抗震工程鋼混組合結(jié)構(gòu)

1、第22章 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)2011.06.061本章主要內(nèi)容：鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和使用范圍鋼混凝土組合梁： 鋼混凝土組合梁的形式 剪力連接件 鋼混凝土組合梁的工作機(jī)理 鋼混凝土組合梁的設(shè)計(jì)剪力連接件設(shè)計(jì) 鋼混凝土組合梁正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算222.1 概述鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新結(jié)構(gòu)綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點(diǎn)，易于滿足現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)功能的要求，綜合效益顯著 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)定義 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是鋼部件和混凝土或鋼筋混凝土部件通過(guò)機(jī)械剪力連接件連接組合成為整體而共同工作的一種結(jié)構(gòu)，兼具鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一些特性鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)主要形式

2、 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)有組合梁、組合板、組合桁架和組合柱四大類(lèi)。應(yīng)用最普遍的是組合梁和組合柱，本章只討論組合梁這種結(jié)構(gòu)形式。3組合梁 由鋼梁和鋼筋混凝土板通過(guò)機(jī)械剪力連接件連成整體并共同受力的橫向承重結(jié)構(gòu)，按截面型式分為外包混凝土組合梁和T型組合梁，見(jiàn)下圖。外包混凝土梁即勁性梁，它就是型鋼外包混凝土的構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。一般會(huì)在普通梁配筋太密或不能滿足使用要求的情況下才會(huì)使用勁性柱和勁性梁.本章不討論勁性梁。組合柱 包括鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱。鋼管混凝土是由鋼管和內(nèi)填混凝土所構(gòu)成，而鋼骨混凝土柱則是把鋼柱埋在鋼筋混凝土中，鋼骨混凝土柱又稱(chēng)為型鋼混凝土柱或勁性混凝土柱。鋼骨混凝土柱一般不提倡，因施工

3、工藝特別復(fù)雜。422.2 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：承載力高延性好剛度大抗震性能好構(gòu)件截面尺寸小施工快速方便基礎(chǔ)造價(jià)低缺點(diǎn)：需要防火及防腐522.3 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的適用范圍高層建筑多層房屋高聳結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)其他構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)改造及加固 是否采用組合結(jié)構(gòu)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)性能、有效使用面積、使用效果、施工工期、基礎(chǔ)造價(jià)等進(jìn)行綜合效益分析比較。622.4 應(yīng)用前景 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)對(duì)“輕型大跨、預(yù)制裝配、快速施工”的要求，成為土木結(jié)構(gòu)主要發(fā)展方向之一。722.5 鋼混凝土組合梁22.5.1 鋼混凝土組合梁的特點(diǎn)受力合理、截面高度小、自重輕、剛度大、延性好與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比： 降低結(jié)構(gòu)高

4、度1/31/4 減輕自重40%60% 施工周期縮短1/31/2與鋼梁相比： 剛度增大1/31/4 穩(wěn)定性增強(qiáng) 節(jié)約鋼材需要相當(dāng)數(shù)量的連接件，焊接量大822.5.2 鋼混凝土組合梁的形式 按照截面形式分為外包混凝土組合梁和T形組合梁。T形組合梁按照混凝土翼緣的構(gòu)造不同又分為現(xiàn)澆混凝土翼緣組合梁、預(yù)制板翼緣組合梁、疊合板翼緣組合梁及壓型鋼板混凝土翼緣組合梁，如圖22.5.2所示。 按照鋼梁的不同又可以分為工字型、蜂窩型、箱型、鋼桁架等。如圖22.5.3所示。 組合梁的受力特點(diǎn)： 在組合梁中, 混凝土位于受壓區(qū), 鋼梁主要位于受拉區(qū),能充分利用混凝土抗壓和鋼材抗拉的優(yōu)點(diǎn), 發(fā)揮這兩種材料的強(qiáng)度。22

