結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(第二版)課件第十一章-鋼管混凝土及鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理學(xué)習(xí)目標：了解鋼管混凝土及鋼-混凝土組合梁的基本概念及主要構(gòu)造要求。本章難點：鋼管混凝土及鋼-混凝土組合梁的主要構(gòu)造要求。第11章鋼管混凝土及鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)

鋼-混凝土組合構(gòu)件：是采用鋼材和混凝土組合，并通過可靠措施使之形成整體受力的構(gòu)件。優(yōu)點：

1）承載力高；

2）剛度大；

3）延性好的結(jié)構(gòu)性能；

4）良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。第11章鋼管混凝土及鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)鋼-混凝土組合構(gòu)件適用范圍：受彎、軸心受壓和偏心受壓等情況。其按截面布置分為兩類：一類是鋼材外露：如鋼-混凝土組合梁和鋼管混凝土柱。一類是鋼材埋置在混凝土內(nèi)：如勁性混凝土梁、壓桿等。11.1鋼管混凝土11.1.1鋼管混凝土的基本概念

鋼管混凝土構(gòu)件：是由薄壁鋼管和填入其內(nèi)的混凝土組成。學(xué)習(xí)目標：了解鋼管混凝土的基本概念及主要構(gòu)造要求。圖11-1鋼管混凝土

鋼管混凝土，在施工工藝方面還具有下列優(yōu)點：（1）鋼管本身可以作為內(nèi)填混凝土的模板；（2）鋼管兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用；（3）鋼管本身又是承重骨架。

理論分析和實踐表明，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，在保持自重相近和承載力相同的條件下：（1）可節(jié)約鋼材約50%，焊接工作量也大大減少；（2）與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件的橫截面面積可減少約50%。11.1.2鋼管混凝土受壓構(gòu)件的受力性能

鋼管混凝土受壓構(gòu)件按長細比不同可分為：短柱、長柱；按軸向壓力作用點不同可分為：軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件。11.1.2.1軸心受壓短柱圖11-2薄壁鋼管混凝土短柱的N—εc曲線

鋼管混凝土柱在工作中處于縱向受壓、環(huán)向受拉的雙向受力狀態(tài)；核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)。受力特點分析：當雙向受力的鋼管處于彈性階段時，鋼管混凝土的體積變化不大。當鋼管達到屈服而開始塑流后，鋼管混凝土的體積因核心混凝土微裂縫的發(fā)展而急劇增長。鋼管的環(huán)向拉應(yīng)力不斷增大，縱向壓應(yīng)力相應(yīng)不斷減小。

鋼管屈服后與核心混凝土之間產(chǎn)生縱向壓力的重分布：

1）鋼管承受的壓力減小，

2）核心混凝土因受到較大的約束而具有更高的抗壓強度。鋼管由主要承受縱向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應(yīng)力。最后，當鋼管和核心混凝土所承擔的縱向壓力之和達到最大值時，鋼管混凝土即告破壞。11.1.2.2軸心受壓長柱和偏心受壓構(gòu)件

試驗表明，鋼管混凝土軸心受壓柱的縱向變形，從加載的初始階段開始就是不均勻的，柱的軸線顯現(xiàn)出彎曲的特征：

1）在接近極限荷載時，彎曲幅度加劇。

2）隨著長細比的增大，極限應(yīng)變急劇減少，承載力（最大荷載）迅速下降。11.1.3構(gòu)造要求鋼管混凝土適合于大跨度、重載及有抗震要求的結(jié)構(gòu)中，其有關(guān)構(gòu)造要求如下：（1）鋼管可采用直縫鋼管、螺旋形焊接管和無縫鋼管。焊接必須采用對接焊縫，并達到與母材等強的要求；（2）鋼管混凝土的套箍指標θ宜限制在0.3~3范圍內(nèi)。

θ≥0.3的規(guī)定是為了防止混凝土等級高時，可能會出現(xiàn)鋼管的套箍能力不足而引起脆性破壞；

θ≤3的規(guī)定是為了防止因混凝土強度等級過低而使構(gòu)件在使用荷載作用下產(chǎn)生塑性變形。（5）鋼管外徑與壁厚比值d/t，宜限制在20至85

