钢-混凝土组合结构基本概念

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[推荐]钢-混凝土组合结构这是华南理工大学土木工程系蔡健老师     2004年的一份讲义截选
一、钢—混凝土组合结构概况
（一）钢—混凝土组合结构的一般概念组合结构定义：组合结构的种类繁多，从广义上讲，组合结构是指两种或多种不同材料组成一个结构或构件而共同工作的结构（Composite Structure）。钢—混凝土组合结构是继木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构之后发展兴起的第五大类结构。从广义概念上看，钢筋混凝土结构就是具有代表性的组合结构的一种。组合结构分类：组合结构通常是指钢—混凝土组合结构，其中钢又分为钢筋和型钢，混凝土可以是素混凝土也可以是钢筋混凝土。国内外常用的钢—混凝土组合结构主要包括以下五大类：（1）压型钢板混凝土组合板；（2）钢—混凝土组合梁；（3）钢骨混凝土结构（也称为型钢混凝土结构或劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构。
（二）钢—混凝土组合结构的发展概况钢—混凝土组合结构这门学科起源于本世纪初期。于本世纪二十年代进行了一些基础性的研究。到了五十年代已基本形成独立的学科体系。至今组合结构在基础理论，应用技术等方面都有很大的发展。目前钢—混凝土组合结构在高层建筑、桥梁工程等许多土木工程中得到广泛的应用，并取得了较好的经济效益。在国外，钢—混凝土组合结构最初大量应用于土木工程旨在二次世界大战结束后，当时的欧洲急需恢复战争破坏的房屋和桥梁，工程师们采用了大量的钢—混凝土组合结构，加快了重建的速度，完成了大量的道路桥梁和房屋的重建工程。1968年日本十胜冲地震以后，发现采用钢—混凝土组合结构修建的房屋，其抗震性能良好，于是钢—混凝土组合结构在日本的高层与超高层中得到迅速发展。60年代以后世界上许多国家（包括英、美、日、苏、法、德）根据本国的试验研究成果及施工技术条件制定了相应的设计与施工技术规范。1971年成立了由欧洲国际混凝土委员会（CES）、欧洲钢结构协会（ECCS）、国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁及结构工程协会（IABSE）组成的组合结构委员会，多次组织了国际性的组合结构学术讨论会，并于1981年正式颁布了《组合结构》规范。我国对钢—混凝土组合结构的研究和应用起步较晚，从五十年代才开始开展组合梁的研究和应用，至今除了钢与混凝土组合梁已纳入《钢结构设计规范》（GBJ 17-88）外，其余的组合结构和构件还停留在行业标准的基础上。具有代表性的三部行业标准是：（1）国家经济贸易委员会颁布的中华人民共和国电力行业标准《钢—混凝土组合结构设计规程》（DL/T 5085-1999）；（2）国家冶金工业部颁布的行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（YB 9082-97）；（3）中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）。这三部规程的颁布标志着我国的钢—混凝土组合结构实际应用已进入一个崭新的时代。
（三）压型钢板混凝土组合板的概况及优缺点压型钢板可作为墙板和屋面板之用，也可用作楼板。压型钢板在施工阶段用作楼面混凝土板的永久性模板，在混凝土未凝固之前的施工阶段。它仅承受自重、湿混凝土重及施工活荷载。组合板中的压型钢板，在使用阶段当作组合板结构中的下部受力钢筋之用，从而减少混凝土板中的钢筋。20世纪60年代前后，在西欧、美、日等国大量兴建高层建筑的情况下，由于压型钢板自重轻、施工快等一系列的优点，获得了广泛的采用，并促进了压型钢板的生产。国内使用压型钢板起步较晚，但发展较快。