型钢混凝土结构

浅析型钢混凝土结构
周星耀
（安阳工学院，土木工程08级，学号200804010036）
【摘要】随着我国经济建设的快速发展,各种新型结构形式不断涌现。

钢与混凝土组合结构以其承载力高、自重轻、节约材料、截面尺寸小、抗震性能好及
改善结构功能等突出优点,迎合建筑结构的发展。

文中介绍型钢混凝土性能、特点
及计算理论。

【关键词】组合结构; 型钢混凝土; 结构计算; 承载能力; 变形
型钢混凝土结构是在钢筋混凝土内部埋置型钢或焊接钢构件而形成的结构。

这种结构形式在英国、美国等西方国家称之为“Concrete - Encased Steelwork”或简称“Encased Col2
”等,日本则称为钢骨混凝土。

一、型钢混凝土的特点
型钢混凝土结构就是在混凝土中配置形钢。

所配型钢的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双工钢、双槽钢、十字型钢、箱形方钢管等。

由于截面中配置了型钢,使构件承载能力、刚度大大提高,因而大大减小了构件的断面尺寸,明显增加了房间的使用面积。

由于梁截面高度的减小,增加房间净空,或降低了房屋的层高与总高。

型钢混凝土结构不仅强度、刚度明显增加,而且延性获得很大的提高,从而成为一种抗震性能很好
的结构,尤其适用于抗震要求高的建筑。

型钢混凝土结构的另一优点是施工安装时梁柱型钢架本身构成了一个强度刚度较大的结构体系,可以作为浇筑混凝土时挂模、滑模的骨架,不仅大量节省了模板支撑,也可以承担施工荷载。

型钢混凝土结构可以用于梁、柱、节点、框架剪力墙及筒体等各种结构中。

二、型钢混凝土的分类
型钢混凝土中配置的型钢形式总的可分为实腹式与空腹式两大类[ 2 ]。

实腹式型钢可由型钢或钢板焊接而成,主要有工字钢、槽钢及H型钢等。

空腹式配钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢构成的空间桁架式的骨架。

实腹式制作简便,承载力大;空腹式节省钢材,但制作复杂,并且制作费与加工费高。

三、型钢混凝土结构构造
1、型钢混凝土构件
型钢混凝土构件是采用型钢配以纵向钢筋和箍筋浇筑混凝土而成，其基本构件有型钢混凝土梁和柱。

型钢混凝土构件中的型钢分为实腹式和空腹式两类，实腹式型钢由轧制的型钢
或钢板焊成，空腹式型钢由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成。

实腹式型钢制作简便，承载能力大，空腹式型钢节省材料，但制作费用高。

2、梁柱节点构造
梁柱节点的基本要求是：内力传递明确，不产生局部应力集中现象，主筋布置不妨碍浇筑混凝土，型钢焊接方便。

在梁柱节点处柱的主筋一般在柱角上，这样可以避免穿过型钢梁的翼缘。

但柱的箍筋要穿过型钢梁的腹板，也可将柱的箍筋焊在型钢梁上。

梁的主筋一般要穿过型钢柱的腹板，如果穿孔削弱了型钢柱的强度，应采取补强措施。

图5-44为十字形实腹式型钢柱与H形型钢梁的节点透视图。

3、柱脚节点构造
(1)柱脚的型钢不埋入基础内部。

型钢柱下端设有钢底板，利用地脚螺栓将钢底板锚固，柱内的纵向钢筋与基础内伸出的插筋相连接。

(2)柱脚的型钢伸入基础内部。

若型钢埋入足够深度，则地脚螺栓及底板均无需计算。

4、保护层
型钢混凝土构件混凝土保护层厚度，取决于耐火极限、钢筋锈蚀、型钢压曲及钢筋与混凝土的粘结力等因素。

从耐火极限方面看，梁和柱中的型钢要求2h的耐火极限时，保护层厚度应为5cm；要求3h的耐火极限时，保护层厚度应为6cm；墙壁中的型钢要求2h耐火极限时，保护层厚度应为3cm。

