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1、 钢 混凝土组合结构 筑程学院 土木工程专业本科课程教学 第3章 钢 混凝组合梁 1 组合梁的分类 形式 梁 钢包混凝土 混凝土包钢 型钢混凝土 拉区 钢 压区 混凝土 类型1 类型2 类型3 本章内容 2 组合梁的分类 形式 梁 拉区 钢 压区 混凝土 类型1 3 1 完全组合梁 本课程主要学习的重点内容 按受力形式分类 2 非组合梁 实际不是组合梁 工程中应用少 3 部分组合梁 了解 4 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99 98 弹性设计 塑性设计 依据规范 钢结构设计规范 GB50017 2003 仅有 塑性设计 5 钢 混凝土组合梁设计内容 重点掌握完全抗剪连接组合梁的设计方法
2、设 计 内 容 弹性 方法 塑性 方法 钢梁 压区 砼换 算为 钢 施工阶段 使用阶段 有无 支撑 短期 长期 抗弯 抗剪 折算应力 连接件 挠度 稳定 裂缝 截面砼 和钢均 达设计 强度 6 通过剪力连接件将混凝土板与钢梁连接成整体 形成钢与混凝土组合梁 在这种组合梁中 混凝土与 钢梁共同受力 协调变形 这种组合梁能够充分的利 用钢材所具有的抗拉性能和混凝土所具有的抗压性能 从而使这两种不同性能的材料得到合理的利用 3 1 概 述 7 钢与混凝土组合梁截面由钢梁 翼板 或加 板托 和抗剪连接件等组成 见图3 1 1 3 1 1 钢 混凝土组合梁的组成 8 9 1 现浇钢筋混凝土翼缘板 见图3
3、 1 2 1 翼缘板 10 2 预制钢筋混凝土翼缘板 见图3 1 3 11 3 压型钢板翼缘板 见图3 1 4 12 组合梁中的钢梁截面一般有以下几种 1 工字钢梁 2 箱形钢梁 3 轻钢桁架及普通钢桁架梁 4 蜂窝式梁 2 钢梁 13 14 为了保证板与钢梁上下结构有效的共同工作 必须在交界面上设置抗剪连接件 抗剪连结件 的形状应保证既能保证抗剪滑移又能抵抗掀起力 的作用 3 抗剪连接件 15 钢钢与混凝土组组合梁抗剪连接件种类及示意图 16 由混凝土翼缘板与钢梁组成的组合梁 若两者交 界面上之间无连接措施时 则在竖向荷载作用下 混凝 土翼缘板截面和钢梁的弯曲相互独立 见图3 1 7各自有
4、中和轴 若忽略交界面上的摩擦力 交界面上仅有竖向 压力 二者必然发生相对水平滑移错动 所以 其受弯 承载力为混凝土板截面受弯承载力和钢梁截面受弯承载 力之和 这种梁成为非组合梁 3 1 2 组合梁工作的基本原理 非组合梁 17 3 1 2 组合梁工作的基本原理 非组合梁 18 若在钢梁的上翼缘设置足够的抗剪连接件并深 入混凝土板形成整体 则可阻止混凝土板与钢梁 之间产生的相对滑移 使二者的弯曲变形协调 共同承担荷载作用 即形成组合梁 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 3 1 2 组合梁工作的基本原理 组合梁 19 3 1 2 组合梁工作的基本原理
5、组合梁 本课程重点学习组合梁 20 组合梁截面分析方法有弹性理论方法和考虑截面塑 性变形发展的塑性理论计算方法 1 弹性理论计算方法 弹性理论计算方法就是材料力学方法 这种计算方 法适合组合梁构件的施工阶段计算 2 塑性理论计算方法 塑性理论计算方法适用与计算承受静力荷载或间接 动力荷载作用下的组合梁截面计算 计算时考虑构件截 面上的应力重分布 3 1 3 组合梁截面分析方法 21 3 1 4 组合梁的施工方法 组合梁的施工方法主要有以下两种 1 施工阶段组合梁下不设临时支撑 对施工阶段不设临时支撑的组合梁 计算分析时应按两阶段考虑 1 在施工阶段 即混凝土板的强度达到75 以前 钢梁的自重
