鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)基本概念

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[推薦]鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)這是華南理工大學(xué)土木工程系蔡健老師     2004年的一份講義截選
一、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)概況
（一）鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的一般概念組合結(jié)構(gòu)定義：組合結(jié)構(gòu)的種類繁多，從廣義上講，組合結(jié)構(gòu)是指兩種或多種不同材料組成一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而共同工作的結(jié)構(gòu)（Composite Structure）。鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是繼木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之后發(fā)展興起的第五大類結(jié)構(gòu)。從廣義概念上看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是具有代表性的組合結(jié)構(gòu)的一種。組合結(jié)構(gòu)分類：組合結(jié)構(gòu)通常是指鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中鋼又分為鋼筋和型鋼，混凝土可以是素混凝土也可以是鋼筋混凝土。國內(nèi)外常用的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括以下五大類：（1）壓型鋼板混凝土組合板；（2）鋼—混凝土組合梁；（3）鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（也稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或勁性混凝土結(jié)構(gòu)）；（4）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（5）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)。
（二）鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)這門學(xué)科起源于本世紀(jì)初期。于本世紀(jì)二十年代進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性的研究。到了五十年代已基本形成獨(dú)立的學(xué)科體系。至今組合結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)理論，應(yīng)用技術(shù)等方面都有很大的發(fā)展。目前鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑、橋梁工程等許多土木工程中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。在國外，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)最初大量應(yīng)用于土木工程旨在二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，當(dāng)時(shí)的歐洲急需恢復(fù)戰(zhàn)爭(zhēng)破壞的房屋和橋梁，工程師們采用了大量的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，加快了重建的速度，完成了大量的道路橋梁和房屋的重建工程。1968年日本十勝?zèng)_地震以后，發(fā)現(xiàn)采用鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)修建的房屋，其抗震性能良好，于是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在日本的高層與超高層中得到迅速發(fā)展。60年代以后世界上許多國家（包括英、美、日、蘇、法、德）根據(jù)本國的試驗(yàn)研究成果及施工技術(shù)條件制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范。1971年成立了由歐洲國際混凝土委員會(huì)（CES）、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（ECCS）、國際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會(huì)（FIP）和國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）組成的組合結(jié)構(gòu)委員會(huì)，多次組織了國際性的組合結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會(huì)，并于1981年正式頒布了《組合結(jié)構(gòu)》規(guī)范。我國對(duì)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，從五十年代才開始開展組合梁的研究和應(yīng)用，至今除了鋼與混凝土組合梁已納入《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 17-88）外，其余的組合結(jié)構(gòu)和構(gòu)件還停留在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。具有代表性的三部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是：（1）國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)頒布的中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5085-1999）；（2）國家冶金工業(yè)部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB 9082-97）；（3）中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS28:90）。這三部規(guī)程的頒布標(biāo)志著我國的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用已進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。