梁和柱中的钢筋，要求2h耐火极限时，保护层厚度应为3cm；要求3h耐火极限时，保护层厚度为4cm。

型钢的保护层厚度不得小于5cm，但确定保护层厚度时，还要考虑施工的可能性及便于浇筑混凝土
5、剪力连接件
型钢与混凝土之间的粘结应力只有圆钢与混凝土粘结应力的二分之一，因此为了保证混凝土与型钢共同工作，有时要设置剪力连接件，常用的为圆柱头焊钉。

一般只在型钢截面有重大变化处才需要设置剪力连接件
四、型钢混凝土结构施工
1、型钢骨架的施工和钢筋的绑扎
型钢骨架施工，应符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)的规定。

在安装柱的型钢骨架时，首先是在上下型钢骨架处作临时连接，然后观测纠正其垂直偏差，再进
行焊接或高强度螺栓连接，其次是在梁的型钢骨架安装后，要再次对型钢骨架进行观测纠正。

为防止上层型钢骨架垂直偏差积累超过允许值，除了力求柱的型钢骨架下部校正准确外，还应将上部的安装垂直中心线对准。

为使梁柱接头处的交叉钢筋贯通且互不干扰，加工柱的型钢骨架时，在型钢腹板上要预留穿钢筋的孔洞，而且要相互错开。

预留孔洞的孔径，既要便于穿钢筋，又不能过多削弱型钢腹板，一般预留孔洞的孔径较钢筋直径大4～6mm为宜。

在梁柱接头处和梁的型钢翼缘下部，由于浇筑混凝土时有部分空气不易排出或因梁的型钢翼缘过宽妨碍浇筑混凝土，为此要在一些部位预留排除空气的孔洞和混凝土浇筑孔。

型钢混凝土结构的钢筋绑扎与钢筋混凝土结构中的钢筋绑扎基本相同，但也有其特点。

由于柱的纵向钢筋不能穿过梁的翼缘，因此柱的纵向钢筋只能设在柱截面的四角或无梁的部位。

在梁柱节点部位，柱的箍筋要在型钢梁腹板上已留好的孔中穿过，由于整根箍筋无法穿过，只能将箍筋分段，再用电弧焊焊接。

不宜将箍筋焊在梁的腹板上，因为节点处受力较复杂。

如腹板上开孔的大小和位置不合适时，需征得设计单位的同意后，再用电钻补孔或用绞刀扩孔，不得用气割开孔。

2、模板与混凝土浇筑
型钢混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的区别在于型钢混凝土结构中有型钢骨架，在混凝土未硬化之前，型钢骨架可作为钢结构来承受荷载，因此施工时可利用这个特点，合理选择模板材料和支模方法。

在高层建筑现浇型钢混凝土结构施工中，经济效益较显着的模板体系有：无支撑模板体系、升梁提(滑)模体系和外挂脚手升降体系等。

如上海金茂大厦型钢混凝土结构的滑模施工、重庆民族饭店的升梁提模工艺(图5-48)等，都是利用型钢骨架的承重能力为施工创造有利的条件。

型钢混凝土结构的混凝土浇筑，应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》
(GB50204-2002)的规定。

在梁柱接头处和梁型钢翼缘下部等混凝土不易充分填满处，要仔细进行浇筑和捣实。

型钢混凝土结构外包的混凝土外壳，要满足受力和耐火的双重要求.浇筑时要保证其密实度和防止开裂。

来源:考试大-岩土工程师考试
五、型钢混凝土的计算理论
关于型钢混凝土结构的计算理论,国际上主要有3种类型[ 3 ] 。

欧美的计算理论基于钢结构的计算方法,考虑混凝土的作用,在试验基础上将试验曲线进行修正,突出反映在组合柱的
计算上;前苏联关于型钢混凝土结构的计算理论是基于钢筋混凝土结构的计算方法,认为型钢
与混凝土是完全共同工作的,因此试验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全;日本是建立在叠加理论基础上的方法,认为型钢混凝土结构的承载能力是型钢与钢筋混凝土两者承载能力的叠加,其计算方法偏于安全。

