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1、第三章 型钢混凝土组合结构 1 简介 型钢混凝土结构是以型钢为钢骨并在型钢周围配 置钢筋和浇筑混凝土的埋人式组合结构体系 日本 钢骨混凝土结构 Steel Reinforced Concrete 英 美等西方国家称之为混凝土包钢结构 Steel Encased Concrete 前苏联称之为劲性钢筋混凝土结构 2 日本 起源于1910年代 当时 从欧洲传入日本的护 墙结构将型钢作为骨架埋入石护墙 这就是日 本型钢混凝土结构的起源 3 日本 1918年 内田祥三 旧东京海上大楼中 地上7层 柱和内部大梁用钢筋混凝土外包型钢代替型钢 周围的砖石 现代意义上的型钢混凝土结构就 这样在日本诞生了 19
2、21年 内藤多仲 日本兴业银行 是一座总面积约14000m2 高 约30m的型钢混凝土建筑 经受了1923 年的关 东大地震而几乎没有破坏 4 日本 1978年 宫城县冲绳地震 在调查的95栋型钢混凝土建筑中 仅有17栋发 生主体轻微破坏 20 世纪30 年代至60 年代日本的型钢混凝土以 空腹式配钢为主 70 年代以来以实腹式配钢 为主要形式 5 日本 1981 年至1985 年 多高层建筑中 六层以上占总数的45 2 建筑 面积占总面积的62 8 10 15 层的高层建筑中 90 16层以上的超高层建筑中 达到50 即使以钢结构为主体的高层建筑 其底部几层 也多采用型钢混凝土结构 1995
3、年1月 日本关西大地震倒塌和严重破坏 的建筑物中 钢筋混凝土结构占55 钢结构 占38 而SRC结构及其混合结构仅占7 进 一步验证了SRC结构良好的抗震性能 6 欧美 SRC结构在欧美的研究应用远不如日本广泛 但是最早的型钢混凝土结构却是出现在欧洲 1904年 在英国 为了提高建筑物内钢柱的耐 火性能而将其埋置于混凝土内 从而产生了世 界上最早的型钢混凝土柱 随后 欧美各国开 始了对这种新型结构的研究与应用 7 欧美 美国达拉斯第一国际大厦 72层 726m 休斯顿第一城市大楼 共49层 高207m 休斯顿得克斯商业中心大厦 79层 305m 休斯顿海湾大楼 52层 221m 澳大利亚悉尼堪
4、特斯中心198m 采用钢筋混凝 土内筒 型钢混凝土外柱 新加坡财政大楼 55层 242m 采用型钢混凝 土核心筒 雅加达中心大厦 23层 84m 采用型钢混凝土 柱 钢筋混凝土梁及钢梁 8 技术规程 YB 9082 97 钢骨混凝土结构设计规程 叶列平教授参考了日本和美国的规范 日本建筑学会 铁骨铁筋 计算规准 同解说 若林实 JGJ138 2001 型钢混凝土组合结构技术规程 西安建筑科技大学 姜维山 赵鸿铁 白国良 西南交大赵世春等 根据实验研究结果 在苏联模式上进行了修正 9 技术规程 YB 9082 97 钢骨混凝土结构设计规程 忽略型钢与混凝土之间的粘结作用 认为二者独立 工作 并考
5、虑混凝土主要承受轴压力 型钢主要抗 弯 承载力叠加计算 计算结果偏小 不适合我国国情 JGJ138 2001 型钢混凝土组合结构技术规程 假定是沿用钢筋混凝土构件计算中的钢筋与混凝土 变形协调假定 刚度可以简单叠加法 承载力计算复杂 10 技术规程 YB 9082 97 钢骨混凝土结构设计规程 正截面承载力计算某些情况计算结果小得离谱 相 比试验值 而且 正截面计算偏小 相对来说容 易造成事实上的强梁弱柱 抗震不利 所以不是结 果偏小就好 JGJ138 2001 型钢混凝土组合结构技术规程 正截面承载力基本上可以说不能用 漏洞百出 结 果离谱 相比试验值 节点连接 柱脚计算不合理 抗弯计算 1
6、1 技术规程 欧美试验曲线模式 M N经验曲线 欧洲规范4 建设部蔡益燕教授 粘结滑移 清华聂建国教授 郭彦林教授 西安建大赵鸿铁教授 郝际平教授 薛建阳 杨勇 等 12 第一节 一般要求和结构的整体作用 第二节 型钢混凝土框架梁 第三节 型钢混凝土框架柱 第四节 框架梁柱节点 第五节 型钢混凝土剪力墙 第六节 连接构造 13 第一节 一般要求和结构的整体作用 钢与混凝土两种材料的组合体 型钢 纵向钢筋和箍筋 混凝土 从受力性能而言 其基本属于钢筋混 凝土结构的范畴 14 第一节 一般要求和结构的整体作用 优点 1 含钢率不受限制 承载力高 刚度大 可以减小构件截面 增加建筑物使用面 积和楼层
