鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)

1、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),Steel-Concrete Composite Structures,深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院 2011,本課程是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課。,鋼材：良好的抗拉和延性,混凝土：優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度和較大的剛度，混凝土的存在的提高了鋼材的整體屈曲和局部屈曲性能,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)：良好的強(qiáng)度、剛度、延性及良好的耗能能力,1. 趙鴻鐵著，組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，科學(xué)出版社，2005 2. 聶建國(guó)等，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，建筑工業(yè)出版社，2005 3.劉維亞編， 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐 ，同上，2008 4.Johnson R P, Composite Structures of St

2、eel and Concrete, OXFORD: Blackwell Scientific Publications, 1995,薛建陽(yáng)主編，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),華中科技大學(xué)出版社，武漢，2007,教材,課程主要內(nèi)容,課程主要內(nèi)容,（1）組合結(jié)構(gòu)概述 （2）組合結(jié)構(gòu)分類 （3）壓型鋼板與混凝土組合結(jié)構(gòu) （4）鋼與混凝土組合梁 （5）型鋼混凝土結(jié)構(gòu) （6）鋼管混凝土結(jié)構(gòu) （7）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),本書內(nèi)容,第1篇 概 論,由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合成整體，共同受力、協(xié)調(diào)變形的結(jié)構(gòu)，稱為組合構(gòu)件。,鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)是其中較為常見(jiàn)的一種，也是土木工程領(lǐng)域日益廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)體系，為此，本

3、課程將詳細(xì)講述這種組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)。,鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),P,P,D,鋼與混凝土 組合結(jié)構(gòu),一、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),五大類,1.壓型鋼板與混凝土組合板,定義,在各種形式凹凸肋或各種形式槽紋的壓型鋼板上澆注混凝土而形成的組合板，依靠,凹凸肋及不同的槽紋使鋼板與混凝土組合在一起。,壓型鋼板與混凝土組合板的形式,1.壓型鋼板與混凝土組合板,1.壓型鋼板與混凝土組合板,1.壓型鋼板與混凝土組合板,1.壓型鋼板與混凝土組合板,1.壓型鋼板與混凝土組合板,優(yōu)點(diǎn),壓型鋼板可以作為現(xiàn)澆混凝土的永久模板。這樣就省掉了施工中安裝和拆除模板等工序，從而節(jié)省了時(shí)間和勞動(dòng)力。,當(dāng)壓型鋼板安

4、裝好以后將可以作為施工平臺(tái)使用。同時(shí)由于不必使用臨時(shí)支撐，也不影響下一層施工平面的工作。 壓型鋼板可以作為樓板的底筋使用，減少了安裝板筋的工作量。根據(jù)壓型鋼板的不同截面形狀，最多可以減少30的樓板混凝土用量。減少的樓板自重又可以相應(yīng)的減少梁、柱和基礎(chǔ)的尺寸，提高了結(jié)構(gòu)的整體性能。,1.壓型鋼板與混凝土組合板,優(yōu)點(diǎn),壓型鋼板的肋部可以放置水電管線，從而使結(jié)構(gòu)層與管線合為一體，間接地加大了層高或降低了建筑高度，給建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)靈活性。,在施工階段，壓型鋼板可作為鋼梁的連續(xù)側(cè)向支撐，提高了鋼梁的整體穩(wěn)定承載力；在使用階段，提高了鋼梁的整體穩(wěn)定性和上翼緣的局部穩(wěn)定性。 以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)都可以相當(dāng)大程度地縮短

5、施工時(shí)間，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。,2.鋼與混凝土組合梁,定義,將型鋼梁與混凝土翼板通過(guò)抗剪連接件相連在一起形成一個(gè)整體共同工作的組合梁。,混凝土板可以是現(xiàn)澆混凝土板，也可以是預(yù)制混凝土板、壓型鋼板混凝土組合板或預(yù)應(yīng)力混凝土板。 鋼梁可以用軋制或焊接鋼梁。鋼梁形式有工字鋼、槽鋼或箱形鋼梁?；炷涟迮c鋼梁之間用剪切連接件連接，使混凝土板作為梁的翼緣與鋼梁組合在一起，整體共同作用形成組合T形梁。,2.鋼與混凝土組合梁,帶板托的組合梁,無(wú)板托的組合梁,組合梁的形式,2.鋼與混凝土組合梁,常州市龍城大橋,龍城大橋是常州市龍城跨運(yùn)河大橋。主橋采取自錨式懸索斜拉協(xié)作體系，主梁采用箱形結(jié)構(gòu)，主跨跨中部分采用混凝