下文主要用第一种类型的计算理论进行实腹式型钢混凝土梁的计算讨论。

5.1型钢混凝土梁正截面承载能力计算对于配实腹钢的型钢混凝土梁,由于加荷后期型钢与混凝土接触面产生明显的滑移,影响到型钢与混凝土塑性性能的发挥,因此与完全共同工作相比,承载力有所降低。

显然截面应变已明显不符合平截面假定,在型钢的上、下翼缘处发生了应变突变,因此,对于配实腹式型钢的型钢混凝土梁承载能力计算时,可作如下基本假定: (1)梁受力后,截面应变仍然符合平截面假定(修正平截面) ; (2)破坏时,梁受压区边缘的混凝土极限压应变为εcu = 01003; (3)达到极限状态时,混凝土受压区的应力图形可取为矩形分布。

其中f cm = f c ,受压区高度为x = 018x0 , x0 为实际受压区高度; (4)达到极限状态时,不考虑混凝土受拉区参加工作。

型钢混凝土梁正截面强度计算时,根据中和轴位置不同,
分为三种情况。

第一种情况:中和轴在型钢腹板中通过;第二种情况:中和轴不通过型钢;第三种情况:中和轴恰好在型钢受压翼缘中通过。

第三种情况可以作为判别其他两种情况的界限。

此种情况下,受压区高度为:
x =f y A s + f s A sf + f s t w h s - f′y A′+s f c b
(1)如果求得的x = (018a′s ～a′s )之间,即按第三种情况考
虑。

此时不考虑型钢受压翼缘的作用,对型钢上翼缘取矩,
可得极限弯矩:
M u = f c bx ( a′s - x /2) + f y A s ( h - a′s - a r ) + f′y A′s ( a′s - a′r ) +
f s A sf h s + f s t w h2s /2
(2)式中: h为梁截面高度; h s 为型钢截面高度; b为梁宽;a r , a′r分别表示受拉钢筋重心至受拉区边缘和受压钢筋重心至受压区边缘的距离; a s , a′s分别表示型钢下翼缘至受拉区边缘及型钢上翼缘至受压区边缘的距离; t w 为型钢腹板厚度; A s ,A′s分别表示受拉钢筋与受压钢筋的截面积; A sf , A′sf分别表示型钢下翼缘与上翼缘截面积; f y , f′y分别表示受拉钢筋与受压钢筋的设计强度; f s 为型钢的抗拉(压)设计强度。

为了保证型钢受拉翼缘屈服,因此还必须保证: x≤018 ( h - a s )1 +f s01003E ss
(3)式中: E ss为型钢的弹性模量。

如果计算得的x > a′s ,属于第一种情况,即中和轴在型钢腹板中通过,根据力的平衡重新计算受压区高度。

一般地, f s= f′s ,则:
x =f s (A sf- A′sf ) + f s t w ( h - a s - a′s ) + f y A s - f′s A′s+ f c (A′s+A′sf- a′s t w )
f c ( b - 1125 t w ) + 215f s t w
(4)此时求得的x应大于a′s ,否则仍属于第三种情况。

极限弯矩:
M u = f s A sf ( h - x - a s ) + f s t w( h - as - x) 2+ f s A′sf ( x - a′s ) +f s t w (x - a′s ) 2 + f y A sf (h - x -
a s )+ f′y A′s (x - a r ) + f c bx2
为保证型钢受拉翼缘屈服,还必须满足式(3) 。

如果按式(1)求得的x < 018a′s ,则属于第二种情况,即中和轴不通过型钢,受压区高度为:
x =f s A ss+ f y A s - f′y A′s bf c
式中: A ss为型钢全截面面积。

