组合结构设计原理绪论

组合结构设计原理§1概论随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产，我国已进入了大力发展钢结构建筑的新时期，由此便产生了钢—混凝土组合结构。该种结构适应现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求在房屋建筑、桥梁、地下建筑、海洋工程、特殊容器等领域得到应用。图钢与混凝土组合梁第一名：台北101大楼被称为“台北新地标”的101大楼于1998年1月动工，主体工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”。在世界高楼协会颁发的证书里，台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”(508米)、“最高使用楼层”(438米)和“最高屋顶高度”(448米)。台北101大楼高度达到508米，超过了马来西亚的双子星大楼。除了高度外，台北101还拥有许多世界第一，最让人惊讶的是电梯的速度。4部直达电梯从1楼到89楼观景台只需39秒，时速高达60公里，比日本横滨大楼电梯每分钟750米的速度还快，堪称世界最快的电梯。此外，在施工过程中，大楼吊车的承载量是一般高楼吊车的5—10倍，也创下了世界纪录。安全结构是台北101最骄傲的地方。美国世贸大楼被撞起火后20多分钟就轰然倒塌，但台北101因结构设计不同，即便发生火灾，8根巨大钢柱里灌入的1万磅防火混凝土及封闭式逃生设计，也可以支撑3个小时让高层民众安全脱险。第四名：上海金茂大厦第四名：上海金茂大厦金茂大厦是具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向21世纪的标志性建筑之一，由美国SOM设计事务所主设计。1998年8月建成。占地236万平方米，建筑面积28.95万平方米。高420.5米，88层。金茂大厦主楼1～52层为办公用房，53～87层为五星级宾馆，88层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。其钢柱采用劲性混凝土柱。第七名：信兴广场大厦第七名：信兴广场大厦信兴广场地王大厦由68层的商业大楼、32层的商务公寓、5层的购物中心及2层地下停车场组成。楼高384米，占地18734平方米，总建筑面积27万平方米，总投资40亿港币。结构内筒采用钢骨混凝土结构,在筒体关键部位加设型钢,外柱采用矩形钢管内压送混凝土的钢管组合柱。深圳赛格广场深圳赛格广场钢--砼组合结构的深圳赛格广场（72层），外柱采用了三向受压的高强砼钢管柱，建筑总高度做到了292.6m，也是我国钢管砼柱在超高层组合结构中的创新之举。一、组合结构特点1、充分利用钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。日本阪神地震表明，组合结构破坏率最低。2、节省脚手架和模板，便于立体交叉施工，减小现场湿作业量，减轻扰民程度。3、造价低。若考虑因自重减轻而带来的竖向构件截面尺寸减小、地震作用减小、基础造价降低、施工周期短等因素，组合结构比混凝土结构和钢结构造价都要低。二、钢与混凝土组合梁1、结构组成钢与混凝土组合梁由钢梁、钢筋混凝土板以及两者之间的抗剪连接件组成。2、工作机理通过抗剪连接件将钢梁和混凝土翼板连成整体共同受力，其弯曲刚度比钢梁的刚度一般要提高1倍以上，同时抗弯承载力也有明显提高。抗剪连接件能够传递钢梁与混凝土翼板交界面的剪力，抵抗钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移和防止掀起，以保证钢梁与混凝土翼板整体受力。3、特点1）节约钢材，混凝土替代部分钢材工作。一般情况下，钢-混凝土简支组合梁的高跨比可以做到1/16-1/20，连续组合梁可以做到1/25-1/35。同钢筋混凝土梁相比，组合梁可以使结构高度降低1/3-1/4，自重减轻40%-60%，施工周期缩短1/2-1/3。同钢梁相比，组合梁可以使结构高度降低1/3-1/4，刚度增大1/3-1/4。【例见155页珠海清华大学科技园连体结构，161页北京人行天桥。】2）刚度好，混凝土板与钢梁共同工作，抗弯模量增大，挠度减小。3）延性好，抗震性能强。4）抗冲击，抗疲劳性能好，用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力。