6、土鋼結(jié)合梁，其余部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。,2.鋼與混凝土組合梁,常州市龍城大橋,梁縱向五道腹板。鋼縱梁為全焊接結(jié)構(gòu)，由底板和5道腹板組成，底板和外側(cè)斜腹板組成一個(gè)槽形斷面。,2.鋼與混凝土組合梁,張江立交改建工程,組合箱梁截面,組合板梁截面,2.鋼與混凝土組合梁,張江立交改建工程,1.節(jié)省鋼材，降低造價(jià)。 通過(guò)變更設(shè)計(jì)，將鋼箱梁（1866.975t）和鋼板梁（628.748t）改為鋼混疊合梁（556.2t），節(jié)省用鋼量1939.523t。原預(yù)算價(jià)為3000萬(wàn)元，根據(jù)圖紙現(xiàn)預(yù)算價(jià)2000萬(wàn)元，節(jié)省1000萬(wàn)元。 2.增加了預(yù)制環(huán)節(jié)，為現(xiàn)場(chǎng)施工爭(zhēng)取了時(shí)間。 這種型式的結(jié)構(gòu)極具推廣價(jià)值，特別適于改

7、建工程。在滿足行車要求的情況下，不但大量節(jié)省了用鋼量，降低了造價(jià)，而且實(shí)施快速。,工程經(jīng)驗(yàn),2.鋼與混凝土組合梁,中鐵大橋局的建設(shè)者在上海長(zhǎng)江大橋上架設(shè)鋼混凝土組合梁,優(yōu)點(diǎn),節(jié)省鋼材，降低造價(jià)。增加了預(yù)制環(huán)節(jié)，為現(xiàn)場(chǎng)施工爭(zhēng)取了時(shí)間。,使混凝土受壓，鋼梁主要是受拉與受剪，受力合理強(qiáng)度與剛度顯著提高，充分利用了混凝土的有利作用。并且由于側(cè)向剛度大的混凝土板與鋼梁組合連接在一起，很大程度上避免了鋼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)的弱點(diǎn)。,2.鋼與混凝土組合梁,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),定義,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)又稱鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)或勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是在混凝土,根據(jù)配鋼形式的不同，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)可以分為實(shí)腹式配鋼

8、和空腹式配鋼。,中主要配置型鋼、并配有一定縱向鋼筋和箍筋的結(jié)構(gòu)。,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),型鋼混凝土構(gòu)件截面形式,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),北京國(guó)貿(mào)三期,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),南通國(guó)際會(huì)議中心項(xiàng)目總高度（含避雷針）275米，混凝土結(jié)構(gòu)高度208米，鋼結(jié)構(gòu)塔頂高度254米，地下2層，地上55層，裙樓5層，總建筑面積12萬(wàn)平米，地上建筑面積11萬(wàn)平米。結(jié)構(gòu)形式為核心筒加型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu),由中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),大連期貨廣場(chǎng)為雙子樓建筑，每棟建筑面積21.1萬(wàn)平方米，地上53層，地下3層，高約232米。結(jié)構(gòu)體系為剪力墻核心筒-鋼框架混合結(jié)構(gòu)，全玻璃幕墻。,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),中銀大廈