5、.5.3 剪力連接件設(shè)計(jì)目的：是為了確保臨界截面之間有足夠的剪力連接件來(lái)傳遞鋼梁和混凝土板之間的縱向剪力。主要作用：是為了傳遞鋼梁和混凝土翼緣之間交界面上的剪力并抵抗鋼和混凝土翼緣之間的滑移和分離。9101112剪力連接件的分類(lèi)剛性剪力連接件：傳遞交界面剪力時(shí)不允許變形，剛度大，在連接件周?chē)炷烈疠^高的應(yīng)力集中。在保證鋼梁與連接件的焊接強(qiáng)度的前提下，連接件承載力極限狀態(tài)是以連接件之間的混凝土的剪切破壞或連接件前混凝土的局壓破壞為標(biāo)志的！剛性連接件包括方鋼、T 型鋼、馬蹄型鋼、角鋼等連接件柔性剪力連接件：傳遞交界面的剪力時(shí)有很好的變形能力，允許有一定的相對(duì)滑移值。由于剪力連接件的抗彎剛度相對(duì)

6、較小，縱向剪力會(huì)使連接件變形。連接件承載力極限破壞是由于跨中截面混凝土翼緣上表面達(dá)到了極限壓應(yīng)變，而連接件還有康健能力。柔性連接件包括栓釘、彎筋、槽鋼、錨環(huán)、摩擦型高強(qiáng)螺栓剪力連接件1314常用的柔性連接件是栓釘連接件，主要依靠栓釘根部傳遞剪力。優(yōu)點(diǎn)：1、栓釘截面呈圓形，壓應(yīng)力無(wú)方向性，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。2、很容易焊在鋼梁上，施工簡(jiǎn)單。新型剛性剪力連接件開(kāi)孔鋼板連接件(PBL連接件) 開(kāi)孔鋼板連接件是利用鋼板圓孔中的混凝土或者所穿鋼筋承擔(dān)鋼與混凝土間的作用力的新型接件。它與沿著鋼梁橫向設(shè)置的開(kāi)孔鋼不同，是沿著鋼梁縱向設(shè)置，依靠圓孔中的混凝土加強(qiáng)兩者之間的連接。1522.5.4 鋼混凝土組合梁的工作機(jī)理

7、 通過(guò)剪力連接件把鋼梁和混凝土翼緣（由混凝土樓面板或橋面板等構(gòu)成）練成 連成整體的鋼混凝土組合梁，其截面抗彎承載力和剛度比鋼梁和混凝土翼緣的承載力和剛度的代數(shù)和要大的多，即： 整體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于部分之和。 如圖22.5.5所示以兩個(gè)矩形截面疊合在一起為例，如圖22.5.6.設(shè)兩個(gè)矩形截面之間沒(méi)有剪力連接件，即無(wú)組合作用時(shí)的截面剛度為： ，通過(guò)剪力連接件作用形成整體組合截面的剛度為： ，組合截面和非組合截面的剛度比為： ，在相同的彎矩作用下，截面上的最大應(yīng)力比為： ，比較表明，考慮兩個(gè)假想的矩形截面，考慮他們組合作用的截面剛度是不考慮組合作用時(shí)的4倍，考慮組合作用時(shí)的界面的最大應(yīng)力比不考慮組合作用時(shí)減

8、少50%。說(shuō)明考慮組合作用后，截面剛度和承載力都大幅提高。1622.5.5 鋼混凝土組合梁的實(shí)驗(yàn)研究圖22.5.7為正彎矩作用下典型的鋼混凝土簡(jiǎn)支組合梁的荷載跨中撓度曲線。分為三個(gè)階段：彈性階段（OA）:從開(kāi)始加載到鋼梁下翼緣開(kāi)始屈服之前彈塑性階段（AB）下降段（BC） 滑移變形、滑移應(yīng)變組合梁截面的應(yīng)變分布曲線表明，應(yīng)變沿鋼梁和混凝土翼緣高度近似成線性分布。鋼-混凝土組合梁的破壞屬于典型的延性破壞，其破壞過(guò)程為：鋼梁下翼緣首先屈服 鋼梁截面屈服部分不斷向上發(fā)展 鋼梁從下翼緣開(kāi)始逐漸進(jìn)入塑性，中和軸不斷上移，混凝土翼緣受壓區(qū)的壓應(yīng)力不斷豐滿 混凝土翼緣上表面達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，組合梁達(dá)到極限荷載

