钢与混凝土组合结构设计二

第八章

钢与混凝土组合结构Steel-ConcreteCompositeStructures钢材：良好的抗拉和延性混凝土：优良的抗压强度和较大的刚度，混凝土的存在的提高了钢材的整体屈曲和局部屈曲性能钢-混凝土组合结构：良好的强度、刚度、延性及良好的耗能能力1.赵鸿铁著，《组合结构设计原理》，科学出版社2.聂建国等，《钢-混凝土组合结构》，建筑工业出版社3.刘维亚编，《钢与混凝土组合结构理论与实践》，建筑工业出版社4.JohnsonRP,CompositeStructuresofSteelandConcrete,OXFORD:BlackwellScientificPublications5.薛建阳编，《钢与混凝土组合结构》,华中科技大学出版社参考书一、概述二、钢与混凝土组合结构三、钢与混凝土组合结构的发展与应用四、高层建筑组合结构布置举例主要内容一、概述由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体，共同受力、协调变形的结构，称为组合构件。定义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系。专指型钢或用钢板焊接成的钢骨架？钢筋混凝土梁钢筋混凝土组合结构的特点PPDPDP钢筋混凝土梁素混凝土梁PD钢筋混凝土梁素混凝土梁充分发挥混凝土抗压性能增强梁的刚度、强度和延性均匀裂缝D钢与混凝土组合结构第五大结构体系木结构砌体结构钢结构钢筋混凝土结构施工方便造价相对较低承载力高刚度和延性大抗震性能好五大类二、钢与混凝土组合结构50多年来组合结构的研究与应用得到迅速发展，至今已成为一种公认的新的结构体系。其与传统的四大结构并列，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。钢与混凝土组合结构五大类压型钢板与混凝土组合板钢与混凝土组合梁型钢混凝土结构钢管混凝土结构外包钢混凝土结构1.压型钢板与混凝土组合板定义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1.压型钢板与混凝土组合板1.压型钢板与混混凝土组合合板1.压型钢板与混混凝土组合合板1.压型钢板与混混凝土组合合板1.压型钢板与混混凝土组合合板优点压型钢板可可以作为现现浇混凝土土的永久模模板。这样样就省掉了了施工中安安装和拆除除模板等工工序，从而而节省了时时间和劳动动力。当压型钢板板安装好以以后将可以以作为施工工平台使用用。同时由由于不必使使用临时支支撑，也不不影响下一一层施工平平面的工作作。压型钢板可可以作为楼楼板的底筋使用，减少少了安装板板筋的工作作量。根据据压型钢板板的不同截截面形状，，最多可以以减少30％的楼板混混凝土用量量。减少的的楼板自重重又可以相相应的减少少梁、柱和和基础的尺尺寸，提高高了结构的的整体性能能。1.压型钢板与混混凝土组合合板优点压型钢板的的肋部可以以放置水电电管线，从从而使结构构层与管线线合为一体体，间接地地加大了层层高或降低低了建筑高高度，给建建筑设计带带来灵活性性。在施工阶段段，压型钢钢板可作为为钢梁的连连续侧向支支撑，提高高了钢梁的的整体稳定定承载力；；在使用阶阶段，提高高了钢梁的的整体稳定定性和上翼翼缘的局部部稳定性。。可以相当大大程度地缩短施工时时间，取得得良好的经经济效益。1.压型钢板与混混凝土组合合板型钢混凝土土组合结构构构件中的的型钢钢板板厚度不宜宜小于6mm2.钢与混凝土土组合梁定义将型钢梁与与混凝土翼翼板通过抗抗剪连接件件相连在一一起形成一一个整体共共同工作的的组合梁。。