（三）壓型鋼板混凝土組合板的概況及優(yōu)缺點(diǎn)壓型鋼板可作為墻板和屋面板之用，也可用作樓板。壓型鋼板在施工階段用作樓面混凝土板的永久性模板，在混凝土未凝固之前的施工階段。它僅承受自重、濕混凝土重及施工活荷載。組合板中的壓型鋼板，在使用階段當(dāng)作組合板結(jié)構(gòu)中的下部受力鋼筋之用，從而減少混凝土板中的鋼筋。20世紀(jì)60年代前后，在西歐、美、日等國大量興建高層建筑的情況下，由于壓型鋼板自重輕、施工快等一系列的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的采用，并促進(jìn)了壓型鋼板的生產(chǎn)。國內(nèi)使用壓型鋼板起步較晚，但發(fā)展較快。冶金工業(yè)部頒布了《壓型金屬板設(shè)計(jì)施工規(guī)程》(YBJ216-88)、《鋼與混凝土組合樓層設(shè)計(jì)施工規(guī)程》(YB9238-92)，為國家采用壓型金屬板與組合板奠定了基礎(chǔ)。80年代以來，我國興建了大量高層建筑，如北京香格里拉飯店、長(zhǎng)富宮中心、京城大廈、上海靜安飯店、上海錦江飯店、深圳發(fā)展中心大廈等都已經(jīng)采用壓型鋼板作樓層永久性模板或作組合板。組合板具有下列的優(yōu)點(diǎn)：1. 不需要模板，因此也不需模板拆卸安裝工作，也可避免由易燃的模板而引起的建筑失火的危險(xiǎn)。2. 壓型鋼板的作用相當(dāng)于抗拉主鋼筋，用以抵抗板底面的正彎距，只在認(rèn)為需要之處才加設(shè)抵抗混凝上收縮及溫度影響的鋼筋。3. 壓型鋼板本身為混凝土樓層提供了平整的頂棚表面。4. 壓型鋼板可疊在一起，并可置于集裝箱內(nèi)，易于運(yùn)輸、存儲(chǔ)、堆放與裝卸。5. 壓型鋼板的波紋間有預(yù)加工的槽，供電力、通信等工程之用。6. 在安裝后，壓型鋼板可用作工人、工具、材料、設(shè)備的安全工作臺(tái)。7. 使用組合板，施工時(shí)間人為減少，可以繼續(xù)進(jìn)行另一樓層混凝上的澆灌，而不需要等待前一層澆灌的樓板達(dá)到要求的混凝上強(qiáng)度等級(jí)。8. 整個(gè)結(jié)構(gòu)的恒荷載減少，節(jié)約了下部基礎(chǔ)的費(fèi)用。
（四）鋼—混凝土組合梁的概況及優(yōu)缺點(diǎn)組合梁由于能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的力學(xué)性能，在國內(nèi)外獲得廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。20年代初，在加拿大和英國進(jìn)行了最早的研究，至30年代組合梁結(jié)構(gòu)體系得到了一些試驗(yàn)成功，并建立了組合梁按彈性理論的設(shè)計(jì)方法，60年代后出現(xiàn)了按塑性理論的設(shè)計(jì)方法。我國從50年代初期開始研究組合梁結(jié)構(gòu)，之后在公路、鐵路橋梁方面得到應(yīng)用。在房屋建筑方面，早在50年代，北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討和研究。組合梁結(jié)構(gòu)除了能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料受力特點(diǎn)外，與非組合梁結(jié)構(gòu)比較，具有下列一系列的優(yōu)點(diǎn)：1. 節(jié)約鋼材：以某工程冶煉年間為例。該車間標(biāo)高16.9m的平臺(tái)，原設(shè)計(jì)是鋼梁上澆灌混凝土板，按鋼筋混凝土板不參與鋼梁共同工作，后在施工現(xiàn)場(chǎng)將其修改成鋼筋混凝土板與鋼梁共同工作的組合梁，節(jié)約鋼材17%—25%。2. 降低梁高：組合梁較非組合梁不僅節(jié)約鋼材，降低造價(jià)，而同時(shí)降低了梁的高度，這在建筑或工藝限制梁高的情況下，采用組合梁結(jié)構(gòu)特別有利。3. 增加梁的剛度：在一般的民用建筑中，鋼梁截面往往由剛度控制，而組合梁由于鋼梁與混凝土板共同工作，大大地增強(qiáng)了梁的剛度。4. 增加梁的承載力。5. 降低沖擊系數(shù)。6. 抗震性能好，抗疲勞強(qiáng)度高。7. 局部受壓穩(wěn)定性能良好。8. 使用壽命長(zhǎng)。
（五）鋼管混凝土柱的概況及優(yōu)缺點(diǎn)鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。鋼管混凝土研究最多的是圓鋼管，在特殊情況下也采用方鋼管或異型鋼管，除了在一些特殊結(jié)構(gòu)當(dāng)中有采用鋼筋混凝土的情況之外，混凝土一般為素混凝土。早在十九世紀(jì)八十年代就出現(xiàn)了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最初用作橋墩，然后漸漸地用作建筑物中的柱子。在我國，六十年代開始了這種結(jié)構(gòu)的研究，并首先用于首都地鐵工程中。北京站至蘋果園的地鐵線路上，在北京站和前門站的站臺(tái)工程中首次試用，經(jīng)濟(jì)效果很好；和傳統(tǒng)采用的鋼筋混凝土柱相比，不但施工簡(jiǎn)捷得多，而且體積小，增加了地下有效使用空間，因此，在隨后建造的地鐵環(huán)線工程中，所有的站臺(tái)柱，全部采用了鋼管混凝土柱。從七十年代開始，在工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架及變電和輸電塔架等工程中，鋼管混凝土得到了推廣應(yīng)用。工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱的有本鋼、鞍鋼、首鋼及近幾年寶鋼工程中的大量重工業(yè)廠房，還有各地的造船廠和火力發(fā)電廠等，廠房跨度最大的L=54m，柱高達(dá)60—70m，，橋式吊車最大的為Q=l00t重級(jí)工作制吊車。鋼管混凝土在我國的應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展很快。從應(yīng)用范圍和發(fā)展速度兩個(gè)方面都能列于世界前列。