9、即峰值荷載 荷載下降過(guò)程中，混凝土翼緣自上而下逐步退出工作，直至混凝土全部破壞 混凝土翼緣全部壓碎退出工作后，組合梁截面的殘余彎矩在理論上圍鋼梁截面塑性極限彎矩1722.9 鋼-混凝土組合梁正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算撓度計(jì)算方法：換算截面法。根據(jù)三項(xiàng)假定講鋼梁和混凝土換算成同一種材料。國(guó)內(nèi)外均按此方法計(jì)算組合梁的截面剛度，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算撓度。但此方法不考慮鋼梁和混凝土翼緣之間的滑移效應(yīng)，得到的撓度計(jì)算值偏小，偏于不安全折減剛度法。清華大學(xué)深入考慮滑移效應(yīng)，可以精確地計(jì)算組合梁的撓度和彈性彎曲應(yīng)力，與國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。22.9.1 鋼-混凝土組合梁的撓度驗(yàn)算 鋼-混凝土組合梁的撓度驗(yàn)

10、算方法與鋼筋混凝土梁相同，截面剛度由彈性換算截面法確定，計(jì)算撓度時(shí)按照沿梁長(zhǎng)為等剛度進(jìn)行。按照22.6中公式計(jì)算1822.9.2 鋼-混凝土連續(xù)組合梁的撓度驗(yàn)算鋼混凝土連續(xù)組合梁的受力與簡(jiǎn)支組合梁不同，在正彎矩區(qū)的受力性能與鋼混凝土簡(jiǎn)支組合梁相同，混凝土受壓，鋼筋受拉。負(fù)彎矩區(qū)，混凝土受拉，鋼梁受壓。混凝土開(kāi)始出現(xiàn)裂縫厚，負(fù)彎矩區(qū)段剛度不斷減小，負(fù)彎矩區(qū)的實(shí)際彎矩小于彈性彎矩計(jì)算值，跨中彎矩大于彈性彎矩計(jì)算值，即發(fā)生彎矩重分布。據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，可以簡(jiǎn)單近似取支座兩側(cè) 范圍內(nèi)的剛度為鋼梁和鋼筋所構(gòu)成的剛度，即在連續(xù)組合梁這個(gè)范圍內(nèi)，不考慮混凝土對(duì)截面剛度的貢獻(xiàn)，僅僅考慮鋼梁和鋼筋的作用。1922

11、.9.2 鋼-混凝土連續(xù)組合梁的撓度驗(yàn)算在內(nèi)支座 范圍以外的其他區(qū)段，仍然取組合梁的彈性換算截面剛度，剛度取值模型如圖22.9.1所示，圖中EI表示正彎矩作用區(qū)段組合截面的彈性換算截面剛度， 表示EI與負(fù)彎矩區(qū)段鋼梁和鋼筋組成的剛度之比值。值得一提的是，在得到連續(xù)組合梁的截面剛度后，還要知道在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的彎矩圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究成果，可以近似的按照下式確定中支座彎矩調(diào)幅系數(shù) ：式中： 負(fù)彎矩區(qū)力比 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用按照彈性方法得到的連續(xù)組合梁支座負(fù)彎矩值 計(jì)算極限彎矩 20 內(nèi)支座的實(shí)際負(fù)彎矩可以近似由下式確定： 計(jì)算鋼-混凝土連續(xù)組合梁的長(zhǎng)期變形時(shí)，可以取內(nèi)支座兩側(cè) 范圍以外的其它區(qū)段的剛度為長(zhǎng)