7、高度 与钢结构框架相比 节省钢材50 2 结构可以二次受力 施工阶段的第一阶段荷载 与硬化混凝土共同承担使用荷载 可以有效减小梁的变形和裂缝宽度 15 第一节 一般要求和结构的整体作用 优点 3 显著加快施工速度 可平行流水施工 4 结构延性与耗能能力较好 以实腹柱为最好 5 与钢结构相比 其耐久性和抗火性能较 好 可以单独使用 也可以与钢筋混凝土 或钢结构组合使用 16 第一节 一般要求和结构的整体作用 关键技术 1 与不同结构材料的连接节点 2 避免沿高度因结构类型改变引起的承载 力和刚度突变 应重视过渡层的设计 17 第一节 一般要求和结构的整体作用 1 型钢配置形式 1 实腹式 良好的
8、延性和耗能能力 2 空腹式 18 第一节 一般要求和结构的整体作用 3 型钢与混凝土共同作用 型钢混凝土组合结构中 型钢表面积 与截面面积之比较小 且表面平整 粘结强度小 二者之间容易产生滑移 仅靠粘结强度是无法实现共同工作 的 共同工作的标志 忽略的相对滑移 措施 配置充满型实腹型钢 抗剪连接件 配置必要的纵筋和箍筋 限制型钢板材的宽厚比 19 第一节 一般要求和结构的整体作用 3 型钢与混凝土共同作用 配置充满型实腹型钢 当梁上翼缘处于截面受压区 且配置一定 的构造钢筋时 型钢与混凝土能保持较好 的共同工作 截面应变分布基本上符合平 截面假定 20 第一节 一般要求和结构的整体作用 3 型
9、钢与混凝土共同作用 抗剪连接件 当钢梁全截面受拉且未在钢梁上翼缘配置 抗剪连接件 则当截面拉应力较大时 型 钢上翼缘与混凝土交界面处的较大剪力将 使交界面发生粘结破坏 出现纵向裂缝 21 第一节 一般要求和结构的整体作用 3 型钢与混凝土共同作用 配置必要的纵筋和箍筋 箍筋除了增强截面抗剪承载力外 约束核 心混凝土的作用尤为突出 能够增强构件 塑性铰区的变形能力和耗能能力 是保证 混凝土和型钢 纵向钢筋共同工作的重要 因素 防止保护层在破坏阶段时严重剥落 22 第二节 型钢混凝土框架梁 1 截面形式和构造 2 正截面受弯承载力 3 斜截面受剪承载力 4 变形和裂缝宽度验算 23 第二节 型钢混
10、凝土框架梁 1 截面形式和构造 1 2 构造要求 1 截面尺寸 相应的配筋要求 2 保证刚度的措施 3 转换层设计要求 4 保证 强剪弱弯 5 其他特殊要求 24 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 1 梁的受弯性能 在最大承载力之前 梁中型钢截面的应变分 布与外包混凝土截面的应变分布基本协调一 致 中和轴重合 且接近于直线分布 表明 型钢与外包混凝土的粘结作用在最大荷载之 前一般不会被破坏 仍可以假定梁截面中型钢与混凝土的应变符 合平截面假定 25 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 1 梁的受弯性能 型钢偏置 交界面处可能发生相对滑移 接近破坏时交界面附近将
11、产生较大的纵向裂缝 混凝土压碎高度较大 延性较差 应设置足够数量的抗剪连接件 设置足够的抗剪连接件后 受力过程中基本上符 合平截面假定 破坏时型钢上翼缘与混凝土的交 界面并无明显纵向裂缝 26 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 1 梁的受弯性能 完全粘结梁 充满型型钢混凝土梁以及型钢虽然偏置在 截面受拉区 但设置了足够数量抗剪连接 件的梁 非完全粘结梁 型钢偏置在截面受拉区而未设置抗剪连接 件的梁 设计中应避免采用非完全粘结梁 27 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 2 受弯承载力计算的简化叠加法 1 一般叠加方法 型钢混凝土梁的受弯承载力由型钢截面承担的受