混凝土板可可以是现浇浇混凝土板板，也可以以是预制混混凝土板、、压型钢板板混凝土组组合板或预预应力混凝凝土板。钢梁可以用用轧制或焊焊接钢梁。。钢梁形式有有工字钢、、槽钢或箱箱形钢梁。。混凝土板与与钢梁之间间用剪切连连接件连接接，使混凝凝土板作为为梁的翼缘缘与钢梁组组合在一起起，整体共共同作用形形成组合T形梁。2.钢与混凝土土组合梁带板托的组组合梁无板托的组组合梁组合梁的形形式2.钢与混凝土土组合梁2.钢与混凝土组合合梁2.钢与混凝土组合合梁2.钢与混凝土组合合梁2.钢与混凝土组合合梁2.钢与混凝土组合合梁常州市龙城大桥桥主桥采取自锚式式悬索斜拉协作作体系，主梁采采用箱形结构，，主跨跨中部分分采用混凝土－－钢结合梁，其其余部分采用预预应力混凝土箱箱梁。2.钢与混凝土组合合梁常州市龙城大桥桥梁纵向五道腹板板。钢纵梁为全全焊接结构，由由底板和5道腹板组成，底底板和外侧斜腹腹板组成一个槽槽形断面。2.钢与混凝土组合合梁张江立交改建工工程组合箱梁截面组合板梁截面2.钢与混凝土组合合梁张江立交改建工工程1.节省钢材，，降低造价。通过变更设计，，将钢箱梁（1866.975t）和钢板板梁（628.748t）改改为钢混叠合梁梁（556.2t），节省用用钢量1939.523t。。原预算价为3000万元，，根据图纸现预预算价2000万元，节省1000万元。。2.增加了预制制环节，为现场场施工争取了时时间。这种型式的结构构极具推广价值值，特别适于改改建工程。在满满足行车要求的的情况下，不但但大量节省了用用钢量，降低了了造价，而且实实施快速。工程经验2.钢与混凝土组合合梁中铁大桥局的建建设者在上海长长江大桥上架设设钢—混凝土组合梁优点节省钢材，降低低造价。增加了了预制环节，为为现场施工争取取了时间。使混凝土受压，，钢梁主要是受受拉与受剪，受受力合理强度与与刚度显著提高高，充分利用了了混凝土的有利利作用。并且由由于侧向刚度大大的混凝土板与与钢梁组合连接接在一起，很大大程度上避免了了钢结构容易发发生整体失稳与与局部失稳的弱弱点。2.钢与混凝土组合合梁3.型钢混凝土结构构定义型钢混凝土结构构又称钢骨混凝凝土结构或劲性性钢筋混凝土结结构，是在混凝凝土根据配钢形式的的不同，型钢混混凝土结构可以以分为实腹式配配钢和空腹式配配钢。中主要配置型钢钢、并配有一定定纵向钢筋和箍箍筋的结构。日本：钢骨混凝凝土结构(SteelReinforcedConcrete)。英、美等西方国国家称之为混凝凝土包钢结构(SteelEncasedConcrete)前苏联称之为劲劲性钢筋混凝土土结构。日本起源于1910年代。从欧洲传入日本本的护墙结构将将型钢作为骨架架埋入石护墙，，这就是日本型型钢混凝土结构构的起源。31日本1918年，内田祥三旧东京海上大楼楼中(地上7层)柱和内部大梁用用钢筋混凝土外外包型钢代替型型钢周围的砖石石，现代意义上上的型钢混凝土土结构就这样在在日本诞生了。。1921年，内藤多仲日本兴业银行，，是一座总面积积约14000m2、高约30m的型钢混凝土建建筑，经受了1923年的关东大地震震而几乎没有破破坏。32日本1978年，宫城县冲绳绳地震在调查的95栋型钢混凝土建建筑中，仅有17栋发生主体轻微微破坏。20世纪30年代至60年代日本的型钢钢混凝土以空腹腹式配钢为主，，70年代以来以实腹腹式配钢为主要要形式。33日本1981年至1985年多高层建筑中，，六层以上占总总数的45.2%，建筑面积占总总面积的62.8%,10～15层的高层建筑中中，90%16层以上的超高层层建筑中，达到到50%即使以钢结构为为主体的高层建建筑，其底部几几层也多采用型型钢混凝土结构构。