高层建筑结构第10章 钢与混凝土混合结构设计 - 副本

10.3.2型钢混凝土梁的设计

抗震设计： 均布荷载作用下：
Asv Vb (0.06 c f cbh0 0.8 f yv h0 0.58 f at whw ) RE s 1

集中荷载作用下：
Vb 1
RE
Asv 0.06 0.58 ( c f cbh0 0.8 f yv h0 f at w hw ) 1.5 s
M aw
1 2 2 1 2 2 2 [ ( 1 2 ) ( 1 2 ) ( ) ]t w h0 fa 2 1 1
10.3.2型钢混凝土梁的设计
为了保证型钢混凝土梁的型钢上翼缘和纵向 受压钢筋在破坏前达到屈服；截面受压区高度 应满足：
x a tf
10.2 混合结构体系

(1) 混合框架结构 框架结构的主要形式有型钢混凝土柱与 组合梁或型钢混凝土柱与钢梁形成的框架结 构等。框架结构梁柱全部刚接，整体刚度均 匀，但抗侧刚度较小，一般仅适用于20~30 层的高层建筑。 实例：北京长富宫饭店，地上25层，地下3层， 高88m，地下部分至2层为型钢混凝土结构， 上部为钢框架结构。
1)混凝土部分的受剪承载力可表示
为：
Vc f c bh0

2)与斜裂缝相交的箍筋承担的受剪承载力可 表示为：
Vsv f yv Asv h0 s
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在均布荷载作用下，型钢混凝土梁抗剪达到极 限状态时，型钢腹板的应力，基本上可取型钢 纯剪状态时的剪切屈服强度

' a
为了保证梁的破坏形态为型钢下翼缘和受 拉纵向钢筋先屈服，然后受压区混凝土被压碎， 截面相对受压区应满足：
x b h0
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b 值可按平截面假定推导出：
b
1 f y fa 2 0.003E s
1

抗震设计时，x应满足以下要求： x 0.25h0 一级框架梁： 二，三级框架： x 0.35h
钢管混凝土柱的工作性能
1.钢管混凝土柱的几个影响参数
(1) 含钢率
(2) 约束效应系数

As f y
As Ac
Ac f ck As f 钢管混凝土规程称为套箍系数（招标） Ac f c
一般在0.3~4.0之间，宜大于等于3.0
(3) 径厚比或高厚比 圆钢管 方（矩形）钢管 (4) 长细比 D/t≤150(235/fy) D/t≤60(235/fy)1/2

水平力的平衡方程
' 1 f c bx f y' As' f a' Aaf f y As f a Aaf N aw 0
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（2）抗震设计
M 1 x ' ' (1 f cbx(h0 ) f y' As' (h0 as' ) f a' Aaf (h0 aa ) M aw ) 2
0
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（2）抗剪承载力计算

破坏形态主要有三种类型：
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（a）斜压破坏 剪跨比λ <1.0，以及1.0~1.5 且含钢率较大的情况 （b）剪压破坏 剪跨比λ >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
则承载力计算公式： 非抗震设计 均布荷载作用下：
Asv Vb 0.08 c f cbh0 f yv h0 0.58 f a t w hw s

集中荷载作用下：
Vb A 0.2 0.58 c f c bh0 f yv sv h0 f a t w hw 1.5 s


3、竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土(钢 管混凝土)柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的 结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、 徐变、沉降及施工调整等因素的影响. 4、混合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为0.04。风 荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取为 0.02～0.04 。
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（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
10.3.2型钢混凝土梁的设计
10.3.2型钢混凝土梁的设计
由于充满型型钢混凝土框架梁是以适筋梁破 坏作为其抗弯承载力的极限状态，所以我们 在设计和计算中要确保受拉钢筋和型钢翼缘 首先屈服，然后受压翼缘屈服，直至最后受 压混凝土压碎，整个充满型型钢混凝土框架 梁才达到抗弯承载力而破坏。

10.3.2型钢混凝土梁的设计
（1）抗弯承载力计算
第10章 钢与混凝土混合结构设计
10.1 混合结构体系与结构布置
第10章 钢与混凝土混合结构设计
第10章 钢与混凝土混合结构设计
第10章 钢与混凝土混合结构设计
第10章 钢与混凝土混合结构设计
（1）混合框架结构
（2）混合框架-核心筒结构
(3)混合筒中筒结构
第10章 钢与混凝土混合结构设计
第10章 钢与混凝土混合结构设计
10.1 混合结构体系与结构布置
10.2 混合结构的计算分析 10.3 型钢混凝土构件设计 10.4 钢管混凝土构件设计
1
第10章 钢与混凝土混合结构设计
混合结构体系是近年来在国内迅 速发展起来的 一种新型结构体系,主要 用于高层及超高层建筑结构。与混凝土 结构相比,其在降低结构自重、减少结 构断面尺寸、改善结构受力性能、加快 施工进度等方面具有明显的优势;与纯 钢结构相比,其又具有防火性能好、综 合用钢量小、风荷载作用舒适度好的特 点。


宜采用方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形等规则 对称的平面； 尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合； 建筑的开间、进深宜统一； 筒中筒结构体系中，当外围钢框架柱采用H形截面 时，宜将柱截面强轴方向布置在外围筒体平面内； 角柱宜采用十字形、方形或圆形截面； 楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。

第10章 钢与混凝土混合结构设计
(3) 混合筒中筒结构 混合筒中筒结构是指筒中筒结构中的部分或 全部筒体采用钢骨混凝土筒体的结构，分为 钢外筒-钢筋混凝土核心筒和型钢混凝土外筒 -钢筋混凝土核心筒。
第10章 钢与混凝土混合结构设计
一般原则： 混合结构房屋平面的外形宜简单规则：