12、期剛度，內(nèi)支座兩側(cè) 范圍以內(nèi)剛度仍為鋼梁和鋼筋的剛度。22.9.3 部分剪力連接組合梁的撓度計(jì)算剪力連接程度：完全剪力連接：如果配置的剪力連接件傳遞的剪力能夠保證組合梁達(dá)到塑性極限抗彎承載力，稱(chēng)之為完全剪力連接；部分剪力連接：如果配置的剪力連接件傳遞的剪力不能保證組合梁達(dá)到塑性極限抗彎承載力，稱(chēng)之為部分剪力連接； 設(shè)完全剪力連接設(shè)計(jì)需要的連接件數(shù)量為 ，而實(shí)際配置的連接件數(shù)為 ，則剪力連接程度系數(shù) 為 。組合梁的極限抗彎能力隨著 的增大而提高，當(dāng) 時(shí)，即完全剪力連接時(shí)，組合梁達(dá)到塑性極限抗彎承載力。21當(dāng)剪力連接程度系數(shù) ，鋼梁與混凝土翼緣交界面的滑移效應(yīng)增大，使組合梁的撓度比按照換算截面法的

13、計(jì)算值要大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，部分剪力連接組合梁的撓度 可以近似按照如下公式計(jì)算：式中： 完全剪力連接組合梁由彈性換算截面法得到的 計(jì)算撓度 由鋼梁?jiǎn)为?dú)承受組合梁所承受的使用荷載時(shí)的撓度22.9.4 施工方法對(duì)鋼混凝土組合梁撓度計(jì)算的影響 鋼混凝土組合梁施工方法分為帶臨時(shí)支撐施工和不帶臨時(shí)支撐施工兩種。對(duì)于跨度比較大的組合梁，宜帶臨時(shí)支撐施工否則會(huì)因?yàn)闉榱藵M足撓度要求而增大鋼梁截面。組合梁的撓度應(yīng)當(dāng)是當(dāng)形成組合截面之后在使用荷載下組合梁的撓度與鋼梁在施工荷載作用下（包括鋼梁和混凝土的自重與施工活荷載）撓度的疊加。在進(jìn)行組合梁的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意鋼梁在施工階段的強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算。2222.9.5 鋼混凝土

14、連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)的裂縫寬度 驗(yàn)算（圖22.9.2） 計(jì)算原理與鋼筋混凝土相同，最大裂縫寬度可以按照下列公式計(jì)算：2322.10 構(gòu)造要求組合梁截面高度h不宜超過(guò)鋼梁截面高度 d的2.5倍 混凝土板托高度 不宜超過(guò)翼緣板厚 的1.50倍，板托的頂面高度不宜小于 的1.5倍 組合梁邊梁混凝土翼緣板的構(gòu)造應(yīng)滿足圖22.10.1所示的要求。有板托時(shí)，伸出長(zhǎng)度不小于 ，無(wú)板托時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足伸出鋼梁中心線不小于150mm，伸出鋼梁翼緣邊不小于50mm。連續(xù)組合梁在中間支座負(fù)彎矩區(qū)的上部縱筋及分布鋼筋按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定設(shè)置?？辜暨B接件的設(shè)置 應(yīng)符合規(guī)定：連接件抗掀起端底面宜高出翼緣板底部鋼筋頂面3

15、0mm連接件的最大間距不大于混凝土翼緣板（包括板托）厚度的四倍 ，且不大于400mm部分抗剪連接的抗剪連接件實(shí)配個(gè)數(shù) 不得小于 的50%2425連接件的外側(cè)邊緣與鋼梁翼緣邊緣之間的距離不小于20mm連接件的外側(cè)邊緣至混凝土翼緣板邊緣間的距離不小100mm連接件頂部的混凝土保護(hù)層厚度不小于15mm栓釘連接件應(yīng)滿足：當(dāng)栓釘位置不正對(duì)鋼梁腹板時(shí)，如鋼梁翼緣承受拉力，則栓釘焊桿直徑不應(yīng)大于鋼梁上翼緣厚度的1.50倍；如鋼梁上翼緣不承受拉力，則栓釘焊桿直徑不應(yīng)大于鋼梁翼緣厚度的2.50倍栓釘沿梁軸線方向的間距不小于焊桿直徑的6倍栓釘垂直于梁軸線方向的間距不小于焊桿直徑的4倍栓釘對(duì)于用壓型鋼板做底模板的組合梁，栓釘焊桿直徑不大于1