计算所得的x值必须满足x < 018a′s ,且满足式( 3) 。

如不满足,则调整配钢,使其成为“第一种情况”,或者减小型钢的配钢量配钢高度h s ,使式
(3)满足。

如果:
x≤018a′s1 +f s01003E ss
则能保证型钢全截面屈服。

此时极限承载能力为:
M u = f y A s ( h - a r - x) + f s A ss ( h - x - a s - 015h s ) + f′y A′s ×
( x - a′r ) + 015f c bx2
若018a′s1 +f s01003E ss< x≤018 ( h - a s )1 +f s01003E ss
则不考虑型钢上翼缘的作用,重新计算x的值:
x =f s (A sf + t w h s ) + f y A s - f′y A′s bf c
然后对型钢上翼缘取矩,可得极限承载能力为:
M u = f y A s ( h - a r - a′s ) + f s h s (A sf + t w h sÞ2) +f′y A′s ( a′s - a′r ) + f c bx ( a′s - xÞ2)
型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构和钢结构设计不同,
往往不是根据内力计算出钢筋面积或型钢面积,然后选择钢
筋或型钢的大小,而是通过梁断面确定后,先配置型钢,然后
验算其承载能力是否满足。

5.2型钢混凝土梁斜截面承载能力计算影响型钢混凝土梁的抗剪承载能力有诸多因素,包括梁的剪跨比、加载方式、混凝土的强度等级、型钢的配钢率及型钢的强度、含箍率及钢箍强度、型钢翼缘宽度b f 与梁宽之比及型钢翼缘的混凝土保护层厚度等。

对于压弯剪构件来说,轴压比也明显影响构件的抗剪能力。

抗剪承载能力计算公式可统一表示为:
V =V c +V sω +V sv
式中: V c (V c =αf c bh0 )统称为混凝土抗力项,包括了剪压区混凝土承担的剪力、骨料的咬合力、型钢翼缘与纵筋消栓力以及型钢与箍筋对混凝土的约束的有利影响等; V sw (V sw=βf s t w h w )为型钢腹板的抗剪能力; V sv (V sv =ζsv A sv C /S )为钢箍承担的剪力。

可得出用型钢混凝土梁计算的抗剪能力计算公式。

对于T形梁、工字形梁以及在均布荷载作用下的矩形截面梁, 抗剪承载能力按下式计算:
V = 0107f c bh0 + 0158f s t w h w + 112f yv A sv h0 /S
在集中荷载作用下的矩形截面独立梁抗剪承载能力计算公式为:
V =0107λ - 015f c bh0 +113λ + 115f s t w h w + f yv A sv Sh0
由于型钢腹板在梁中是连续分布, 对混凝土的变形起着很好的约束作用, 因此在一般情况下, 只有型钢屈服以后, 混凝土才发生较大的变形而被压碎。

即使在含钢率较大的情况下, 型钢仍能达到剪切屈服。

根据国内外47个型钢混凝土构件(包括柱、梁) 抗剪承载能力与含钢率的关系分析, 当V / ( f c bh0 ) 达到014, 型钢仍能达到屈服, 抗剪强度仍能增加[ 3 ]。

因此,型钢混凝土梁极限抗剪能力的上限可取为: V ≤014f c bh0。

5.3型钢混凝土梁的刚度变形计算型钢混凝土构件是弹塑性构件,随着荷载的变化,构件刚
度也随之变化。

并且构件刚度的大小与含钢率等因素有关。

如果能求得型钢混凝土梁的刚度值B ,则仍可采用结构力学方法求得其变形[ 4 ]。

因此计算型钢混凝土梁的变形问题,可以归结
为如何计算型钢混凝土梁的刚度问题。

通过试验发现,与钢筋混凝土梁相比,型钢混凝土梁的荷载变形曲线具有两个显著特点:当型钢混凝土梁达到开裂荷载后,在M - f曲线上没有明显的转折点,裂缝开展“停滞”;另一个特点是使用阶段刚度降低较小,比较接近线性关系。

在型钢混凝土中,钢筋与型钢的屈服大致是同步的,即当钢筋屈服后出现塑流,变形增大,因而型钢下翼缘也随之屈服。

型钢下翼缘屈服后,型钢与混凝土之间产生较大的相对滑移,对混凝土的有效约束减小,变形急剧增加。

如果将型钢混凝土梁的刚度视为钢筋混凝土部分与型钢部分两者的叠加,考虑到型钢对混凝土约束的影响,可将型钢混凝土梁的刚度视作三部分之和:
B S =B R
C +B SS +B C
式中: B S 为荷载短期效应作用下型钢混凝土梁的刚度;B RC为梁中钢筋混凝土部分的刚度;
B SS为型钢部分的刚度;B
C 为被型钢约束的混凝土“刚心”部分的刚度,即如图3所示三部分的叠加。

