hw钢梁腹板高度。 fv钢材抗剪强度设计值，fv=0.58f。 6.3 钢混凝土组合梁设计4) 抗剪连接件设计(1) 圆柱头焊钉(栓钉)连接件： (6-23)式中：Ec混凝土的弹性模量。 As圆柱头焊钉(栓钉)钉杆截面面积。 圆柱头焊钉(栓钉)抗拉强度设计值。 栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。当栓钉材料性能等级为4.6级时，取f=215(N/mm2)，=1.67 6.3 钢混凝土组合梁设计4) 抗剪连接件设计圆柱头焊钉(栓钉)连接件： 当压型钢板肋平行于钢梁布置(如图6.19(a)所示，bw/hc1.5时，栓钉的抗剪承载力应乘以折

39、减系数bv： 1(6-24)式中：bw混凝土凸肋的平均宽度，当肋的上部宽度小于下部宽度时(如图6.19(c)所示)，改取上部宽度。 hc混凝土凸肋高度。 hd栓钉高度。(2) 槽钢连接件：(6-26)式中：t槽钢翼缘的平均厚度。 tw槽钢腹板的厚度。 lc槽钢的长度。 6.3 钢混凝土组合梁设计(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矩截面之间区段(剪跨区)内的连接件数量按下式计算： (6-28) 式中：Vl剪跨区内混凝土翼缘板相交界面的纵向剪力值， 取Vl=Af和Vl=behc1f

40、c二者中的较小值。 单个连接件的受剪承载力设计值。 6.3 钢混凝土组合梁设计 5) 挠度计算 刚度折减系数，按下式取值： (6-30) (6-31) (mm-1) (6-32) (6-33) (6-34) (6-35) 6.3 钢混凝土组合梁设计 6) 横向钢筋的计算横向钢筋与受剪截面垂直，为受剪界面提供一夹紧力，增强截面对纵向剪力的抵抗能力。其计算要求如下： (6-36)式中： 单位梁长交界面上的纵向剪力。 单位梁长交界面上混凝土翼板及其板托的纵向受剪极限承载力。单位梁长a-a受剪界面的纵向剪力取以下二式中的较大值： (6-37)(6-38) 6.3 钢混凝土组合梁设计 6) 横向钢筋的计

41、算 b-b和c-c受剪界面承担的纵向剪力等于连接件传递的剪力。按单位梁长计算为：(6-39)根据试验研究，此时的单位梁长界面受剪极限承载力可按下式计算：(6-40)式中：0.9常数，单位N/mm2。 bvl纵向受剪界面长度(a-a，b-b，c-c连线在抗剪连接件以外的最短长度，单位mm)。 Ae单位梁长与纵向受剪界面相交的横向钢筋截面面积(单位mm2/mm)。a-a：Ae=Ab+Atb-b：Ae=2Abc-c：Ae=2Ah (he030 mm)或Ae=2(Ab +Ah) (he030 mm) 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.3 组合梁的构造要求3) 框架组合梁 组合梁边梁混凝土翼板的构造应满

42、足图6.21的要求，有板托时，伸出长度不宜小于hc2； 无板托时，应同时满足伸出钢梁中心线不小于150 mm、伸出钢梁翼缘边不小于50 mm的要求。图6.21 边梁构造图 6.3 钢混凝土组合梁设计6.3.3 组合梁的构造要求抗剪连接件的设置应符合以下规定：(1) 栓钉连接件钉头下表面或槽钢连接件上翼缘下表面高出翼板底部钢筋顶面不宜小于30 mm。(2) 连接件沿梁跨度方向的最大间距不应大于混凝土翼板(包括板托)厚度的4倍，且不大于400 mm。(3) 连接件的外侧边缘与钢梁翼缘边缘之间的距离不应小于20 mm。(4) 连接件的外侧边缘至混凝土翼板边缘间的距离不应小于100 mm。(5) 连接

43、件顶面的混凝土保护层厚度不应小于15 mm，槽钢连接件一般采用Q235钢，截面不宜大于12.60mm。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述1. 一般概念 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的结构。按截面形式不同，分为圆形、方形、矩形及异形钢管混凝土(如图6.22所示)。 图6.22 钢管混凝土柱的截面形状 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述1. 一般概念 钢管混凝土结构是从型钢混凝土结构及螺旋箍筋柱发展而来的，主要用作受压构件，其优势在于可以更充分发挥钢管与混凝土两种材料的受力性能。其基本原理主要是：(1) 借助于钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态