9、整座大樓采用由八片平面支撐和五根型鋼混凝土柱所組成的混合結(jié)構(gòu)“大型立體支撐體系”。,3.型鋼混凝土結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn),在混凝土中配置的是型鋼，這些型鋼可以是軋制的也可以是焊接的。一般在大型建筑中經(jīng)常配置焊接型鋼，可以根據(jù)構(gòu)件截面大小、受力特點(diǎn)，考慮到受力的合理性，靈活的選擇焊接型鋼各個(gè)板件寬度與厚度。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅強(qiáng)度、剛度明顯增加，而且延性獲得很大的提高，從而成為一種抗震性能很好的結(jié)構(gòu)，所有尤其適用于地震區(qū)。 比起鋼結(jié)構(gòu)建筑，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量鋼材，降低了造價(jià)，而且避免了鋼結(jié)構(gòu)建筑防銹、防腐蝕、防火性能差，需要經(jīng)常性維護(hù)等弱點(diǎn)。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),定義,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼管內(nèi)填充

10、混凝土而形成的結(jié)構(gòu)。,在鋼管內(nèi)可以配置鋼筋，也可以只填充混凝土。 按截面形式的不同，可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),圓鋼管混凝土,方鋼管混凝土,矩形鋼管混凝土,鋼管混凝土截面形式,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)形式,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),（1）圓鋼管混凝土柱的特點(diǎn)： 利用鋼管約束混凝土，將混凝土由單向受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌骸ｄ摴芑炷两Y(jié)構(gòu)充分發(fā)揮混凝土和鋼材各自的優(yōu)點(diǎn)，避免了鋼材特別是薄壁鋼材容易失穩(wěn)的缺點(diǎn)，所以受力合理，大大節(jié)省材料。 圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的最大弱點(diǎn)是圓形截面的柱與矩形截面的梁連接比較復(fù)雜，是推廣圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的一

11、大障礙。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),(2)方鋼管混凝土柱的特點(diǎn)： 克服了圓鋼管混凝土柱的一些缺點(diǎn)?？梢杂米髌氖軌褐?，房屋的外觀較好；連接面為平面，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單；方鋼管構(gòu)成封閉截面，自身剛度較大；由于鋼材都分布于截面外邊，抗彎承載力較高；鋼板為連續(xù)配置，提高了對(duì)混凝土的約束作用，故構(gòu)件的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高；省去模板，方便施工。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),位于深南中路與華強(qiáng)北路交匯處，是目前世界最高的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)大廈，是深圳市跨世紀(jì)的標(biāo)志性建筑?？偢?55.8米，總建筑層79層，總建筑面積達(dá)17萬(wàn)平方米。賽格觀光位于賽格廣場(chǎng)的71、72層，登高臨望，深圳和香港的都市風(fēng)貌盡收眼底，猶如一幅美麗

12、的畫卷?！百惛耠娮邮袌?chǎng)”是世界規(guī)模最大的電子交易市場(chǎng)。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),天津津塔工程位于天津市和平區(qū)大沽北路與興安路交口西北側(cè)，總建筑面積約為34.6萬(wàn)平方米，由一幢75層高的辦公樓及一幢30層高的公寓樓組成。地下四層，辦公樓結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土柱框架+核心筒鋼板剪力墻體系+外伸剛臂抗側(cè)體系組合結(jié)構(gòu)，公寓樓結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土+剪力墻體系。檐高為336.9米。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),162層，高度為818米，的“迪拜塔”需要一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以支持重量可能超過(guò)500，000噸的地面以上建筑?！暗习菟苯ㄔ煸谝粋€(gè)3.7米厚的三角形結(jié)構(gòu)的基座上，這個(gè)三角形基座由192根直徑為1.5米的鋼管樁或支柱

13、缸體支持。這些鋼管樁或支柱缸體深入地下50米。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),南寧永和大橋位于南寧市，橫跨邕江，北連中華路，南接南建路，主孔凈跨徑為335.40m，是迄今為止的世界上最大跨度的下承式有推力鋼管混凝土拱橋。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),連徐高速公路京杭運(yùn)河特大橋全長(zhǎng)2577米，為三跨自錨式空間曲線鋼管混凝土拱橋，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)跨徑最大的提籃式鋼管混凝土拱橋，2001年12月建成，榮獲“詹天佑土木工程大獎(jiǎng)”。,4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu),丫髻沙大橋,位于廣州市環(huán)城高速公路，跨越珠江主航道，是一座特大型鋼管混凝土拱橋。全長(zhǎng)1084米，主橋上部結(jié)構(gòu)為3跨鋼管混凝土中承式桁架肋系桿拱，跨越珠江主副航道、丫髻沙島，跨徑