型钢混凝土梁分项刚度计算图在计算型钢混凝土梁的刚度时,为了计算简便,作以下假定:型钢混凝土梁在使用荷载阶段符合平截面假定;在使用荷载阶段,钢筋、型钢和混凝土均在弹性范围内工作;裂缝截面不考虑受拉混凝土的作用。

钢筋混凝土部分的刚度B RC可根据《混凝土结构设计规范》(GB50010 - 2002) [ 5 ] ,按照图3 ( a)所示的工字形钢筋混凝土截面计算,即:
B RC=E c A s h201115ψ + 012 +6αEρ1 + 315γ′f
式中: h0 = h - a s ; αE = E s /E c ; ρ =A s( b - b c ) h0; γ′f=b c a′s( b - b c ) h0;
ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数,按下
列公式计算:
ψ = 111 -0165f tkρteδs
当ψ < 014时,取ψ = 014;当ψ > 110时,取ψ = 110。

直接承受重复荷载的构件,取ψ = 110。

式中,ρte 为以有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。

混凝土刚心区,见3 ( b) ,假定在使用阶段不开裂,即可按弹性刚度计算:
B c = E c112b c h3s + b c h s h s2+ a′s - x2
型钢的刚度,见图3 ( c)由下式计算:
B ss= E ss I sso +A ss h s2+ a′s - x2
式中, E ss为型钢弹性模量; I sso为型钢对自身重心轴的惯性矩; A ss为型钢截面面积; x为中和轴平均高度。

型钢混凝土梁的裂缝计算
型钢混凝土梁的抗裂弯距可表示为:
M cr=γm f tk W0
式中:γm 为截面抵抗矩塑性系数,对于矩形截面γm =1175; f tk为混凝土抗拉强度标准値;W0 为按弹性理论计算的截面抵抗矩,对矩形截面:
I0 =112bh2 + [ I sso +A ss ( h2- a s -h s2) 2 +A s ( h2- a s ) 2 +A′s ( h2- a′r ) 2 ]αE W0 = 2 I0 /h
式中: I sso为型钢对自身重心轴的惯性矩。

由于型钢混凝土构件是由混凝土、型钢和钢筋组合而成,而混凝土又是非匀质材料,因此型钢混凝土梁的裂缝开展是一种随机现象。

裂缝的位置、裂缝的间距与宽度都是随机变量,与许多参数有关,以致进行精确的理论分析极端困难。

因此,分析时特作以下假定: (1)使用阶段截面应变符合平截面假定; (2)使用阶段钢筋、型钢和混凝土均在弹性范围内工作; (3)开裂截面不考虑受拉混凝土的工作; (4)非开裂截面受拉区混凝土应力均匀分布。

前三个假定是裂缝研究中所通用的,第四个假定是考虑到混凝土受拉时的弹塑性变形性能,实际上只在裂缝中间截
面才近似正确。

对于型钢混凝土梁的最大裂缝宽度限値按表1采用[ 4 ]。

六结束语
由于型钢混凝土良好的力学性能,以及经济及建筑事业的发展,型钢混凝土结构已经日益广泛地在世界范围内采用。

尤其是一些多地震国家,应用更普遍。

但是在型钢混凝土结构中,型钢与混凝土的粘结力根据国内外的试验大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。

由于粘结滑移的存在,将影到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能及刚度裂缝。

[参考文献]
[ 1 ] 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构[M ]北京:科学出版社, 2001.
[ 2 ] 王连广. 钢与混凝土组合结构理论与计算[M ].北京:科学出版社,2005.
[ 3 ] 张兴武,颜卫亭,吴东红,等. 工字型钢劲性钢筋混凝土柱、梁的正截面配钢量统一简便计算法[ J ]. 混凝土结构基本理论及工程应用, 1998 (3) .
[ 4 ] 王连广,李立新. 型钢混凝土简支梁变形计算公式[ J ]. 结构工程, .
[ 5 ] GB50010 - 2002混凝土结构设计规范[ S].108。