5）稳定性好，由于组合梁上翼缘侧向刚度大，整体稳定性好；钢梁的受压翼缘受到混凝土板的约束，其翼缘与腹板的局部稳定性有较大改善。4、分类1）按截面形式：外包混凝土组合梁和T形组合梁（无托座和有托座，但托座部分施工和构造较为复杂，无托座梁应用较多）。2）T形梁按翼板构造：现浇混凝土翼板组合梁—整体性好，但需要现场支模，湿作业工作量大，施工速度慢。预制混凝土翼板组合梁—在预留槽口处浇筑混凝土，减小现场湿作业工作量，施工速度快，但要求加工精度高，槽口处需附加构造钢筋。未大规模推广。叠合板翼板组合梁—预制板施工阶段作为模板，使用阶段作为楼面板或桥面板的一部分参与板和梁的受力。压型钢板混凝土组合梁—压型钢板施工阶段代替模板，使用阶段可代替混凝土板中下部受力钢筋。3）按钢梁截面：工字型：①三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成；②将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板；③将工字钢沿腹板纵向割开然后将不同大小的半工字钢对焊而成；④蜂窝梁。箱形：开口箱形节省钢材，但在施工阶段抗扭刚度较小闭口箱形施工阶段整体性好，抗扭刚度大，用钢量略大钢桁架组合梁：适用于较大跨度时，施工阶段刚度大，可以分段运输和现场拼装。4）按是否施加预应力：分为在钢梁内施加预应力，在混凝土翼板中施加预应力，正负弯矩区都施加预应力。5、应用1）多层工业厂房1988年开始建设的国家重点建设项目——太原第一热电厂五期工程，由山西省电力勘测设计院设计。图太原第一热电厂组合梁截面2）高层建筑北京国际技术培训中心的两幢18层塔楼，楼盖结构采用冷弯薄壁型钢-混凝土简支组合梁。图冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁截面很多高层建筑都用到了组合梁。最通用的方法是将钢梁延伸到剪力墙中的钢柱上。安装柱剪力墙腹板剪力墙翼缘上下抗剪栓钉图剪力墙中组合梁布置3）桥梁建筑表国外采用组合梁的各型桥梁桥名国家时间跨径(m)备注比歇瑙尔桥德国195613.2+58.8+13.2斜拉桥腾濑桥日本1960128斜拉桥新港桥英国1964152斜拉桥锡卡特港桥美国197146+137+46斜拉桥香港汀九大桥香港9798127+448+475+127斜拉桥表国内设计的采用组合梁的各型桥梁桥名地点时间跨径(m)备注东兰红水河广西196666(1孔)简支组合梁全长397.2m，上承钢桁与混凝土板结合南浦大桥上海1991423(主跨)曾为国内第一跨度斜拉桥40.5+76.5+94.5+423+94.5+76.5+40.5m杨浦大桥上海1993602(主跨)曾为世界第一跨度斜拉桥40+99+144+602+144+99+44m芜湖桥芜湖2000180+312+180(主桥主跨)公铁两用长江大桥正桥总长2193.70m三、压型钢板与混凝土组合板1、结构组成在压成各种形式的凹凸肋与各种形式的槽纹的钢板上浇注混凝土而制成的组合板。图常见国内外压型钢板形式规格2、特点1）压型钢板承受板底拉力，并与混凝土共同承受板底剪力，除了在适当部位设置钢筋减轻混凝土收缩和温度变化的影响外，不必另设钢筋。2）作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，降低层高。3）压型钢板作为永久性模板，不必安装、拆模，方便施工。4）压型钢板具有相当的承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度时就可以进行上层混凝土浇筑，加快施工进度。3、应用压型钢板与混凝土组合楼板开始仅作为楼板的永久性模板。我国自二十世纪八十年代以来逐步推广，主要在北京长富宫中心、京城大厦、香格里拉饭店，上海的锦江饭店、静安饭店，深圳的发展中心大厦、深圳大学，沈阳沈海热电厂的平台等得到应用。四、钢管混凝土结构1、结构组成钢管砼是在劲性钢筋混凝土螺旋配筋混凝土结构的基础上演变和发展起来的。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而构成的构件，按截面形式的不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。