部分包覆钢混凝土组合结构理论与实践

部分包覆钢-混凝土组合结构

理论研究与工程实践

Research&PracticeofPECStructures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：PartiallyEncasedComposite

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部分包覆钢-混凝土组合结构

PartiallyEncasedCompositeStructuresofSteelandConcrete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结构工程应用及特特点部分包覆钢-混凝土组合结构在在建筑工程中的应应用低层建筑华建实验楼2018建筑位于上海市浦浦东新区，用于工业化建筑的先锋锋技术展示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结构工程应用及特特点部分包覆钢-混凝土组合结构在在建筑工程中的应应用低层建筑（采用用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镇建建筑2017（上海泰大建筑科科技有限公司喜鹊房屋）梁为PEC，NH250ⅹ125ⅹ6ⅹ9，最大跨度6m，跨高比24柱为方钢管，预制制叠合混凝土楼板板PEC结构工程应用及特特点部分包覆钢-混凝土组合结构在在建筑工程中的应应用高层住宅（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。采用管线分离和集集成厨卫。装配率高达90%。PEC结构工程应用及特特点PEC结构得以推广应用用的原因？陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系PEC结构工程应用及特特点PEC构件的特点组合作用（约束作作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部部稳定性，通过增增加整个截面的抗抗弯和抗扭刚度提提高纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混混凝土裂缝早期开开裂。纯钢构的板件失稳稳模态PEC的钢板件失稳模态态腹板失稳被抑制翼缘失稳模态改变变稳定临界应力提高高PEC采用系杆拉接翼缘缘翼缘失稳进一步抑抑制稳定承载力更加提提高PEC结构工程应用及特特点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（约束作作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部部稳定性，通过增增加整个截面的抗抗弯和抗扭刚度提提高纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混混凝土裂缝早期开开裂。表面保护作用（防防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂涂层但保持同样的的性能要求（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缘侧端需要防护当上覆混凝土楼板板时防护面积可进一步步减少PEC结构工程应用及特特点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（约束作作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部部稳定性，通过增增加整个截面的抗抗弯和抗扭刚度提提高纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混混凝土裂缝早期开开裂表面保护作用（防防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂涂层但保持同样的的性能要求（经济性优势）可预制性海外-预制场地，双面填填筑国内-预制工厂，可单面面填筑，一次成型型精工绿筑预制制造造工厂内景PEC结构工程应用及特特点PEC构件的特点组合作用（约束作作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部部稳定性，通过增增加整个截面的抗抗弯和抗扭刚度提提高纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混混凝土裂缝早期开开裂。表面保护作用（防防火防腐）：内填混凝土可以减少主钢件部分表面的防火防腐涂涂层但保持同样的的性能要求（经济性优势）预制性装配性：现场连接采用钢结结构方式PEC结构工程应用及特特点PEC构件的特点组合作用（约束作作用）：填充混凝土提高了开口截面钢的局部部稳定性，通过增增加整个截面的抗抗弯和抗扭刚度提提高纯钢构件的整整体稳定性；钢的外包约束和其他配件一定程度上抑制混混凝土裂缝早期开开裂。表面保护作用（防防火防腐）：内填混凝土可可以减少少主钢件部分表面的防防火防腐腐涂层但但保持同同样的性性能要求求（经济性性优势））预制性装配性：：现场连接接采用钢钢结构方方式内装施工工性H钢梁现场砖块填充预制PEC梁表面平整PEC结构工程程应用及及特点PEC构件的特特点组合作用用（约束束作用））：填充混凝土提提高了开口截面面钢的局局部稳定定性，通通过增加加整个截截面的抗抗弯和抗抗扭刚度度提高纯纯钢构件件的整体体稳定性性；钢的外包包约束和其他配配件一定程度度上抑制制混凝土土裂缝早早期开裂裂。表面保护护作用（（防火防防腐）：：内填混凝土可可以减少少主钢件部分表面的防防火防腐腐涂层但但保持同同样的性性能要求求（经济性性优势）预制性装配性：：现场连接接采用钢钢结构方方式内装施工工性一定程度度轻量化化陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系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24022019015013070结构的最最大适用用高度（（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多高层结结构楼层层相对位位移限值值跨度挠度限值l0<7ml0/200(l0/250)7m≤l0<9ml0/250(l0/300)l0≥9ml0/300(l0/400)部分包覆覆钢-混凝土组组合梁的的最大挠挠度限值值（mm）在编CECS规程主要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规程主要要章节梁设计柱和支撑设计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？梁的设计计计算适用截面面两类基本本截面形形式和弯弯曲轴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≤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面梁T形截面梁梁陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系梁的设计计计算结构分析析方法与与构件计计算非地震作作用组合合情况下下的内力力分析方方法采用弹性性分析，不考虑虑混凝土土开裂，，对弹性分分析结果果采用弯弯矩调幅幅法考虑虑负弯矩矩区混凝凝土开裂裂以及截截面塑性性发展的的影响，，内力调调幅系数数不宜超超过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算规定承载力计计算（抗抗弯、抗抗剪）挠度验算算裂缝宽度度验算梁的设计计计算受弯承载载力计算算（矩形截截面梁））极限状态态基本假假定（1）主钢件与混凝土土可靠连连接,不计相对滑移移；（2）受压区混凝土均达到轴心心抗压强强度，不计受拉区混混凝土的的作用；；主钢件应力均达到钢材材屈服强度；（3）梁腹部部纵向钢钢筋均匀匀受拉或或受压，，其应力力均达到屈服服强度