12、 弯承载力Ma和钢筋混凝土部分承担的受弯承载力 MRC叠加 取Ma MRC最大值 该叠加法是根据塑性理论下限定理建立的 没有 考虑型钢和混凝土的共同工作 而且直接应用较 为困难 对于对称截面 可采用简化叠加方法 28 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 2 受弯承载力计算的简化叠加法 2 以平截面假定为基础的计算方法 型钢混凝土梁从开始承受荷载直到破坏其正截面 应变符合平截面假定 承载力可采用混凝土结构 的计算方法 29 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 2 受弯承载力计算的简化叠加法 3 采用钢筋混凝土的矩形应力图方法 取受压区混凝土的应力分布为等效矩形应力
13、图 型钢的应力图按全塑性假定简化为双矩形应力图 同时又考虑到其误差 计算中型钢的设计强度 乘以折减系数 0 9 30 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 3 以平截面假定为基础的计算方法 1 基本假定 1 截面应变分布符合平截面假定 型钢与混凝土之 间无相对滑移 2 不考虑混凝土抗拉强度 3 取受压边缘混凝土极限压应变0 003 相应的最 大压应力取混凝土轴心受压强度设计值 4 型钢腹板的应力图取为拉 压梯形应力图形 设计计算时 简化为等效矩形应力 31 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 3 以平截面假定为基础的计算方法 1 基本假定 5 钢筋应力等于其应变与
14、弹性模量的乘积 但不大 于其强度设计值 32 第二节 型钢混凝土框架梁 2 正截面受弯承载力 2 3 以平截面假定为基础的计算方法 2 正截面受弯承载力 把型钢翼缘作为纵向受力钢筋考虑 破坏时上 下翼缘达到屈服强度fa和fa 33 第二节 型钢混凝土框架梁 34 基于平截面假定的计算方法计算较为繁复 但能较好 反映钢材和混凝土的共同作用 简单叠加法计算简单 但偏于保守 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 破坏形态主要有三种类型 35 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 破坏形态主要有三种类型 1 斜压破
15、坏 剪跨比 1 5且含钢率较小的情况 斜裂缝端部剪压区混凝土在正应力和剪应力的共 同作用下被压碎 37 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 破坏形态主要有三种类型 3 剪切粘结破坏 不配箍筋或箍筋很少 且剪跨比较大的情况 型钢与混凝土的粘结力极易丧失 传递剪力的能 力降低 于是在型钢翼缘外侧的混凝土中产生应 力集中 在型钢翼缘附加产生劈裂裂缝 沿型钢翼缘水平 方向发展 导致保护层脱落 38 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 型钢混凝土与钢筋混凝土梁的受剪性能 1 斜裂缝出现时 实腹式型钢具有较大的抗剪
16、刚 度 而且在梁中腹板是连续分布的 对斜裂缝的 开展起着较好的抑制作用 2 斜裂缝出现后 型钢腹板的贡献使梁的受剪 承载力大为提高 3 具有较好的延性破坏特征 39 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 型钢混凝土与钢筋混凝土梁的受剪性能 4 可能会发生剪切粘结破坏 型钢与混凝土交 界面粘结强度较低 型钢混凝土梁破坏时受压侧 保护层混凝土剥离范围大 设计中应通过配置必 要的构造箍筋 增加型钢外围混凝土厚度等措施 来提高剪切粘结承载力 40 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 1 斜截面受剪性能和破坏形态 型钢混凝土与钢筋混凝土梁的受剪性能 5 受力过程中 由于受混凝土的约束 在满足宽 厚比的条件下 型钢腹板不会发生局部屈曲 其 强度能得以充分发挥 同时 型钢本身可以承担 相当大的剪力 型钢混凝土梁的斜截面受剪承载 力远比钢筋混凝土梁高 41 第二节 型钢混凝土框架梁 3 斜截面受剪承载力 3 2 影响斜截面受剪性能的因素 1 剪跨比 集中荷载作用下 剪跨比反映了梁中弯 剪应力 之比 剪跨比较小时 剪跨段内正应力较小 剪应力起控