44、，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。(2) 借助于内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载力。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述2. 一般要求 钢管混凝土结构所用的钢管常为低碳钢及低合金钢，最常用的是Q235钢和Q345钢，有时也采用Q390钢。钢管宜采用螺旋焊接管或直缝焊接管。无缝钢管虽然性能较好，但因价格太高，而且管壁太厚，不宜采用。有缝钢管由钢板卷制焊接而成，焊缝应采用坡口焊，必须保证焊接质量，达到与母材等强要求。因为当构件达极限状态时将出现很大的紧箍力，如果焊缝质量不好，会发生焊缝拉裂现象。直缝焊接管一般用于直径较小的

45、钢管。对于直径较大的钢管，一般均采用螺旋缝焊接管。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述2. 一般要求 钢管的外直径不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。钢管外径与壁厚之比值d/t，宜限制在20之间，此处fy为钢材屈服强度(或屈服点)：对Q235钢，取fy 235 N/mm2；对Q345钢，取fy345 N/mm2；对Q390钢，取fy390 N/mm2；对于一般承重柱，为使其用钢量与一般钢筋混凝土相近，可取d/t=70左右；对于桁架结构，为使其自重与钢结构相近，可取d/t=25左右。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述2. 一般要求 混凝土宜采用普通混凝土。由于钢管是封闭

46、的，多余水分不能排出，故混凝土的水灰比不易过大，应控制在0.45及以下。如掺减水剂，混凝土坍落度宜保持在160 mm左右。从优化钢管与混凝土的共同工作、减小变形及经济效益方面考虑，混凝土强度等级不宜低于C30，可参照的材料组合：Q235钢配C30或C40混凝土，Q345钢配C40、C50或C60混凝土，Q390钢配C50或C60以上混凝土。采用泵送混凝土工艺高抛落物振捣工艺时使用流动性混凝土，采用浇灌工艺时使用塑性混凝土。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.1 概述2. 一般要求 钢管混凝土构件的容许长细比l不宜超过表6-3的限值。项 次构件名称容许长细比l/d1框架单肢柱20格构柱802桁架

47、303其他35140表6-3 构件的容许长细比 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.2 受压短柱的工作性能通常的试验研究有如图6.23所示3种加载方式：(1)A式加载。荷载直接施加于核心混凝土上，钢管不直接承受纵向荷载(图6.23(a)所示)。(2)B式加载。试件端面齐平，荷载同时施加于钢管和核心混凝土(图6.23(b)所示)。(3)C式加载。试件的钢管预先单独承受荷载，直至钢管被压缩(应限制在弹性范围内)到与核心混凝土齐平后，才与核心混凝土共同承受荷载(图6.23(c)所示)。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.2 受压短柱的工作性能 图6.24所示为典型的薄壁钢管混凝土柱的N-ec曲线。 图

48、中，N为轴向压力，ec为核心混凝土的纵向应变。OA段为弹性工作状态，N-ec接近直线；AB段为弹塑性工作状态，N-ec略有弯曲，但OAB段基本上呈直线。荷载到达B点后钢管开始屈服，表面开始掉皮或出现滑移斜线，试件外观体积开始增大，故B点对应的荷载可定为屈服荷载。过B点后，N-ec明显呈曲线，C点荷载达最大值。之后曲线开始下降，故与C点对应的荷载可定义为极限荷载，对应的应变e0定义为极限压应变。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.3 单肢柱的受压承载力计算 钢管混凝土单肢柱一般用于轴心受压或弯矩较小的压弯构件。当荷载的偏心距或柱的长细比较大时，采用单肢柱往往不能满足对结构的功能要求，而且材料的强

49、度也不能有效地发挥作用，很不经济。在这种情况下，一般采用由两肢或多肢钢管混凝土组成的结构式组合就能避免上述缺陷。本小节仅介绍钢管混凝土单肢受压柱的承载力计算。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.3 单肢柱的受压承载力计算 钢管混凝土柱的受压承载力计算有不同的途径和方法：一种依据极限平衡理论计算，在中国工程建设标准化协会标准钢管混凝土结构设计与施工规程CECS 28:90中采用该法；另一种由哈尔滨建筑大学提出的，即把钢管混凝土看成是一种组合材料，通过大量试验研究，得到考虑了混凝土强度提高后的组合轴压强度设计值，它与钢材级别、截面含钢率、混凝土等级等有关。这一方法在国家经济贸易委员会钢混凝土组合结

50、构设计规程DL/T 50851999中被采用。此外，有限元法及其他全过程分析方法不仅可求得极限荷载，而且可以进行全过程变形分析，但是这些方法较为复杂，不便于应用。本节仅介绍极限平衡理论方法。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析1. 基本假设(1) 在结构丧失承载能力之前，结构和元件的受形很小，因而可以忽略静力平衡方程中的几何尺寸的变化，始终按变形前的结构尺寸来考虑静力平衡关系。(2) 结构的元件，在达到极限(屈服)强度时，其变形应能足够急剧地增长，但变形的增长不会改变元件的极限(屈服)条件。在结构丧失承载能力之前，结构的所有元件都不会失去稳定。(3) 作用于结构上的所

