组合结构1

山东科技大学钢结构工程研究所王来钢-混凝土组合结构第一节钢-混凝土组合结构概论由几种不同受力性质的建筑材料组成、在荷载作用下具有整体作用的结构称为组合结构。根据组成材料的不同，组合结构有诸多类型。目前，组合结构一般是指由钢材（包括轧制或焊接成型钢、钢筋）和混凝土的结构，统称钢-混凝土组合结构（Steel-concretecompositestructure）。组合结构具有能发挥不同材料各自的优良性能，钢材、混凝土的利用比较充分，造价较低，抗震性能好以及施工方便等优点。组合板组合梁组合柱钢管混凝土组合墙一.组合结构的分类1.钢-混凝土组合楼盖结构（Steel-concretefloorcompositestructure）钢-混凝土组合楼盖结构（也称为钢-混凝土组合梁结构）是指通过抗剪连接件连接钢梁和混凝土板的结构体系。按楼板形式分类，有以下四种：（1）现浇钢筋混凝土板组合楼盖如图1.1.1所示。这类组合楼盖的特点是混凝土板在现场浇筑，需要搭设脚手架，安装模板，施工周期较长。（2）预制钢筋混凝土板组合楼盖其连接构造如图1.1.2所示，预制混凝土板支承于钢梁上。为了抵抗混凝土板和钢梁之间的纵向剪力，在钢梁上应焊有抗剪连接件，在板的边缘应有槽口以便连接件穿过，用细石混凝土浇灌槽口与板间缝隙，并采取措施保证板与钢梁以及板与板之间的可靠连接。这类组合楼盖的缺点是传递水平力的能力较差，楼板施工时影响钢结构的吊装。（3）钢-混凝土叠合板楼盖混凝土叠合板翼缘由预制板和后浇混凝土层构成，预制板既作为模板，又作为楼板的一部分参与楼盖受力。图1.1.3为采用混凝土叠合板的组合屋面梁。近年来，钢-混凝土叠合板组合楼盖结构成功地应用于火力发电厂主厂房等工程，技术经济效益和社会效益比较显著。（4）压型钢板-混凝土板组合楼盖压型钢板-混凝土板组合楼盖由压型钢板-混凝土板、抗剪连接件和钢梁三部分组成，如图1.1.4所示。抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交界面的纵向剪力，抵抗相对滑移，以保证二者共同工作。这种楼盖主要应用于高层钢结构建筑中，结构性能较好，综合经济效益优于其他组合楼盖。压型钢板用冷轧钢板或镀锌薄钢板制作，宜采用后者，一般厚度为0.5-1.2mm。图1.1.5为部分国产压型钢板的板型。国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003、电力行业标准《钢-混凝土组合楼盖结构设计规程》DL/T5085-1999等对压型钢板-混凝土组合楼盖的设计作了规定。2.型钢混凝土组合结构（Steelreinforcedconcretecompositestructure）混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构称为型钢混凝土组合结构。也称其为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构。型钢混凝土结构除了用于框架结构、剪力墙结构外，也可制作拱和壳体，在桥梁和原子能反应堆保护壳等工程中使用。承载力高、构件截面较小、可降低结构层高；利用型钢的承载力减少模板工程量、缩短工期；结构延性好、抗震性能优良；耐久性和防火性能均明显优于钢结构。建设部制定了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规定》JG138-2001，电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》DL/T5085-1999，冶金工业部行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》YB9058-97等。3.钢管混凝土组合结构（Concretefilledsteeltubularcompositestructure）钢管混凝土结构是用混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构，通常不必配置钢筋。钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点，受力合理，节省材料。其基本原理有二：一是借助核心混凝土增强钢管壁的稳定性，二是借助钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的强度和变形能力。