2、工作机理钢管处于纵向受压环向受拉的双向受力状态，混凝土处于三相受压状态。3、特点1）充分发挥了混凝土和钢材各自的优点，避免了钢材特别是薄壁钢材容易失稳的缺点。2）钢管本身就是模板，简化施工。3）延性好，因为外壳是延性很高的钢材，内部约束的混凝土比单向受压的延性要好。4）经济效果好：与普通钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材50%；与普通混凝土结构相比，在保持用钢量相近和承载能力相同的条件下，构件横截面面积可减小约50%。5）缺点：圆形截面的柱与矩形截面的梁连接复杂；且钢管外露，防锈、防腐蚀和耐火性能较差。4、应用钢管砼目前已被广泛应用于桥梁、单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、地铁站台柱、各种支架柱、送变电杆塔、桁架主要压杆、高层建筑和拱架等结构形式中。重庆菜园坝长江大桥效果图1重庆菜园坝长江大桥效果图22007年6月完工，是目前世界上跨度最大的中承式钢箱系杆拱桥，大桥主孔跨度为420米，最大荷载450吨。该桥结构形式采用中承式无推力钢管混凝土系杆拱桥，是集钢管拱、钢箱梁、钢桁梁各种新型桥梁结构形式和科技成果于一身的现代化桥梁，这种结构形式不仅在我国绝无仅有，而且在世界桥梁中也具有独特的地位。创造了3个世界第一：■钢箱拱梁跨距420米世界最大■世界第一座公路轻轨两用城市大桥■世界第一座采用缆索吊机安装的大桥该桥共有29节钢箱梁，一节钢箱梁最重92吨，最长19.9米。中铁大桥局负责人称，为了破解跨距达420米主拱的钢箱梁吊装难题，他们自行研制出高202米的缆索吊机，几乎有70层楼高，使用卫星定位高空吊装零误差。06年11月28日，缆索吊机通过了专家组的认证，“这是国内一重大科研成果”。缆索吊机高202米、跨距420米、吊重420吨，创下了塔吊最高、跨距最大、吊重最大的3个国内第一。06年12月主拱合龙后，桥面钢梁架设也将开始。07年3月轻轨铺设完成，6月份桥面铺设完成。“大桥部分桥面是钢梁架桥面。”中铁大桥局负责人说，这部分一共长800米，重2万多吨。钢梁架较轻，重量仅为水泥桥面的三分之一左右，为大桥减重约4万吨。建设中的重庆菜园坝长江大桥重庆菜园坝长江大桥钢箱拱曾经国内跨度最大的钢管混凝土拱桥-丫髻沙大桥深圳芙蓉大桥----三跨连续钢管砼系杆拱桥砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程拱脚混凝土的预留槽钢管节段浮运砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程下游合拢砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程五、劲性钢筋混凝土结构1、结构组成劲性钢筋混凝土构件是在砼中主要配置型钢也配有构造钢筋及少量受力钢筋的构件。配钢的形式可分为实腹式型钢和空腹式两大类。劲性钢筋混凝土梁柱节点：1）配角钢骨架的梁柱节点；2）梁柱中均为配实腹工字钢（或H型钢）的梁柱节点；3）连接钢筋砼柱与劲性钢筋砼梁的节点，且梁中配置的为实腹工字钢（或H型钢);4)连接劲性钢筋砼柱与钢筋砼梁的节点2、特点：1）承载力普遍较高，自重轻。2）刚度变大，抗变形能力强。3）耐疲劳，抗冲击性能好，抗震性好。4）防火性耐久性明显强于钢材。3、应用日本是强地震多发国家，1905年便建造了第一个采用型钢混凝土的结构。1921年建成的兴业银行采用该结构，总面积1500mm2，高度30m，在1923年东京大地震中几乎完整无损。北京香格里拉饭店钢骨混凝土柱现场外景施工中的某钢骨混凝土柱钢骨混凝土梁柱连接节点某钢骨牛腿及加劲肋六、外包钢混凝土外包钢混凝土结构是一种新型结构，构造特点是外包角钢代替构件内配钢筋，布设在构件截面的四角，即沿构件通长方向设置角钢，角钢之间由箍筋焊接形成骨架。此结构具有构造简单、连接方便、使用灵活、抗震性能较好等优点。我国已在石油、电力、冶金、轻工、军工等部门采用。特别是旧厂房的加固改造。1）抗震性能：形成约束混凝土。特点：2）耐火性能：全外包钢混凝土梁的耐火时间比钢梁提高一倍左右。七、其他结构钢纤维混凝土玻璃纤维混凝土八、组合结构的发展史国际：1879年英国的Severn在铁路桥的钢管桥墩中充填混凝土，形成钢管混凝土结构英、美等国在钢梁与钢柱外围包上了混凝土形成组合梁、柱，用以防火。20世纪初，佚