10.1.2 混合结构布置
10.3.2型钢混凝土梁的设计

截面适用条件： 非抗震设计 Vb 0.45 c f cbh0 抗震设计
Vb 1

RE
(0.36 c f c bh0 )

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为了避免型钢含量过小，要求满足
f a t w hw 0.10 f c bh0
10.4 钢管混凝土构件设计
钢管混凝土的特点
10.3 型钢混凝土构件设计
10.3.1
型钢混凝土构件
10.3 型钢混凝土构件设计
10.3.2型钢混凝土梁的设计
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； 5）钢筋应力等于其应变与弹性模量的乘积，但 不大于其强度设计值。
混合结构中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接；楼
面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接可采用刚接或 铰接。
楼盖体系应具有良好的水平刚度和整体性。
表10-1
10.2 混合结构的计算分析


1、弹性分析时，宜考虑钢梁与现浇混凝土楼板的共同 作用，梁的刚度可取钢梁刚度的1.5～2.0倍，但应保证 钢梁与楼板有可靠连接。弹塑性分析时，可不考虑楼板 与梁的共同作用。 2、结构弹性阶段的内力和位移计算时构件刚度取值
钢管混凝土也称作为钢管套箍混凝土（Steel Tube-Confined Concrete， 或Concrete-Filled Steel Tube ）,它是在钢管内灌入混凝土而形成的一种 组合结构。钢管混凝土结构按截面形式的不同可以分为矩形截面、圆形 截面和多边形截面，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用最为 广泛；实心和空心钢管混凝土。

综上所述，斜压破坏和剪压破坏通过型钢混凝 土梁的斜截面受剪计算解决。剪切粘结破坏是 通过构造解决，设计中应通过配置必要的构造 箍筋，设置抗剪连接件，增加型钢外围混凝土 厚度等措施提高型钢混凝土梁抗剪切粘结破坏 的能力。
10.3.2型钢混凝土梁的设计


抗剪承载能力的计算公式： 型钢混凝土梁的抗剪承载力由混凝土，型钢和 箍筋三者组成： V Vc Vsv Va
混合结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件截
面宜由下至上逐渐减少，无突变。



混合结构的外围框架柱沿高度宜采用同类结构构件；当采用不 同类型和材料的构件时，应设置过渡层。 对于刚度突变的楼层，如转换层、加强层、空旷的顶层、顶部 突出部分、型钢混凝土框架与钢框架的交接层及邻近楼层，应 采取可靠的过渡加强措施。 钢框架部分设置支撑时，宜采用偏心支撑和耗能支撑，支撑宜 连续布置，且在相互垂直的两个方向均宜布置，并相互交接； 支撑框架在地下部分宜延伸至基础。

型钢混凝土构件、钢管混凝土柱的刚度：



无端柱型钢混凝土剪力墙可近似按相同截面的混凝土剪力墙计 算其轴向、抗弯和抗剪刚度——不计端部型钢对截面刚度的提 高作用； 有端柱型钢混凝土剪力墙可按H形混凝土截面计算其轴向和抗 弯刚度，端柱内型钢可折算为等效混凝土面积计入H形截面的 翼缘面积，墙的抗剪刚度可不计入型钢作用； 钢板混凝土剪力墙可将钢板折算为等效混凝土面积计算其轴向、 抗弯和抗剪刚度。
RE
' 1 f c bx f y' As' f a' Aaf f y As f a Aaf N aw 0
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当 1h0
N aw [
1
1
x
，
2 h0
1
1
x
时：
2
1
( 1 2 )]t w h0 f a
1 3
f a 0.58 f a
Va 0.58 f a t w hw
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在集中荷载作用下，型钢的抗剪能力随着剪 跨比的增加反而降低，其腹板的抗剪强度为：
0.58 fa fa
'
Va
0.58

f a t w hw
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10.4 钢管混凝土构件设计
钢管混凝土的基本原理是依靠内填混凝土的支撑作用，使得钢管的 稳定性增强，同时核心混凝土受到钢管的“约束”作用或称之为“套 箍”作用，使核心混凝土处于三向受压应力状态,延缓混凝土内部纵向 微裂缝产生和发展的时间，从而使得核心混凝土具有更强的抗压强度 和抵抗变形能力。
特点： 1.承载力高 2.具有良好的塑性和抗震性能 3.施工简单，可以大大缩短工期 4.钢管混凝土柱的耐火性能好于钢柱 5.可采用高强度混凝土
M 0, x 0
根据上述的基本假定，我们利用平衡条件:
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可得基本方程： （1）非抗震设计 弯矩的平衡方程
x ' ' M 1 f c bx (h0 ) f y' As' (h0 a s' ) f a' Aaf (h0 a a ) M aw 2
第10章 钢与混凝土混合结构设计
北京长富宫中心 框架结构 26层，90.85m，89年建成。
4000 5800 6200 5800
4000
8000
8000
8000
8000
8000
4000
最经济的层数为10层 最适宜的层数为1113层
4000
2.1 结构体系
第10章 钢与混凝土混合结构设计
(2) 框架-核芯筒结构 外框架-核芯筒结构以钢筋混凝土核芯 筒为主承受侧向荷载，再配合布置各种形式 的外框架，建筑造型丰富、平面布置灵活。 实例:上海瑞金大厦平面，27层，由型钢混凝 土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架 组成。