图1.1.7钢管混凝土1990年国家建材工业局颁发《钢管混凝土设计与施工规程》CJ101-89。1991年中国工程建设标准化协会制定了《钢管混凝土结构设计与施工规程》CECS28：90。1999年电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》DL/T5085-1999发布，促进了钢管混凝土组合结构在我国的发展。2004年中国工程建设标准化协会制定了《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS159-2004钢管混凝土在我国高层建筑中的应用发展很快，自20世纪90年代以来，经历了由局部采用、大部分采用到全部采用钢管混凝土柱的过程。已建成有北京的世界金融大厦（36层，高度120m，1998年）、深圳的赛格大厦（76层，高度291.6m,1999年，图1.1.8）等。美国双联大厦（TwoUnionSquare）56层，高度220m，于1989年建成，钢管混凝土柱截面1400×25，内灌混凝土强度等级高达C130。图1.1.8深圳赛格大厦钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式如图1.1.9所示。图1.1.10为钢管混凝土拱肋的截面形式。1990年，钢管混凝土技术首次成功应用于跨度115m的四川省旺苍东河大桥（图1.1.11）。图1.1.9钢管混凝土结构桥梁结构图1.1.10钢管混凝土拱肋结构截面形式图1.1.11四川省旺苍东河大桥4.外包钢混凝土组合结构（Steelencasedreinforcedconcretecompositestructure）外包钢混凝土结构是指外部配钢的钢筋混凝土结构，简称外包钢结构。应用较多的是四角配置角钢的钢筋混凝土结构，角钢的外表面与混凝土表面取平或稍突出表面0.5-1.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋保护层的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接（图1.1.12）。图1.1.12外包钢构件组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作机理，是由二者之间的粘结力、抗剪连接件及钢材对混凝土的约束作用实现的。压型钢板与混凝土组合楼板的共同工作，主要依靠钢板上压制的齿槽、穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件或焊在压型钢板端部的横向钢筋的作用。钢-混凝土组合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪连接件形成。所以，抗剪连接件设计是工程关键之一，计算和构造都应满足规定的要求。型钢混凝土结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用，有时也设置抗剪连接件。钢管混凝土结构的共同工作主要依靠钢管与混凝土的相互约束、层间横隔板等形成。二.组合结构的共同工作第二节钢-混凝土组合板一、组合梁板的基本原理非组合梁。由混凝土板和钢梁组成的楼盖结构中，若二者交界面处没有连接措施，则在竖向荷载作用下，混凝土板截面和钢梁截面的弯曲变形相互独，各自有中和轴。若忽略摩擦力，交界面上仅有竖向压力，二者之间必定发生相对水平滑移错动。所以，其受弯承载力M=M1+M2组合梁。如果在钢梁上翼缘设置足够的抗剪连接件并伸入混凝土板形成整体，阻止板和钢梁之间的相对滑移，使二者的弯曲变形协调，共同承担荷载的作用，则称为组合梁。在荷载作用下，组合梁截面仅有一个中和轴，混凝土板主要承受压力，钢梁主要承受拉力。与非组合梁相比，组合梁的中和轴高度和内力臂增大，其受弯承载力显著提高。组合梁的截面高度大，因而刚度也大。CzTzM掀起作用。一般在板梁交界面上的竖向分布力为压力。当荷载作用于钢梁上时，交界面上竖向分布力为拉力，将引起板、梁的分离。组合梁中这种上下层分离的趋势称为掀起作用。由于掀起力远小于交界面上的剪切力，而且抗剪连接件的形状具有一定的抗掀起作用，在设计中一般不进行抗掀起计算。二.完全抗剪连接和部分抗剪连接根据抗剪连接件的布置、数量和受剪承载力，可把组合梁分为完全抗剪连接组合梁和部分抗剪连接组合梁两类。完全抗剪连接：即使在梁产生弯曲破坏的最不利截面处再增加连接件的数量，梁的受弯承载力也不再增加时的抗剪连接设计。