1995年1月，日本关西大大地震倒塌和严严重破坏的建筑筑物中，钢筋混混凝土结构占55%，钢结构占38%，而SRC结构及其混合结结构仅占7%，进一步验证了了SRC结构良好的抗震震性能34欧美SRC结构在欧美的研研究应用远不如如日本广泛，但但是最早的型钢钢混凝土结构却却是出现在欧洲洲。1904年，在英国，为为了提高建筑物物内钢柱的耐火火性能而将其埋埋置于混凝土内内，从而产生了了世界上最早的的型钢混凝土柱柱。随后，欧美美各国开始了对对这种新型结构构的研究与应用用。35欧美美国达拉斯第一一国际大厦，72层，726m休斯顿第一城市市大楼，共49层，高207m休斯顿得克斯商商业中心大厦，，79层，305m休斯顿海湾大楼楼，52层，221m澳大利亚悉尼堪堪特斯中心198m，采用钢筋混凝凝土内筒，型钢钢混凝土外柱。。新加坡财政大楼楼，55层，242m，采用型钢混凝凝土核心筒。雅加达中心大厦厦，23层，84m，采用型钢混凝凝土柱，钢筋混混凝土梁及钢梁梁。363.型钢混凝土结构构型钢混凝土构件件截面形式3.型钢混凝土结构构3.型钢混凝土结构构北京国贸三期,高330米，80层，主塔楼主体体结构为筒中筒筒结构，外部的的型钢混凝土框框架筒体与内部部的型钢混凝土土支撑核心筒体体的组合。抗震震等级8级，设计难度和和施工难度为世世界超高层建筑筑结构所罕见。。3.型钢混凝土结构构南通国际会议中中心项目:总高度（含避雷雷针）275米，混凝土结构构高度208米，钢结构塔顶顶高度254米，地下2层，地上55层，裙楼5层，总建筑面积积12万平米，地上建建筑面积11万平米。结构形形式为核心筒加加型钢混凝土柱柱结构,由中国建筑上海海设计研究院设设计。3.型钢混凝土结构构大连期货广场:为双子楼建筑，，每栋建筑面积积21.1万平方米，地上上53层，地下3层，高约232米。结构体系为为剪力墙核心筒筒-钢框架混合结构构，全玻璃幕墙墙。3.型钢混凝土结构构中银大厦:整座大楼采用由由八片平面支撑撑和五根型钢混混凝土柱所组成成的混合结构““大型立体支撑撑体系”。3.型钢混凝土结构构优点在混凝土中配置置型钢，可以轧轧制也可以焊接接。一般在大型型建筑中经常配配置焊接型钢，，可以根据构件件截面大小、受受力特点，考虑虑到受力的合理理性，灵活的选选择焊接型钢各各个板件宽度与与厚度。型钢混凝土结构构不仅强度、刚刚度明显增加，，而且延性获得得很大的提高，，从而成为一种种抗震性能很好好的结构，所有有尤其适用于地地震区。比起钢结构建筑筑，采用型钢混混凝土结构节省省了大量钢材，，降低了造价，，而且避免了钢钢结构建筑防锈锈、防腐蚀、防防火性能差，需需要经常性维护护等弱点。4.钢管混凝土结构定义钢管混凝土结构构是在钢管内填填充混凝土而形形成的结构。在钢管内可以配配置钢筋，也可可以只填充混凝凝土。按截面形式的不不同，可分为圆圆钢管混凝土、、方钢管混凝土土和多边形钢管管混凝土结构。。4.钢管混凝土结构圆钢管混凝土方钢管混凝土矩形钢管混凝土土钢管混凝土截面面形式4.钢管混凝土结构4.钢管混凝土结构钢管混凝土节点点形式4.钢管混凝土结构（1）圆钢管混凝土土柱的特点：利用钢管约束混混凝土，将混凝凝土由单向受压压转变为三向受受压。钢管混凝凝土结构充分发发挥混凝土和钢钢材各自的优点点，避免了钢材材特别是薄壁钢钢材容易失稳的的缺点，所以受受力合理，大大大节省材料。圆钢管混凝土结结构的最大弱点点是圆形截面的的柱与矩形截面面的梁连接比较较复杂，是推广广圆钢管混凝土土结构的一大障障碍。4.钢管混凝土结构(2)方钢管混凝土柱柱的特点：克服了圆钢管混混凝土柱的一些些缺点。可以用用作偏心受压柱柱，房屋的外观观较好；连接面面为平面，节点点构造比较简单单；方钢管构成成封闭截面，自自身刚度较大；；由于钢材都分分布于截面外边边，抗弯承载力力较高；钢板为为连续配置，提提高了对混凝土土的约束作用，，故构件的延性性比钢筋混凝土土结构明显提高高；省去模板，，方便施工。