自八十年代后期開始，鋼管混凝土由于本身具有的優(yōu)點(diǎn)．開拓了兩個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。一個(gè)是公路和城市橋梁，另一個(gè)是高層和超高層建筑。鋼管混凝土具有下列基本特點(diǎn)：1. 承載力大大提高：試驗(yàn)和理論分析證明，鋼管混凝土受壓構(gòu)件的強(qiáng)度承載力可以達(dá)到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1.7~2.0倍。2. 具有良好的塑性和抗震性能：在鋼管混凝土構(gòu)件軸壓試驗(yàn)中，試件壓縮到原長(zhǎng)的2/3，構(gòu)件表面已褶曲，但仍有一定的承載力，可見塑性非常好。鋼管混凝土構(gòu)件在壓彎剪循環(huán)荷載作用下，水平力P與位移之間的滯回曲線十分飽滿，表明有很好的吸能能力，基本無剛度退化，它的抗震性能大大優(yōu)于鋼筋混凝土。3. 經(jīng)濟(jì)效果顯著：和鋼柱相比，可節(jié)約鋼材50%，降低造價(jià)45%；和鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土約70%，減少自重約70%，節(jié)省模板100%，而用鋼量約略相等或略多。4. 施工簡(jiǎn)單，可大大縮短工期：和鋼柱相比，零件少，焊縫短，且柱腳構(gòu)造簡(jiǎn)單，可直接插入混凝土基礎(chǔ)預(yù)留的杯口中，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造；和鋼筋混凝土柱相比，免除了之模、綁扎鋼筋和拆模等工作；由于自重的減輕，還簡(jiǎn)化了運(yùn)輸和吊裝等工作。
（六）鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的概況及優(yōu)缺點(diǎn)由混凝上包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)被稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。它的特征是在型鋼結(jié)構(gòu)的外面有一層混凝土的外殼。型鋼混凝土中的型鋼除采用軋制型鋼外，還廣泛使用焊接型鋼。此外還配合使用鋼筋和鋼箍。這種結(jié)構(gòu)在各國有不同的名稱，在英、美等西方國家將這種結(jié)構(gòu)叫做混凝土包鋼結(jié)構(gòu)(Steel encased Concrete)。在日本則稱為鋼骨鋼筋混凝土(鋼骨鋼筋コンクリート)。在蘇聯(lián)則稱為勁性鋼筋混凝土。我國過去也采用勁性鋼筋混凝土這個(gè)名稱。型鋼混凝土梁和柱是最基本的構(gòu)件。型鋼可以分為實(shí)腹式和空腹式兩大類。實(shí)腹式型鋼可由型鋼或鋼板焊成，常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圓形鋼管?？崭故綐?gòu)件的型鋼一般由綴板或綴條連接角鋼或槽鋼而組成。由型鋼混凝土柱和梁可以組成型鋼混凝土框架?？蚣芰嚎梢圆捎娩摿骸⒔M合梁或鋼筋混凝土梁。在高層建筑中，型鋼混凝土框架中可以設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻，在剪力墻中也可以設(shè)置型鋼支撐或者型鋼桁架，或在剪力墻中設(shè)置薄鋼板，這樣就組成了各種型式的型鋼混凝土剪力墻。型鋼混凝土剪力墻的抗剪能力和延性比鋼筋混凝土剪力墻好，可以在超高層建筑中發(fā)揮作用。型鋼混凝土與鋼筋混凝土框架相比較具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：1．型鋼混凝土的型鋼可不受含鋼率的限制，其承載能力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力一倍以上；可以減小構(gòu)件的截面，對(duì)于高層建筑，可以增加使用面積和樓層靜高。2．型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的施工工期比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工期大為縮短。型鋼混凝土中的型鋼在混凝土澆灌前已形成鋼結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)大的承載能力，能夠承受構(gòu)件自重和施工時(shí)的活荷載，并可將模板懸掛在型鋼上，而不必為模板設(shè)置支柱，因而減少了支模板的勞動(dòng)力和材料。型鋼混凝土多層和高層建筑不必等待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度就可繼續(xù)施工上層。施工中不需架立臨時(shí)支柱，可留出設(shè)備安裝的工作面，讓土建和安裝設(shè)備的工序?qū)嵭衅叫辛魉鳂I(yè)。3．型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高，尤其是實(shí)腹式的構(gòu)件。因此在大地震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。日本抗震規(guī)范規(guī)定高度超過45m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)則不受此限制。4．型鋼混凝土框架較鋼框架在耐久性、耐火度等方面均勝一籌。我國在50年代就從前蘇聯(lián)引進(jìn)了勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；六十年代以后，由于片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約鋼材，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)就難于推廣應(yīng)用；八十年代以后，型鋼混凝土又一次在我國興起。日本為我國設(shè)計(jì)的北京國際貿(mào)中心、香格里拉飯店和京廣大廈等超高層建筑的底部幾層都是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。我國在八十年代中期開始興起對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究的熱潮。在上海、重慶等城市也建成了這種類型的建筑物，但型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用還剛剛開始，其建筑面積還不到建筑總面積的千分之一。