部分抗剪连接：抗剪连接件的数量少于完全抗剪连接所需要的数量时。在实际工程中，在满足设计要求的情况下，采用部分抗剪连接可以取得较好的经济效益。三.压型钢板-混凝土组合板的优点非组合板。若仅考虑把压型钢板作为浇注混凝土时的永久性模板使用，则压型钢板只需要满足施工阶段的承载力和变形要求。施工完成后，全部使用荷载由混凝土板承受。其设计方法与钢筋混凝土板相同，对压型钢板的截面构造也无特殊要求。组合板。若压型钢板除在施工阶段作为模板使用外，在使用阶段还作为混凝土板的受力钢筋或部分受力钢筋，与混凝土共同工作承担使用荷载。此时，为保证混凝土与压型钢板的共同工作，在压型钢板表面需设置抗剪齿槽或者采取开孔洞、焊接短钢筋、横向钢筋等措施，以抵抗交界面的纵向剪力和竖向揿起力。此外，还要考虑对板的防火性能和耐久性能的要求。常见的压型钢板和混凝土的组合形式见图。压型钢板-混凝土组合板具有下列优点：①压型钢板可作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及支撑；②压型钢板非常轻便，堆放、运输及安装都非常方便；③使用阶段，压型钢板可代替受拉钢筋，减少钢筋的制作与安装工作。④刚度较大，省去许多受拉区混凝土，节省混凝土用量，减轻结构自重；⑤有利于各种管线的布置、装修方便；⑥与木模板相比，施工时减小了火灾发生的可能性；⑦压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用。组合板的总厚度不应小于90mm，压型钢板翼缘以上混凝土的厚度不应小于50mm。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30mm三者中的较小值。组合板中应设置分布钢筋网，以承受收缩和温度应力，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均不宜少于0.002。在有较大集中荷地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。简支板的支座上部应配置构造负弯矩钢筋，以控制裂缝宽度。负弯矩钢筋的配筋率不小于0.002，其截断点距支承边的长度不小于l/4（l为板的跨度），且每米不少于5根。悬臂板和连续板的支座负弯矩区段应配置纵向受拉钢筋，其计算与一般钢筋混凝土板相同，但要考虑截面中由于压型钢板有波槽在受压区所形成的缺口。受压区钢板的受压屈曲，计算时忽略不计。四.压型钢板-混凝土组合板的构造要求组合板在钢梁上的支承长度不应小于75mm，其中，压型钢板的支承长度不小于50mm，（图(a),(c)）。支承于混凝土构件上时，组合板的支承长度不应小于100mm，压型钢板的支承长度不应小于75mm（图(b),(d)）。连续板或搭接板在钢梁上的最小支承长度为75mm，支承于混凝土构件上时则为100mm（图(e),(f)）。压型钢板与钢梁的连接采用圆柱头栓钉，栓钉穿透压型钢板或将钢板端部肋压平后焊接于钢梁上（图）。栓钉直径一般为：板跨度l3m时，取13-16mm；板跨l=3-6m时，取16-19mm。栓钉应高出压型钢板上翼缘35mm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。组合板端部的连接1.局部荷载作用的有效分布宽度可认为组合板上的集中荷载以45℃的锥体从板面向板底传递，其分布宽度可按下式计算：五.组合板的计算2.水平剪力的传递形式依靠压型钢板的纵向波槽；依靠压型钢板上的压痕、小洞或冲成的孔眼；依靠压型钢板上焊接的横向钢筋；设置于端部的锚固件，其中端部锚固件要求在任何情形下都应当设置。压型钢板与混凝土的连接(b)(a)(c)(d)3.组合楼板的设计荷载：永久荷载和使用阶段的可变荷载验算内容：强度和变形变形验算的力学模型：单向弯曲简支板承载力验算的力学模型：按压型钢板上混凝土的厚薄确定计算模型验算包括：正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力和斜截面抗剪承载力适筋板和超筋板。随弯矩的增大，组合板中压型钢板从受拉边开始屈服，并发展到整个高度，然后受压边缘混凝土达到极限压应变而压碎破坏，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。有时超筋板难以避免，因为压型钢板的面积和尺寸选择还取决于施工阶段的受力情况。相对界限受压区高度和界限配筋率为：00033.018.0hhhEfsssybsycbffmax正截面抗弯承载力验算适筋