之間，防止空鋼管受力時管壁發(fā)生局部失穩(wěn)；若不存在空鋼管受力的情況，則d/t

可不受條件85的限制，式中fu為鋼材的屈服強度。（3）混凝土采用普通混凝土，其強度等級不低于C30；（4）鋼管外徑不小于100mm，管壁厚度不小于4mm；11.2鋼-混凝土組合梁11.2.1基本概念鋼-混凝土組合梁：把鋼梁和鋼筋混凝土板以抗剪連接件連接起來形成整體而共同工作的受彎構(gòu)件。鋼板梁相比，鋼-混凝土組合梁的特點是：（1）充分發(fā)揮了鋼材和混凝土材料各自的材料特性。（2）節(jié)約鋼材，一般講，組合梁比鋼板梁節(jié)約鋼材20%~40%。學(xué)習(xí)目標：了解鋼管混凝土組合梁的基本概念及主要構(gòu)造要求。（3）增大了梁的剛度。組合梁的計算截面比鋼板梁大，如此便增加了梁的剛度，減小主梁的撓度約20%。（4）組合梁的受壓翼板為較寬的鋼筋混凝土板，增強了梁的側(cè)向剛度，防止在使用荷載作用下扭曲失穩(wěn)。（5）組合梁可利用已安裝好的鋼梁支模板，后澆筑混凝土板。（6）組合梁橋在活荷載作用下比全鋼梁橋的噪音小，特別適合在城市中的組合梁橋。

11.2.2組合梁的截面型式

11.2.3不同施工方法的組合梁澆筑或安裝鋼筋混凝土板時，鋼梁下無臨時支撐，此時是利用鋼梁作為腳手架進行鋼筋混凝土橋面板施工，組合梁應(yīng)分為兩個受力階段計算：第一受力階段的荷載為鋼梁、聯(lián)結(jié)系、混凝土和模板等的重量，計算應(yīng)力時采用鋼梁的計算特性；第二受力階段的荷載為橋面鋪裝、欄桿、人行道等重量以及車輛荷載等，由組合梁承受，計算應(yīng)力時采用組合梁的換算截面幾何特性。這種情況鋼筋混凝土板僅參與第二階段的受力。

11.2.4抗剪連接件的種類抗剪連接件的常用種類有：機械結(jié)合的連接件；環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑；采用高強螺栓的摩擦抗剪連接件等。

11.2.5抗剪連接件的構(gòu)造要求11.2.5.1——般規(guī)定（1）栓釘連接件釘頭下表面或槽鋼連接件上翼緣下表面高出翼板底部底部鋼筋不宜小于30mm；（2）連接件沿梁跨度方向的最大間距不應(yīng)大于混凝土翼板（包括板托）厚度的4倍，且不大于400mm；（3）連接件的外側(cè)邊緣與鋼梁翼緣之間的距離應(yīng)不小于20mm；（4）連接件頂面的混凝土保護層厚度不小于15mm。（5）連接件的外側(cè)邊緣至混凝土翼板邊緣之間的距離不應(yīng)小于100mm。11.2.5.2栓釘連接件（1）組合梁中常用的栓釘連接件直徑為8mm、10mm、13mm、16mm、19mm、22mm，目前我國已可制作和焊接直徑不大于22mm的任何尺寸的栓釘。（2）栓釘長度不應(yīng)小于其直徑的4倍；釘頭直徑不小于1.5d，釘頭高度不小于0.4d。（3）當栓釘位置不正對鋼梁腹板時，如鋼梁上翼緣承受拉力，則栓釘桿直徑不應(yīng)大于上翼緣厚度的1.5倍；如鋼梁上翼緣不承受拉力，則栓釘桿直徑不應(yīng)大于上翼緣厚度的2.5倍。