冶金工业部颁布了《压型金属板设计施工规程》(YBJ216-88)、《钢与混凝土组合楼层设计施工规程》(YB9238-92)，为国家采用压型金属板与组合板奠定了基础。80年代以来，我国兴建了大量高层建筑，如北京香格里拉饭店、长富宫中心、京城大厦、上海静安饭店、上海锦江饭店、深圳发展中心大厦等都已经采用压型钢板作楼层永久性模板或作组合板。组合板具有下列的优点：1. 不需要模板，因此也不需模板拆卸安装工作，也可避免由易燃的模板而引起的建筑失火的危险。2. 压型钢板的作用相当于抗拉主钢筋，用以抵抗板底面的正弯距，只在认为需要之处才加设抵抗混凝上收缩及温度影响的钢筋。3. 压型钢板本身为混凝土楼层提供了平整的顶棚表面。4. 压型钢板可叠在一起，并可置于集装箱内，易于运输、存储、堆放与装卸。5. 压型钢板的波纹间有预加工的槽，供电力、通信等工程之用。6. 在安装后，压型钢板可用作工人、工具、材料、设备的安全工作台。7. 使用组合板，施工时间人为减少，可以继续进行另一楼层混凝上的浇灌，而不需要等待前一层浇灌的楼板达到要求的混凝上强度等级。8. 整个结构的恒荷载减少，节约了下部基础的费用。
（四）钢—混凝土组合梁的概况及优缺点组合梁由于能充分发挥钢与混凝土两种材料的力学性能，在国内外获得广泛的发展与应用。20年代初，在加拿大和英国进行了最早的研究，至30年代组合梁结构体系得到了一些试验成功，并建立了组合梁按弹性理论的设计方法，60年代后出现了按塑性理论的设计方法。我国从50年代初期开始研究组合梁结构，之后在公路、铁路桥梁方面得到应用。在房屋建筑方面，早在50年代，北京钢铁设计研究总院对组合梁结构进行了探讨和研究。组合梁结构除了能充分发挥钢材和混凝土两种材料受力特点外，与非组合梁结构比较，具有下列一系列的优点：1. 节约钢材：以某工程冶炼年间为例。该车间标高16.9m的平台，原设计是钢梁上浇灌混凝土板，按钢筋混凝土板不参与钢梁共同工作，后在施工现场将其修改成钢筋混凝土板与钢梁共同工作的组合梁，节约钢材17%—25%。2. 降低梁高：组合梁较非组合梁不仅节约钢材，降低造价，而同时降低了梁的高度，这在建筑或工艺限制梁高的情况下，采用组合梁结构特别有利。3. 增加梁的刚度：在一般的民用建筑中，钢梁截面往往由刚度控制，而组合梁由于钢梁与混凝土板共同工作，大大地增强了梁的刚度。4. 增加梁的承载力。5. 降低冲击系数。6. 抗震性能好，抗疲劳强度高。7. 局部受压稳定性能良好。8. 使用寿命长。
（五）钢管混凝土柱的概况及优缺点钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管混凝土研究最多的是圆钢管，在特殊情况下也采用方钢管或异型钢管，除了在一些特殊结构当中有采用钢筋混凝土的情况之外，混凝土一般为素混凝土。早在十九世纪八十年代就出现了钢管混凝土结构，最初用作桥墩，然后渐渐地用作建筑物中的柱子。在我国，六十年代开始了这种结构的研究，并首先用于首都地铁工程中。北京站至苹果园的地铁线路上，在北京站和前门站的站台工程中首次试用，经济效果很好；和传统采用的钢筋混凝土柱相比，不但施工简捷得多，而且体积小，增加了地下有效使用空间，因此，在随后建造的地铁环线工程中，所有的站台柱，全部采用了钢管混凝土柱。从七十年代开始，在工业厂房、高炉和锅炉构架及变电和输电塔架等工程中，钢管混凝土得到了推广应用。工业厂房中采用钢管混凝土柱的有本钢、鞍钢、首钢及近几年宝钢工程中的大量重工业厂房，还有各地的造船厂和火力发电厂等，厂房跨度最大的L=54m，柱高达60—70m，，桥式吊车最大的为Q=l00t重级工作制吊车。钢管混凝土在我国的应用范围很广，发展很快。从应用范围和发展速度两个方面都能列于世界前列。自八十年代后期开始，钢管混凝土由于本身具有的优点．开拓了两个新的应用领域。一个是公路和城市桥梁，另一个是高层和超高层建筑。钢管混凝土具有下列基本特点：1. 承载力大大提高：试验和理论分析证明，钢管混凝土受压构件的强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7~2.0倍。