51、有荷载都按同一比例缓慢增长，即所谓准静力式的简单加载。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析1. 基本假设(4) 因轴压短柱的应变场是轴对称的，所以可把钢管混凝土看成是由钢管和核心混凝土两种元件组成的结构体系(如图6.25所示)。(5) 钢管和核心混凝土两种元件的极限(屈服)条件都是稳定的，不因塑性变形的发展而改变或弱化；钢管采用Von Mises屈服条件，核心混凝土采用方程式(6-46)。(6) 在极限状态时，对于d/t20的薄壁钢管，因其所受的径向应力s3远比s2为小，可忽略不计，钢管的应力状态可简化为纵向受压、环向受拉的双向应力状态，并沿管壁均匀分布。 6.4 钢

52、管混凝土结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析2. 公式推导 由上图可看出，极限分析时共有五个未知量，即外荷载N，核心混凝土的纵向应力，钢管的纵向应力和环向应力，以及钢管和混凝土接触面之间的侧压力P。需要建立5个独立方程才能求解。(1) 按静力平衡条件可得：由轴向力平衡： (6-43)由环向力平衡： (6-44) 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析2. 公式推导 (2) 由元件的屈服条件可得：钢材的屈服条件(采用Von Mises屈服条件)：(6-45)核心混凝土的屈服条件：另外，考虑到钢管较薄，可足够精确地取：联立上述方程，可得：(6-46) 6.4 钢管混凝土

53、结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析2. 公式推导其中， ，称为套箍系数。我们的目标是求最大荷载Nmax，于是可由极值条件建立第五个方程：(6-48)一般设计时已确定套箍系数，则可由上式得到相应于最大荷载Nmax的侧压力p*，将其代入式(6-47)便能得到轴压短柱的极限承载力： (6-49)其中：(6-50) 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.4 轴心受压短柱的极限分析2. 公式推导根据式(6-48)计算 与 之间的关系并代入式(6-50)，则可简化为： (6-51)从而N0可表达为：(6-52)在工程设计中通常进一步简化为下式计算N0，如钢管混凝土结构设计与施工规程CECS 28:90

54、 取：(6-53) 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单肢柱的受压承载力2. 公式推导 影响钢管混凝土柱承载力的因素还有许多其中主要有：构件长细比、偏心率、柱两端的弯矩比值、约束条件等 1. 长细比的影响随着长细比的增大，构件会由材料强度破坏过渡到失稳破坏。考虑长细比影响的承载力折减系数可按下式计算：当 4时， 。 (6-54)当 时， 。 (6-55)式中：d钢管混凝土柱子外径。 le柱的等效计算长度，按式(6-58)或式(6-60)计算。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单肢柱的受压承载力2. 偏心率的影响荷载偏心率以e0/rc表示，e0为柱较大弯矩端的轴向压力对构件截面重心的偏

55、心距，rc为钢管内半径即核心混凝土的半径。钢管混凝土柱考虑偏心率影响的承载能力折减系数按下列公式计算：当 1.55时， 。 (6-56)当 1.55时， 。 (6-57)式中：M2柱两端弯矩设计值之较大者。 N柱轴向压力设计值。e0=M2/N 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单肢柱的受压承载力3. 等效计算长度的计算在钢管混凝土结构设计与施工规程CECS 28:90中对于两支承点间无横向荷载作用的框架柱和杆件，其等效长度应按下列公式确定： (6-59)式中：架柱或杆件的计算长度。L框架柱或杆件的长度。m计算长度系数，按附表或规范取值。K考虑柱身弯矩分布梯度影响的等效长度系数(6-58)

56、6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单肢柱的受压承载力3. 等效计算长度的计算对于轴心受压柱和杆件：k=1。对于无侧移框架柱： 。对于有侧移框架柱：由于侧移使偏心力的作用产生PD效应，对其承载力有不利影响。所以，这种情况下还应考虑偏心率的影响。当 0.8时，k=0.5。当 0.8时， 。式中：b柱两端弯矩设计值之较小值与较大值的比值， 单曲压弯者取正值，双曲压弯者取负值(如图6.26所示)。 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单肢柱的受压承载力3. 等效计算长度的计算对于悬臂柱，其等效计算长度则按下列公式确定：式中：H悬臂柱的长度。 k等效长度系数。悬臂柱的等效长度系数应按下列规定计算并取其中之较大者：当嵌固端的偏心率 0.8时，k=1。 (6-61)当嵌固端的偏心率 0.8时， 。 (6-62)当悬臂柱的自由端有力矩作用时，k=1+b。 (6-63)(6-60) 6.4 钢管混凝土结构设计6.4.5 单