14、達(dá)360米，為當(dāng)時(shí)世界同類橋梁第一。,5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),定義,亦簡(jiǎn)稱外包鋼結(jié)構(gòu)，指在混凝土構(gòu)件外部配置鋼板或角鋼的結(jié)構(gòu)。,它可以滿足大中型工業(yè)廠房?jī)?nèi)固定各類管道線路而不需設(shè)置預(yù)埋件，也可以可以用于已有建筑物的加固改造。,5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),外包鋼加固柱,5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),柱包鋼,5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),外包鋼加固混凝土梁,5.外包鋼混凝土結(jié)構(gòu),外包鋼加固混凝土板,鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)， 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中！,二、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,由于組合結(jié)構(gòu)的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以歐美國(guó)家及日本等國(guó)在20世紀(jì)初即開(kāi)始應(yīng)用。 壓型鋼板混凝土組合樓板開(kāi)始應(yīng)用于歐美國(guó)家。

15、組合板的設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題是解決壓型鋼板與混凝土的組合剪切計(jì)算。美國(guó)的Porter 和Ekberg教授等首先在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了組合面縱向剪切承載能力的計(jì)算方法，使得組合板的設(shè)計(jì)計(jì)算理論推進(jìn)一步，并逐步推廣到世界其他國(guó)家。冶金部建筑研究總院在對(duì)大量國(guó)產(chǎn)壓型鋼板組合板實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)自己的計(jì)算公式。,二、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，首先在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了組合梁，并進(jìn)行過(guò)少量實(shí)驗(yàn)。組合梁的計(jì)算與應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是連接問(wèn)題。美國(guó)、英國(guó)等首先用推出實(shí)驗(yàn)得出剪切連接件強(qiáng)度計(jì)算公式，并納入英國(guó)規(guī)范CP110；我國(guó)的鄭州工學(xué)院、哈爾濱建工學(xué)院、清華大學(xué)等先后

16、開(kāi)展了研究工作。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ17-88)首次將組合梁的設(shè)計(jì)方法納入規(guī)范。,二、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，國(guó)際上主要有三種類型：歐美的計(jì)算理論基于鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，考慮混凝土的作用，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上將實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行修正，突出反映在組合柱的計(jì)算上。前蘇聯(lián)關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，認(rèn)為型鋼與混凝土是完全共同作用的，因此實(shí)驗(yàn)證明前蘇聯(lián)計(jì)算方法在某些方面偏于不安全。第三種類型是日本建立在疊加理論基礎(chǔ)上的方法，認(rèn)為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力是型鋼與混凝土兩者承載力的疊加。比較證明，日本的計(jì)算方法偏于安全。,本文介紹的計(jì)算方法,二、鋼與

17、混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,我國(guó)在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初。西安建筑科技大學(xué)、冶金部建筑研究總院等科研單位最早對(duì)其進(jìn)行研究，并于1989年提出了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。1997年主要參考日本規(guī)程，原冶金部頒發(fā)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（YB9082-97)；2001年又根據(jù)我國(guó)的研究成果和和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由建設(shè)部頒布了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 138-2001）。,二、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,早在1879年英國(guó)就在鐵路橋的建設(shè)中應(yīng)用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，隨后，美國(guó)、法國(guó)、前蘇聯(lián)和日本等相繼將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于房屋中，尤其是超高層結(jié)構(gòu)。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始引入鋼管混凝土柱，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、高爐和鍋爐支架、輸（變）電塔架、公路和城市橋梁、以及高層建筑中。原中科院哈爾濱土建研究所、哈爾濱建工學(xué)院、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位先后開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究工作。,二、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用,我國(guó)至今尚無(wú)一部完整的關(guān)于組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的國(guó)家規(guī)范。但