第8章钢与混凝土组合结构设计ppt课件.ppt

第八章钢与混凝土组合结构,Steel-Concrete Composite Structures,钢材：良好的抗拉和延性,混凝土：优良的抗压强度和较大的刚度，混凝土的存在的提高了钢材的整体屈曲和局部屈曲性能,钢-混凝土组合结构：良好的强度、刚度、延性及良好的耗能能力,1. 赵鸿铁著，组合结构设计原理，科学出版社2. 聂建国等，钢-混凝土组合结构，建筑工业出版社3.刘维亚编， 钢与混凝土组合结构理论与实践，建筑工业出版社4.Johnson R P, Composite Structures of Steel and Concrete, OXFORD: Blackwell Scientific Publications5.薛建阳编，钢与混凝土组合结构,华中科技大学出版社,参考书,一、概述二、钢与混凝土组合结构三、钢与混凝土组合结构的发展与应用四、高层建筑组合结构布置举例,主要内容,一、概 述,由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体，共同受力、协调变形的结构，称为组合构件。,钢与混凝土组合结构是其中较为常见的一种，也是土木工程领域日益广泛采用的一种结构体系。,钢筋混凝土组合结构的特点,P,P,D,钢与混凝土组合结构,二、钢与混凝土组合结构,钢与混凝土组合结构,五大类,1.压型钢板与混凝土组合板,定义,在各种形式凹凸肋或各种形式槽纹的压型钢板上浇注混凝土而形成的组合板，依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起。,压型钢板与混凝土组合板的形式,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,优点,压型钢板可以作为现浇混凝土的永久模板。这样就省掉了施工中安装和拆除模板等工序，从而节省了时间和劳动力。,当压型钢板安装好以后将可以作为施工平台使用。同时由于不必使用临时支撑，也不影响下一层施工平面的工作。 压型钢板可以作为楼板的底筋使用，减少了安装板筋的工作量。根据压型钢板的不同截面形状，最多可以减少30的楼板混凝土用量。减少的楼板自重又可以相应的减少梁、柱和基础的尺寸，提高了结构的整体性能。,1.压型钢板与混凝土组合板,优点,压型钢板的肋部可以放置水电管线，从而使结构层与管线合为一体，间接地加大了层高或降低了建筑高度，给建筑设计带来灵活性。,在施工阶段，压型钢板可作为钢梁的连续侧向支撑，提高了钢梁的整体稳定承载力；在使用阶段，提高了钢梁的整体稳定性和上翼缘的局部稳定性。 可以相当大程度地缩短施工时间，取得良好的经济效益。,1.压型钢板与混凝土组合板,型钢混凝土组合结构构件中的型钢钢板厚度不宜小于6mm,2.钢与混凝土组合梁,定义,将型钢梁与混凝土翼板通过抗剪连接件相连在一起形成一个整体共同工作的组合梁。,混凝土板可以是现浇混凝土板，也可以是预制混凝土板、压型钢板混凝土组合板或预应力混凝土板。钢梁可以用轧制或焊接钢梁。钢梁形式有工字钢、槽钢或箱形钢梁。混凝土板与钢梁之间用剪切连接件连接，使混凝土板作为梁的翼缘与钢梁组合在一起，整体共同作用形成组合T形梁。,2.钢与混凝土组合梁,带板托的组合梁,无板托的组合梁,组合梁的形式,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,常州市龙城大桥,主桥采取自锚式悬索斜拉协作体系，主梁采用箱形结构，主跨跨中部分采用混凝土钢结合梁，其余部分采用预应力混凝土箱梁。,2.钢与混凝土组合梁,常州市龙城大桥,梁纵向五道腹板。钢纵梁为全焊接结构，由底板和5道腹板组成，底板和外侧斜腹板组成一个槽形断面。,2.钢与混凝土组合梁,张江立交改建工程,组合箱梁截面,组合板梁截面,2.钢与混凝土组合梁,张江立交改建工程,1.节省钢材，降低造价。通过变更设计，将钢箱梁（1866.975t）和钢板梁（628.748t）改为钢混叠合梁（556.2t），节省用钢量1939.523t。原预算价为3000万元，根据图纸现预算价2000万元，节省1000万元。2.增加了预制环节，为现场施工争取了时间。这种型式的结构极具推广价值，特别适于改建工程。在满足行车要求的情况下，不但大量节省了用钢量，降低了造价，而且实施快速。,工程经验,2.钢与混凝土组合梁,中铁大桥局的建设者在上海长江大桥上架设钢混凝土组合梁,优点,节省钢材，降低造价。增加了预制环节，为现场施工争取了时间。,使混凝土受压，钢梁主要是受拉与受剪，受力合理强度与刚度显著提高，充分利用了混凝土的有利作用。并且由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起，很大程度上避免了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳的弱点。,2.钢与混凝土组合梁,3.型钢混凝土结构,定义,型钢混凝土结构又称钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构，是在混凝土,根据配钢形式的不同，型钢混凝土结构可以分为实腹式配钢和空腹式配钢。,中主要配置型钢、并配有一定纵向钢筋和箍筋的结构。,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。