（4）栓釘沿梁軸線方向的間距不應(yīng)小于桿徑的6倍；垂直于梁軸線方向的間距不應(yīng)小于桿徑的4倍。（5）用壓型鋼板做底膜的組合梁，栓釘桿直徑不宜大于19mm，以保證栓釘焊穿壓型鋼板，混凝土凸肋寬度不應(yīng)小于栓釘桿直徑的2.5倍。（6）為保證焊縫質(zhì)量，應(yīng)采用自動栓釘焊接機進行焊接，焊接前應(yīng)進行焊接試驗；焊縫的平均直徑應(yīng)大于1.25d，焊縫的平均高度應(yīng)大于0.2d，焊縫的最小高度應(yīng)大于0.15d。11.2.5.3槽鋼連接件（1）組合梁中槽鋼連接件一般采用Q235軋制的[8、[10、[12、[12.6等小型槽鋼，其長度不超過鋼梁翼緣寬度減去50mm。（2）布置槽鋼連接件時，應(yīng)使其翼緣肢尖方向與混凝土板中水平剪應(yīng)力方向一致。（3）槽鋼連接件僅在其下翼緣的跟部和趾部（垂直于鋼梁的方向）與鋼梁焊接，角焊縫尺寸根據(jù)計算確定，但不得小于5mm；平行于鋼梁的方向不需要施焊，以減少鋼梁上翼緣的焊接變形，節(jié)約焊接工料。11.2.5.4彎筋連接件（1）彎起鋼筋宜采用直徑d不小于12mm的Ⅰ級鋼筋成對對稱布置，用兩條長度不小于4倍（Ⅰ級鋼筋）或5倍（Ⅱ級鋼筋）鋼筋直徑的側(cè)焊縫焊接于鋼板翼緣上，其彎起角度一般為45o。（2）彎筋的彎折方向應(yīng)與混凝土翼板對鋼梁的水平剪力方向相同。（3）每個彎起鋼筋從彎起點算起的總長度不宜小于其直徑的25倍（Ⅰ級鋼筋另加彎鉤）,其中水平段長度不小于其直徑的10倍。

（4）彎筋連接件沿梁長度方向的間距不宜小于混凝土板（包括板托）厚度的0.7倍。（5）彎筋連接件與鋼梁連接的雙側(cè)焊縫長度為4d（Ⅰ級鋼筋）或5d（Ⅱ級鋼筋）。11.2.5.5塊式連接件（1）塊式連接件（如方鋼及T型鋼）必須配置豎向環(huán)形錨筋并與方鋼或T型鋼焊接。（2）用作方鋼連接件的鋼塊長度不應(yīng)大于200mm，寬度不大于40mm，高度不大于50mm。（3）環(huán)形鋼筋的直徑不大于20mm，方鋼連接件的全部高度不大于160mm。11.2.6組合梁中混凝土板的構(gòu)造要求11.2.6.1橫向鋼筋的最小配筋量

橫向鋼筋的最小配筋量應(yīng)滿足fstAe/u≥0.75N/mm2的條件。11.2.6.2橫向鋼筋的布置11.2.7板托的構(gòu)造（1）板托頂部的寬度與板托的高度之比應(yīng)不小于1.5，且板托的高度不大于1.5倍的混凝土板厚度。

（2）板托的外形應(yīng)滿足圖11-6所示的構(gòu)造要求，即板邊緣距連接件的距離不得小于40mm，板外形輪廓應(yīng)在自連接件跟部算起的45o仰角之外。（3）板托中橫向鋼筋的下部水平段應(yīng)布置在距鋼梁上翼緣50mm的范圍內(nèi)。（4）為保證板托中的連接件可靠地工作并有充分的抗掀起能力，連接件抗掀起端底面高出橫向鋼筋下部水平段的距離e不得小于30mm，橫向鋼筋的間距要求與混凝土板中相同。警示園地

-哈爾濱陽明灘大橋引橋垮塌事故1.工程概況：陽明灘大橋位于哈爾濱市西部松花江干流上，因主橋穿越松花江陽明灘島而得名。工程于2009年12月5日開工建設(shè)，2011年11月6日建成通車，估算總投資18.82億元，為黑龍江省第一座鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)自錨式懸索雙塔跨江橋。2.事故描述：2012年8月24日5時30分左右，哈爾濱陽明灘大橋引橋——三環(huán)路群力高架橋洪湖路上橋分離式匝道發(fā)生斷裂。坍塌大梁長為130米左右，屬于整體垮塌，致使4輛大貨車墜橋。側(cè)翻的部分大貨車駕駛室已完全被砸扁。事故當日造成3人死亡、5人受傷。警示園地

-哈爾濱陽明灘大橋引橋事故3.事故原因：事故直接原因是崔勁駕駛超載貨車，雷學(xué)東、洪熙桐、朱志勇駕駛擅自改變機動車外形和技術(shù)數(shù)據(jù)的嚴重超載車輛，在121.96米的長梁體范圍內(nèi)同時集中靠右側(cè)行駛，造成匝道鋼混連續(xù)疊合梁一側(cè)偏載受力嚴重超載荷，而導(dǎo)致匝道傾覆。4.預(yù)防措施：嚴格限制貨車超載，做好獨柱墩橋梁的抗傾覆驗