4.钢管混凝土结构赛格广场:总高355.8米，总建筑层79层，是目前世界界最高的钢管混混凝土结构大厦厦，是深圳市跨跨世纪的标志性性建筑。总建筑筑面积达17万平方米。赛格格观光位于赛格格广场的71、72层，登高临望，，深圳和香港的的都市风貌尽收收眼底，犹如一一幅美丽的画卷卷。“赛格电子子市场”是世界界规模最大的电电子交易市场。。4.钢管混凝土结构天津津塔工程:总建筑面积约为为34.6万平方米，由一一幢75层高的办公楼及及一幢30层高的公寓楼组组成。地下四层层，办公楼结构构体系为钢管混混凝土柱框架+核心筒钢板剪力力墙体系+外伸刚臂抗侧体体系组合结构，，是全球范围内内采用钢板剪力力墙结构技术建建成的最高建筑筑。公寓楼结构构体系为钢筋混混凝土+剪力墙体系。檐檐高为336.9米。津塔采用的的是目前最先进进的钢板剪力墙墙结构，2011年该建筑获得了了美国加州建筑筑结构设计奖。。4.钢管混凝土结构迪拜塔：162层，高度为818米，“迪拜塔塔”建造在一个个3.7米厚的三角形结结构的基座上，，这个三角形基基座由192根直径为1.5米的钢管桩或支支柱缸体支持。。这些钢管桩或或支柱缸体深入入地下50米。4.钢管混凝土结构南宁永和大桥：：横跨邕江，北连连中华路，南接接南建路，主孔孔净跨径为335.40m，是迄今为止的的世界上最大跨跨度的下承式有有推力钢管混凝凝土拱桥。4.钢管混凝土结构连徐高速公路京京杭运河特大桥桥：全长2577米，为三跨自锚锚式空间曲线钢钢管混凝土拱桥桥，是当时国内内跨径最大的提提篮式钢管混凝凝土拱桥，2001年12月建成，荣获““詹天佑土木工工程大奖”。4.钢管混凝土结构丫髻沙大桥丫髻沙大桥：跨越珠江主航航道，是一座特大型钢管混凝凝土拱桥。全长1084米，主桥上部结结构为3跨钢管混凝土中中承式桁架肋系系杆拱，跨越珠珠江主副航道、、丫髻沙岛，跨跨径达360米，为当时世界界同类桥梁第一一。5.外包钢混凝土结结构定义亦简称外包钢结结构，指在混凝凝土构件外部配配置钢板或角钢钢的结构。它可以满足大中中型工业厂房内内固定各类管道道线路而不需设设置预埋件，也也可以可以用于于已有建筑物的的加固改造。5.外包钢混凝土结结构5.外包钢混凝土结结构外包钢加固柱5.外包钢混凝土土结构柱包钢5.外包钢混凝土土结构外包钢加固混混凝土梁5.外包钢混凝土土结构外包钢加固混混凝土板钢与混凝土组组合结构五大类压型钢板与混凝土组合板钢与混凝土组合梁型钢混凝土结构钢管混凝土结构外包钢混凝土结构6.型钢混凝土墙墙体结构CompanyLogo定义在钢筋混凝土土剪力墙或钢钢筋混凝土核核芯筒壁中加加入H型钢形成型钢钢混凝土墙体体结构。组合结构形式式CompanyLogo(1)钢筋混凝土核核芯筒，钢框框架(含支撑)，钢梁组合楼楼面(2)钢筋混凝土核核芯筒，钢外外框筒，钢梁梁组合楼面(3)钢筋混凝土核核芯简，钢外外桁架筒，钢钢梁组合楼面面(4)钢筋混凝土外外框简，钢内内柱，钢梁组组合楼面(5)钢筋混凝土竖竖向抗侧力结结构，钢梁组组合楼面钢与混凝土组组合结构，已经广泛地应应用于实际工工程中！三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用压型钢板混凝凝土组合楼板板开始应用于欧欧美国家。组组合板的设计计计算的关键键问题是解决决压型钢板与混混凝土的组合合剪切计算。美国的Porter和Ekberg教授等首先在在实验的基础础上，提出了了组合面纵向向剪切承载能能力的计算方方法，使得组组合板的设计计计算理论推推进一步，并并逐步推广到到世界其他国国家。冶金部部建筑研究总总院在对大量量国产压型钢钢板组合板实实验研究的基基础上，提出出了我国自己己的计算公式式。