极限状态应力分布模式

计算公式梁的设计计计算受弯承载载力计算算（T形截面梁梁）T形截面梁梁正负弯弯矩和不不同中和和轴位置置时的受受弯承载载力计算算——图式和公公式PEC梁的受弯弯整体稳稳定承载载力计算算？梁的设计计计算T形截面梁梁（有楼楼板组合合梁）抗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载力可仅仅考虑主主钢件腹腹板贡献献抗剪承载载力计算算一般不需需考虑弯弯、剪耦耦合作用用对承载载力的影影响，但对于T形截面梁梁承受负负弯矩，，且，，对腹板板强度进进行折减减梁的设计计计算例：框架架梁挠度度计算--《组合结结构设计计规范》》固定反反弯点0.1L，正、负负等刚度度整体分析析得到梁梁截面内内力--读PKPM梁内力结结果梁长L弯矩梁长L弯矩曲线拟合折线拟合梁的设计计计算连续梁挠挠度计算算--规范固定定反弯点点0.1L，正、负负等刚度度求得反弯弯点位置置，正弯弯矩区折折减刚度度，负弯矩区平平均等效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计算连续梁挠挠度计算算--规范固定定反弯点点0.1L，正、负负等刚度度求曲率积积分得到到任意截截面挠度度曲率积分分梁长挠度梁长12m，跨中最最大挠度度0.02m梁的设计计计算截面构造造设计

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计算适用截面面条件单H钢PEC构件截面宽厚厚比规定定主钢件受受压翼缘缘外伸部部分陈以一李杰/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/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之间柱的设计计计算轴心受压压构件承承载力计计算截面承载力(强度)PEC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计算单向压弯弯构件承承载力计计算截面压弯弯承载力力陈以一李杰/同济大学土木工程学院建筑工程系极限状态态应力假假定与受受弯构件件截面一一致轴力-弯矩相关关关系及及其简化化绕强轴压压弯绕弱轴压压弯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计算单向压弯弯构件承承载力计计算截面压弯弯承载力力极限状态态应力假假定与受受弯构件件截面一一致轴力-弯矩相关关关系及及其简化化强度公式式与试验验比较(绕强轴压压弯)I区：II区：绕强轴压压弯试验样本本42均值1.499标准差0.367绕强轴压压弯绕弱轴压压弯IIIIII柱的设计计计算单向压弯弯构件承承载力计计算陈以一李杰/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0.482强度计算公式稳定计算公式受剪承载力柱的设计计算算单向压弯构件件承载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式与试试验比较(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算双向压弯构件件承载力计算算截面承载能力力极限状态理论极限状态态承载力相关关曲面Vs设计假定曲面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算双向压弯构件件承载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）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？需继续解决的的构件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件长期期受荷条件下下的刚度计算算双H钢截面构造和和设计方法PEC墙构造和设计计方法（竖向向承重+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？同济大学--精工集团浙江绿筑合作研究？PEC构件力学性能能试验（同济济）梁、柱试验0.03TestSpecimenRigid

arm弹性可保持到到相对转角1/200构件延性系数数可达到3以上H钢受压翼缘宽宽厚比超过14仍可发展较大大塑性变形极限分析假定定得到的截面面抗弯承载力力与试验吻合合上述性能可在在不配置腹板板栓钉的条件件下达到纵向钢筋对抑抑制混凝土表表面裂缝开展展起到作用FFpredicted1/501/30FFpredicted1/501/30弹性可保持到到相对侧移1/200试件承载力均均能达到或超超过塑性极限限分析预测结结果承载力下降15%时绕强轴压弯弯可达1/25相对侧移；绕绕弱轴压弯可可达1/40~1/30柱轴压力如超超过H钢屈服轴压力力，极限后延延性变差栓钉构造可以以省略，但连连杆连接可靠靠性是保证后后期变形能力力的重要环节节0.0051/2001/200PEC构件力学性能能试验（同济济）PEC构件力学性能能试验（同济济）PEC构件力学性能能试验（同济济）PEC构件力学性能能试验（同济济）梁柱节点试验验Bolt

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plateinbeamPrecastCastonsiteDivisionplateTierodPEC构件力学性能能试验（同济济）梁柱节点试验验Testconnection装配式节点可可有效抵抗正正负弯矩；保保证弹性阶段段的节点达到到刚性以节点破坏为为控制模式的的试件呈剪切切破坏，其承承载力可准确确预测节点极限承载载力时节点剪剪切变形可达达0.03rad；承载力下降降15%左右时，剪切切变形可达0.05~0.06rad,节点延性系数数可达10左右，与混凝凝土节点抗剪剪时的脆性特特征显著不同同BeamF-curvesConnectionF-curvesPEC节点试验研究（同济））PEC构件力学性性能试验（（同济）梁裂缝宽度度试验梁裂缝宽度度试验PEC构件力学性性能试验（（同济）同济大学--浙江绿筑合