型钢混凝土组合结构 钢与混凝土组合结构

第一节 一般要求和结构的整体作用
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• 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
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• 关键技术：
第一节 一般要求和结构的整体作用
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
第二节 型钢混凝土框架梁
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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
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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：
第二节 型钢混凝土框架梁
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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）斜压破坏 • 剪跨比λ<1.0，以及1.0~1.5 且含钢率较大的情况
第二节 型钢混凝土框架梁
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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。
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
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• 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
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第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
一般要求和结构的整体作用 型钢混凝土框架梁 型钢混凝土框架柱 框架梁柱节点 型钢混凝土剪力墙 连接构造
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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。
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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。
• 1921年，内藤多仲
第二节 型钢混凝土框架梁
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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。
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。
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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。
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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
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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；
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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。
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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 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。
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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
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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《铁骨铁筋コンクリート计算规准. 同解说》 若林实
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• 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
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第三章 型钢混凝土组合结构
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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。
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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。
▫ 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。
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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。
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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；
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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）。
第一节 一般要求和结构的整体作用
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1、型钢配置形式： 1）实腹式：良好的延性和耗能能力 2）空腹式：
第一节 一般要求和结构的整体作用
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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：
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3、型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。
第一节 一般要求和结构的整体作用
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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）
▫ 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
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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
第一节 一般要求和结构的整体作用
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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
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• 优点：
第一节 一般要求和结构的整体作用
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。
第二节 型钢混凝土框架梁
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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。
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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弹性模量的乘积，但不大 于其强度设计值
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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’
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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： （2）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
第二节 型钢混凝土框架梁
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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
技术规程
• YB 9082－97（钢骨混凝土结构设计规程）
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▫ 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
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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
第二节 型钢混凝土框架梁
技术规程
• YB 9082－97（钢骨混凝土结构设计规程）
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▫ 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