6、混凝土板的 自重和施工活荷载由钢梁承受 并按 钢结构设计规范 规定的方法计算 2 在使用阶段 即当混凝土板的强度达到75 的设计强度后 用弹性理论计 算承载力时 使用荷载和第二阶段增加的恒载由组合截面承受 用塑性理论方 法计算时 则全部荷载由组合梁承受 22 3 1 4 组合梁的施工方法 2 施工阶段组合梁下设临时支撑 施工阶段在组合梁下设置临时支撑 临时支撑的数量根据组合梁的跨度大小 来确定 当跨度L大于7m时 支撑不应少于3个 当跨度L小于7m时 可设置1 2 个支撑 支撑设置的精确数量应根据施工阶段的变形来确定 这时 组合梁不必 进行施工阶段的计算 按使用阶段进行计算 全部荷载均由组合梁
7、承受 设置临 时支撑可以减少组合梁在使用阶段的挠度 但需要较多的连接件来抵抗钢梁与混 凝土板之间的相对滑移 23 3 2 1 材料 1 混凝土 强度等级不低于C20 2 钢筋 混凝土板中一般采用HPB235与HRB335 3 钢材 宜采用Q235与Q345 3 2 构造要求 24 1 组合梁的截面高度 简支梁组合梁的高跨比为1 18 1 12 一般取1 15 2 混凝土楼板的厚度 当楼板采用压型钢板组合板时 压型钢板凸肋顶 至混凝土板顶混凝土板厚度不应小于50mm 当楼板采用普通钢筋混凝土板时 混凝土板的厚度 不应小于100mm 组合梁混凝土板厚 一般以10mm为模数 经常采 用的板厚为100
8、mm 120mm 140mm 160mm 3 混凝土板的有效宽度 3 2 2 截面尺寸 25 3 混凝土板的有效宽度 26 板托顶部的宽度与板托高度之比应不小于1 5 且板托的高度不应大于混凝土板得厚度的1 5倍 4 板托尺寸 27 1 截面尺寸 组合梁中的钢梁 其截面高度不应小于组 合梁截面高度 包括板托 的 即 2 截面形状和加劲肋 5 钢梁 28 3 2 3 主 次梁的连接 29 3 3 1 组合梁正截面受力性能 由试验结果知 从加荷到破坏 组合梁 正截面经历弹性 弹塑性和塑性三个受力阶 段 见图3 3 1 3 3 组合梁试验结果分析 弹性 弹塑性 塑性 A B 30 31 简支组合梁破
9、坏形态 32 连续组合梁破坏形态 33 1 弹性阶段 在荷载作用初期 组合梁整体工作性能良好 荷载 变形曲 线基本上呈线性增长 当荷载达极限荷载的50 左右时 钢梁的下 翼缘开始屈服 而钢梁其它部分还有还处于弹性工作状态 2 弹塑性阶段 加荷至混凝土翼缘板板底开裂后 钢梁的应变速率加快 组 合梁的变形增长速度大于荷载的增长速度 荷载 变形曲线开始 偏离原来的直线 当钢梁下翼缘达到曲服后 组合梁的挠度变形 显著增大 组合梁的工作进入弹塑性阶段 3 3 1 组合梁正截面受力性能 34 3 塑性阶段 加荷至破坏荷载的 90 以上时 组合梁跨 中的挠度变形大幅度增 长 荷载 变形曲线基 本呈水平趋势发
10、展 此 时组合梁的工作已进入 塑性工作阶段 3 3 1 组合梁正截面受力性能 35 图3 3 3 组合梁截面实测应变图 3 3 1 组合梁正截面受力性能 36 3 3 2 组合梁交接面的滑移特征 37 2 影响组合梁交接面上滑移的因素 1 由图3 3 4可以看出 在荷载作用初期 荷 载 滑移曲线明显呈线性关系 当荷载达到极限荷载 的70 时 滑移增长速度明显大于荷载的增长速度 2 连连接件的刚刚度对对滑移分布有着重要的影响 3 混凝土的强度对组对组 合梁交接面上滑移有一 定的影响 3 3 2 组合梁交接面的滑移特征 38 3 4 1 截面几何特征值 1 换算截面 组合梁在正弯矩作用下按弹性理论
11、进行截面分析时 应根 据截面应变相同且总内力不变的原则 将受压混凝土板的有效 宽度折算成与钢材等效的换算截面宽度 见图3 4 1 即 把混凝土换算为钢 3 4 组合梁按弹性理论分析 39 1 换算截面 y0 图3 4 1 40 1 荷载短期效应组合时 3 4 1 2 荷期长期效应组合时 3 4 2 式中 混凝土翼板换算为钢材的等效宽度 混凝土翼板的有效宽度 钢材弹性模量E与混凝土模量Ec的比值 1 换算截面 41 3 4 3 第个单元的截面面积 对混凝土单元 需将其换算成钢材单元进行计算 第个单元重心轴距截面顶边得距离 当考虑混凝土得徐变影响时 应将公式3 4 2 代入公式3 4 3进行计算