2. 具有良好的塑性和抗震性能：在钢管混凝土构件轴压试验中，试件压缩到原长的2/3，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载力，可见塑性非常好。钢管混凝土构件在压弯剪循环荷载作用下，水平力P与位移之间的滞回曲线十分饱满，表明有很好的吸能能力，基本无刚度退化，它的抗震性能大大优于钢筋混凝土。3. 经济效果显著：和钢柱相比，可节约钢材50%，降低造价45%；和钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土约70%，减少自重约70%，节省模板100%，而用钢量约略相等或略多。4. 施工简单，可大大缩短工期：和钢柱相比，零件少，焊缝短，且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础预留的杯口中，免去了复杂的柱脚构造；和钢筋混凝土柱相比，免除了之模、绑扎钢筋和拆模等工作；由于自重的减轻，还简化了运输和吊装等工作。
（六）钢骨混凝土结构的概况及优缺点由混凝上包裹型钢做成的结构被称为型钢混凝土结构。它的特征是在型钢结构的外面有一层混凝土的外壳。型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外，还广泛使用焊接型钢。此外还配合使用钢筋和钢箍。这种结构在各国有不同的名称，在英、美等西方国家将这种结构叫做混凝土包钢结构(Steel encased Concrete)。在日本则称为钢骨钢筋混凝土(钢骨钢筋コンクリート)。在苏联则称为劲性钢筋混凝土。我国过去也采用劲性钢筋混凝土这个名称。型钢混凝土梁和柱是最基本的构件。型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。实腹式型钢可由型钢或钢板焊成，常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成。由型钢混凝土柱和梁可以组成型钢混凝土框架。框架梁可以采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁。在高层建筑中，型钢混凝土框架中可以设置钢筋混凝土剪力墙，在剪力墙中也可以设置型钢支撑或者型钢桁架，或在剪力墙中设置薄钢板，这样就组成了各种型式的型钢混凝土剪力墙。型钢混凝土剪力墙的抗剪能力和延性比钢筋混凝土剪力墙好，可以在超高层建筑中发挥作用。型钢混凝土与钢筋混凝土框架相比较具有一系列的优点：1．型钢混凝土的型钢可不受含钢率的限制，其承载能力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件的承载能力一倍以上；可以减小构件的截面，对于高层建筑，可以增加使用面积和楼层静高。2．型钢混凝土结构的施工工期比钢筋混凝土结构的工期大为缩短。型钢混凝土中的型钢在混凝土浇灌前已形成钢结构，具有相当大的承载能力，能够承受构件自重和施工时的活荷载，并可将模板悬挂在型钢上，而不必为模板设置支柱，因而减少了支模板的劳动力和材料。型钢混凝土多层和高层建筑不必等待混凝土达到一定强度就可继续施工上层。施工中不需架立临时支柱，可留出设备安装的工作面，让土建和安装设备的工序实行平行流水作业。3．型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高，尤其是实腹式的构件。因此在大地震中此种结构呈现出优良的抗震性能。日本抗震规范规定高度超过45m的建筑物不得使用钢筋混凝土结构。而型钢混凝土结构则不受此限制。4．型钢混凝土框架较钢框架在耐久性、耐火度等方面均胜一筹。我国在50年代就从前苏联引进了劲性钢筋混凝土结构；六十年代以后，由于片面强调节约钢材，型钢混凝土结构就难于推广应用；八十年代以后，型钢混凝土又一次在我国兴起。日本为我国设计的北京国际贸中心、香格里拉饭店和京广大厦等超高层建筑的底部几层都是型钢混凝土结构。我国在八十年代中期开始兴起对型钢混凝土结构研究的热潮。在上海、重庆等城市也建成了这种类型的建筑物，但型钢混凝土结构在我国的应用还刚刚开始，其建筑面积还不到建筑总面积的千分之一。