（七）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)的概況及優(yōu)缺點(diǎn)外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱外包鋼結(jié)構(gòu))是外部配型鋼的混凝土結(jié)構(gòu)。是在克服裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)某些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，仿效鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式，是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種新型式。外包鋼結(jié)構(gòu)由外包型鋼的桿件拼裝而成。桿件中受力主筋由角鋼代替并設(shè)置在桿件四角，角鋼的外表面與混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面0.5—1.5mm。橫向箍筋與角鋼焊接成骨架，為了滿足箍筋的保護(hù)層厚度的要求，可將箍筋兩端墩成球狀再與角鋼內(nèi)側(cè)焊接。外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1．構(gòu)造簡(jiǎn)單：外包鋼結(jié)構(gòu)取消了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向柔性鋼筋以及預(yù)埋件，構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于混凝土的搗實(shí)，也有利于采用高標(biāo)號(hào)混凝土，減小桿件截面，便于構(gòu)件規(guī)格化，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和施工。2．連接方便：外包鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就在于能夠利用它的可焊性，桿件的連接可采用鋼板焊接的干式接頭。管道等的支吊架也可以直接與外包角鋼連接。和裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以避免大最鋼筋剖口焊和接頭的二次澆灌混凝土等工作。3．使用靈活：外包角鋼和箍筋焊成骨架后，本身就有一定強(qiáng)度和剛度，在施工過程中可用來直接支承模板，承受一定的施工荷載。這樣施工方便、速度快，又節(jié)約了材料。4．抗剪強(qiáng)度提高：雙面配置角鋼的桿件，極限抗剪強(qiáng)度與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比提高22%左右。5．延性提高：剪切破壞的外包鋼桿件，具有很好的變形能力，剪切延性系數(shù)和條件相同的鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)相比要提高一倍以上。
（三）鋼骨混凝土梁截面設(shè)計(jì)（略）
（四）鋼骨混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證傳為明確，安全可靠，施工方便。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不允許有過大的局部變形。梁、柱內(nèi)力通過節(jié)點(diǎn)傳遞，節(jié)點(diǎn)工作的安全可靠，是保證結(jié)構(gòu)正常工作的前提。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，提出了各種理論分析與實(shí)用計(jì)算方法。根據(jù)梁、柱型式不同，其節(jié)點(diǎn)大致有以下幾種類型。1．鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接（1）配角鋼桁架的梁、柱節(jié)點(diǎn)一般柱寬梁窄的情況，梁中型鋼可在柱型鋼內(nèi)側(cè)穿過。（2）配實(shí)腹工字鋼(或H型鋼)的梁柱節(jié)點(diǎn)一般柱中型鋼在節(jié)點(diǎn)中貫通，梁中型鋼在柱型鋼兩側(cè)斷開，并與柱型鋼翼緣用焊接或螺栓連接。在節(jié)點(diǎn)中柱型鋼翼緣之間，分別在梁型鋼上下翼緣水平處各設(shè)一道足夠剛強(qiáng)的柱加勁肋，以保證梁翼緣的拉力可靠地傳遞到節(jié)點(diǎn)，并防止柱型鋼翼緣板發(fā)生局部彎曲。2．鋼骨混凝土梁—鋼筋混凝土柱的連接梁中型鋼可在節(jié)點(diǎn)中通過，而柱筋則在梁型鋼翼緣兩側(cè)及翼緣中通過，保持貫通。若柱筋在梁翼緣中穿過，梁翼緣因柱筋穿孔而被削弱，因此對(duì)梁翼緣應(yīng)予加強(qiáng)。使其不低于未削弱時(shí)梁型鋼的抗彎能力。3．鋼筋混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接梁筋在柱兩側(cè)斷開，但應(yīng)與柱翼緣可靠焊接，并在柱型鋼翼緣之間，梁筋水平處設(shè)置足夠剛強(qiáng)的加勁肋。為便于澆灌節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土，加勁肋可以不是通長(zhǎng)的，僅在柱型鋼翼緣處局部設(shè)置。大多數(shù)情況下，節(jié)點(diǎn)區(qū)僅靠型鋼抗剪其強(qiáng)度已足夠，否則可增加節(jié)點(diǎn)區(qū)的加勁板來增強(qiáng)抗剪能力。型鋼混凝土框架的中間節(jié)點(diǎn)，有縱向梁的約束，提高抗剪能力，允許在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)不配置箍筋，有利簡(jiǎn)化施工。4．鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼骨部分的連接構(gòu)造應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接要求相一致。在柱鋼骨內(nèi)梁翼緣水平位置處應(yīng)設(shè)置加勁肋，其構(gòu)造應(yīng)便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實(shí)。除了梁柱節(jié)點(diǎn)外，還有柱與柱的連接節(jié)點(diǎn)、梁與剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)，不一一介紹。