12、即可求得考虑混凝土徐 变影响的组合截面的重心轴距组合截面顶边的距 离 并用 表示 2 换算截面重心轴 中和轴 的位置 42 1 中和轴在板内 见图3 4 2 3 荷载短期效应组合下截面弹性抵抗矩 43 3 荷载短期效应组合下截面弹性抵抗矩 中和轴在板内 44 2 中和轴在板下 见图3 4 3 3 荷载短期效应组合下截面弹性抵抗矩 45 3 荷载短期效应组合下截面弹性抵抗矩 中和轴在板下 46 组合梁在永久荷载的长期作用下 受压翼缘混凝土发 生徐变 将使混凝土翼缘的应力减小 钢梁的应力增大 为了在计算中反映这一效应 可将混凝土翼缘板有效宽 度内的截面面积除以2换算成钢材截面面积 此情况下 组合截
13、面的中和轴一般位于钢梁的截面内 见图3 4 3 换算后的组合截面面积 惯性矩 对 钢梁上翼缘 下翼缘的抵抗矩以及对组合梁顶面的抵抗 矩为按下式计算 4 考虑混凝土徐变的截面抵抗矩 47 4 考虑混凝土徐变的截面抵抗矩 48 在楼板的混凝土未达到强度设计值以前 全部荷载 由组合梁中的钢梁承受 所以 施工阶段只需对钢梁进 行计算 其计算内容为 钢梁的正应力计算 剪应力计 算 整体稳定计算和钢梁挠度计算 此时称为组合梁的 第一受力阶段 在施工阶段 当钢梁受压翼缘的自由长度与其宽度 之比不超过表3 4 1规定数值时 可不进行整体稳定验算 3 4 2 施工阶段组合梁计算 49 1 永久荷载 混凝土板 模
14、板及钢梁的自重 2 可变荷载 1 施工活荷载 工人 施工机具及设备等自重 2 附加活荷载 附加管线 混凝土堆放 混凝土泵等以及过 量冲击效应适当的增加荷载 1 荷载计算 50 1 单向弯曲 钢梁在单向弯矩 的作用下 其截面的正应 力应满足下式要求 2 双向弯曲 钢梁在双向弯矩和的共同作用下 其截面正 应力应满足下列要求 2 钢梁正应力计算 51 式中 绕X轴和Y轴的弯矩设计值 对工字 形截面 X轴为强轴 Y轴为弱轴 对X轴和Y轴的净截面抵抗拒 截面塑性发展系数 工字形截面分别 取1 05 1 2 箱形截面均取1 05 钢材的抗弯强度设计值 2 钢梁正应力计算 52 当钢梁当受压翼缘的自由外伸宽
15、度与其厚度比值 图3 4 4 但能满足下列公式要求时 应取 对于工字截面梁 对于箱形截面梁 2 钢梁正应力计算 53 在主平面内受弯的实腹式钢梁 其腹板的剪应力 应满足下列条件 4 钢梁的整体稳定性 组合梁中的钢梁部件 当其受压翼缘的自由长度 与宽度比值超过表3 4 1中规定的限值时 应按下式 验算楼板混凝土未凝固前的钢梁整体稳定性 3 钢梁剪应力计算 54 组合梁施工阶段荷载短期效应组合 简支钢梁在 均布荷载作用下的挠度 按下式进行验算 施工阶段作用于钢梁上的均布荷载值 钢梁的跨度和截面惯性矩 钢材的弹性模量 5 钢梁挠度验算 55 在使用阶段 混凝土翼缘板强度达到强度的设计值 混凝土翼缘板
16、与钢梁形成了整体 此时 应按组合梁进 行计算 采用弹性理论计算时 要根据计算要求采用换算 截面 使用阶段后加的荷载由组合梁来承受 称为第二受 力阶段 此时 钢梁的应力计算应考虑两阶段的应力叠 加 组合梁混凝土翼缘板的应力则只考虑使用阶段所加的 应力影响 3 4 3 使用阶段计算 56 1 适用范围 符合下列情况之一的组合梁 应按弹性理论进行截面 分析和截面应力力计算 1 组合梁内钢梁翼缘或腹板的板件的宽厚比值大于 表3 4 1规定的限值 且其组合梁截面的中和轴位于钢梁 腹板内 2 在设计荷载作用下 可能因交替发生受拉 受压屈 服使材料产生低周期疲劳破坏的构件 3 组合梁的中和轴虽位于钢梁截面内 但钢梁翼缘 和腹板的板件宽厚比均能满足表3 4 1的要求 3 4 3 使用阶段计算 57 1 钢梁部件拉应力小于钢材的屈服强度 混凝土最大压应力小于0 5倍轴心抗压强度 2 钢梁宽厚比较大 钢梁受力后 截面尚 未出现塑性化以前 受压翼缘和腹板有可能发 生局部屈曲 2 适用条件 58 1 计算假定 1 钢材和混凝土均为理想的弹性材料 2 钢梁和混凝土板之间的相对滑移很小 可以忽略 不计 接截面在弯