（七）外包钢混凝土结构的概况及优缺点外包钢混凝土结构(以下简称外包钢结构)是外部配型钢的混凝土结构。是在克服装配式钢筋混凝土结构某些缺点的基础上发展起来的，仿效钢结构的构造方式，是钢与混凝土组合结构的一种新型式。外包钢结构由外包型钢的杆件拼装而成。杆件中受力主筋由角钢代替并设置在杆件四角，角钢的外表面与混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面0.5—1.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋的保护层厚度的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接。外包钢混凝土结构主要有以下几点优点：1．构造简单：外包钢结构取消了钢筋混凝土结构中的纵向柔性钢筋以及预埋件，构造简单，有利于混凝土的捣实，也有利于采用高标号混凝土，减小杆件截面，便于构件规格化，简化设计和施工。2．连接方便：外包钢结构的特点就在于能够利用它的可焊性，杆件的连接可采用钢板焊接的干式接头。管道等的支吊架也可以直接与外包角钢连接。和装配式钢筋混凝土结构相比，可以避免大最钢筋剖口焊和接头的二次浇灌混凝土等工作。3．使用灵活：外包角钢和箍筋焊成骨架后，本身就有一定强度和刚度，在施工过程中可用来直接支承模板，承受一定的施工荷载。这样施工方便、速度快，又节约了材料。4．抗剪强度提高：双面配置角钢的杆件，极限抗剪强度与钢筋混凝土结构相比提高22%左右。5．延性提高：剪切破坏的外包钢杆件，具有很好的变形能力，剪切延性系数和条件相同的钢筋混凝上结构相比要提高一倍以上。
（三）钢骨混凝土梁截面设计（略）
（四）钢骨混凝土梁柱节点构造框架梁柱节点核心区设计时应保证传为明确，安全可靠，施工方便。节点核心区不允许有过大的局部变形。梁、柱内力通过节点传递，节点工作的安全可靠，是保证结构正常工作的前提。近年来，国内外学者对型钢混凝土节点进行了许多试验研究，提出了各种理论分析与实用计算方法。根据梁、柱型式不同，其节点大致有以下几种类型。1．钢骨混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接（1）配角钢桁架的梁、柱节点一般柱宽梁窄的情况，梁中型钢可在柱型钢内侧穿过。（2）配实腹工字钢(或H型钢)的梁柱节点一般柱中型钢在节点中贯通，梁中型钢在柱型钢两侧断开，并与柱型钢翼缘用焊接或螺栓连接。在节点中柱型钢翼缘之间，分别在梁型钢上下翼缘水平处各设一道足够刚强的柱加劲肋，以保证梁翼缘的拉力可靠地传递到节点，并防止柱型钢翼缘板发生局部弯曲。2．钢骨混凝土梁—钢筋混凝土柱的连接梁中型钢可在节点中通过，而柱筋则在梁型钢翼缘两侧及翼缘中通过，保持贯通。若柱筋在梁翼缘中穿过，梁翼缘因柱筋穿孔而被削弱，因此对梁翼缘应予加强。使其不低于未削弱时梁型钢的抗弯能力。3．钢筋混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接梁筋在柱两侧断开，但应与柱翼缘可靠焊接，并在柱型钢翼缘之间，梁筋水平处设置足够刚强的加劲肋。为便于浇灌节点核心区的混凝土，加劲肋可以不是通长的，仅在柱型钢翼缘处局部设置。大多数情况下，节点区仅靠型钢抗剪其强度已足够，否则可增加节点区的加劲板来增强抗剪能力。型钢混凝土框架的中间节点，有纵向梁的约束，提高抗剪能力，允许在节点范围内不配置箍筋，有利简化施工。4．钢梁—钢骨混凝土柱的连接节点区钢骨部分的连接构造应与钢结构的节点连接要求相一致。在柱钢骨内梁翼缘水平位置处应设置加劲肋，其构造应便于混凝土浇灌，并保证混凝土密实。除了梁柱节点外，还有柱与柱的连接节点、梁与剪力墙的连接节点，不一一介绍。