三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用我国从20世纪50年代开始，首首先在桥梁结结构中应用了了组合梁，并并进行过少量量实验。组合合梁的计算与与应用中的一一个关键问题题是连接问题。美国、英国国等首先用推推出实验得出出剪切连接件件强度计算公公式，并纳入入英国规范CP110；我国的郑州州工学院、哈哈尔滨建工学学院、清华大大学等先后开开展了研究工工作。《钢结构设计规规范》(GBJ17-88)首次将组合梁梁的设计方法法纳入规范。。三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用关于型钢混凝土结结构的计算理论，，国际上主要要有三种类型型：①欧美的计算理理论基于钢结结构的计算方方法，考虑混混凝土的作用用，在实验基基础上将实验验曲线进行修修正，突出反反映在组合柱柱的计算上。②前苏联关于型型钢混凝土结结构的计算理理论是基于钢钢筋混凝土结结构的计算方方法，认为型型钢与混凝土土是完全共同同作用的，因因此实验证明明前苏联计算算方法在某些些方面偏于不不安全。③第三种类型是是日本建立在在叠加理论基础础上的方法，认为型钢混混凝土结构的的承载能力是是型钢与混凝凝土两者承载载力的叠加。。比较证明，，日本的计算算方法偏于安安全。三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用我国在型钢混凝土结结构方面的研究与与应用始于20世纪80年代初。西安安建筑科技大大学、冶金部部建筑研究总总院等科研单单位最早对其其进行研究，，并于1989年提出了《型钢混凝土结结构设计建议议》。1997年主要参考日日本规程，原原冶金部颁发发了行业标准准《钢骨混凝土结结构设计规程程》（YB9082-97)，忽略型钢与与混凝土之间间的粘结作用用，认为二者者独立工作，，并考虑混凝凝土主要承受受轴压力，型型钢主要抗弯弯，承载力叠叠加计算，计计算结果偏小小,不适合我国国国情；2001年又根据我国国的研究成果果和和设计经经验，由建设设部颁布了《型钢混凝土土组合结构技技术规程》（（JGJ138-2001）。假定是沿用用钢筋混凝土土构件计算中中的钢筋与混混凝土变形协协调假定，刚刚度可以简单单叠加法，承承载力计算复复杂。三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用早在1879年英国就在铁铁路桥的建设设中应用了钢管混凝土结结构，随后，美国国、法国、前前苏联和日本本等相继将钢钢管混凝土结结构应用于房房屋中，尤其其是超高层结结构。我国自自20世纪60年代开始引入入钢管混凝土土柱，并广泛泛应用于工业业厂房、高炉炉和锅炉支架架、输（变））电塔架、公公路和城市桥桥梁、以及高高层建筑中。。原中科院哈哈尔滨土建研研究所、哈尔尔滨建工学院院、中国建筑筑科学研究院院等单位先后后开展了较为为系统的研究究工作。三、钢与混凝凝土组合结构构的发展与应应用我国至今尚无无一部完整的的关于组合结结构设计的国国家规范。但但是近几十年年，特别近20年来在大量学学者的研究成成果与应用基基础上，各部部制订了一些些专项规程。。这些规程的的颁发，一方方面推动了组组合结构在我我国的推广应应用，另一方方面也说明了了目前工程界界急切需要一一部完整的统统一的组合结结构设计规范范，可供设计计遵循。这部部规范应当主主要建立在我我国自己研究究成果的基础础上，比较成成熟、完善，，又适合我国国国情的规范范，它应该是是我们工程界界的研究、设设计、施工人人员及有关学学者共同完成成的一项有意意义的任务。。进一深入研究究的意义四、高层建