,日本,起源于1910年代。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。,31,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。,32,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。,33,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% , 1015 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,34,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。,35,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。,36,3.型钢混凝土结构,型钢混凝土构件截面形式,3.型钢混凝土结构,3.型钢混凝土结构,北京国贸三期,高330米，80层，主塔楼主体结构为筒中筒结构，外部的型钢混凝土框架筒体与内部的型钢混凝土支撑核心筒体的组合。抗震等级8级，设计难度和施工难度为世界超高层建筑结构所罕见。,3.型钢混凝土结构,南通国际会议中心项目:总高度（含避雷针）275米，混凝土结构高度208米，钢结构塔顶高度254米，地下2层，地上55层，裙楼5层，总建筑面积12万平米，地上建筑面积11万平米。结构形式为核心筒加型钢混凝土柱结构,由中国建筑上海设计研究院设计。,3.型钢混凝土结构,大连期货广场:为双子楼建筑，每栋建筑面积21.1万平方米，地上53层，地下3层，高约232米。结构体系为剪力墙核心筒-钢框架混合结构，全玻璃幕墙。,3.型钢混凝土结构,中银大厦:整座大楼采用由八片平面支撑和五根型钢混凝土柱所组成的混合结构“大型立体支撑体系”。,3.型钢混凝土结构,优点,在混凝土中配置型钢，可以轧制也可以焊接。一般在大型建筑中经常配置焊接型钢，可以根据构件截面大小、受力特点，考虑到受力的合理性，灵活的选择焊接型钢各个板件宽度与厚度。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，所有尤其适用于地震区。比起钢结构建筑，采用型钢混凝土结构节省了大量钢材，降低了造价，而且避免了钢结构建筑防锈、防腐蚀、防火性能差，需要经常性维护等弱点。,4.钢管混凝土结构,定义,钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土而形成的结构。,在钢管内可以配置钢筋，也可以只填充混凝土。按截面形式的不同，可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土结构。,4.钢管混凝土结构,圆钢管混凝土,方钢管混凝土,矩形钢管混凝土,钢管混凝土截面形式,4.钢管混凝土结构,4.钢管混凝土结构,钢管混凝土节点形式,4.钢管混凝土结构,（1）圆钢管混凝土柱的特点： 利用钢管约束混凝土，将混凝土由单向受压转变为三向受压。钢管混凝土结构充分发挥混凝土和钢材各自的优点，避免了钢材特别是薄壁钢材容易失稳的缺点，所以受力合理，大大节省材料。 圆钢管混凝土结构的最大弱点是圆形截面的柱与矩形截面的梁连接比较复杂，是推广圆钢管混凝土结构的一大障碍。,4.钢管混凝土结构,(2)方钢管混凝土柱的特点： 克服了圆钢管混凝土柱的一些缺点。可以用作偏心受压柱，房屋的外观较好；连接面为平面，节点构造比较简单；方钢管构成封闭截面，自身刚度较大；由于钢材都分布于截面外边，抗弯承载力较高；钢板为连续配置，提高了对混凝土的约束作用，故构件的延性比钢筋混凝土结构明显提高；省去模板，方便施工。,4.钢管混凝土结构,赛格广场:总高355.8米，总建筑层79层，是目前世界最高的钢管混凝土结构大厦，是深圳市跨世纪的标志性建筑。总建筑面积达17万平方米。赛格观光位于赛格广场的71、72层，登高临望，深圳和香港的都市风貌尽收眼底，犹如一幅美丽的画卷。“赛格电子市场”是世界规模最大的电子交易市场。,4.钢管混凝土结构,天津津塔工程:总建筑面积约为34.6万平方米，由一幢75层高的办公楼及一幢30层高的公寓楼组成。地下四层，办公楼结构体系为钢管混凝土柱框架+核心筒钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧体系组合结构，是全球范围内采用钢板剪力墙结构技术建成的最高建筑。公寓楼结构体系为钢筋混凝土+剪力墙体系。檐高为336.9米。津塔采用的是目前最先进的钢板剪力墙结构，2011年该建筑获得了美国加州建筑结构设计奖。,4.钢管混凝土结构,迪拜塔：162层，高度为818米， “迪拜塔”建造在一个3.7米厚的三角形结构的基座上，这个三角形基座由192根直径为1.5米的钢管桩或支柱缸体支持。这些钢管桩或支柱缸体深入地下50米。,4.钢管混凝土结构,南宁永和大桥：横跨邕江，北连中华路，南接南建路，主孔净跨径为335.40m，是迄今为止的世界上最大跨度的下承式有推力钢管混凝土拱桥。,4.钢管混凝土结构,连徐高速公路京杭运河特大桥：全长2577米，为三跨自锚式空间曲线钢管混凝土拱桥，是当时国内跨径最大的提篮式钢管混凝土拱桥，2001年12月建成，荣获“詹天佑土木工程大奖”。,4.钢管混凝土结构,丫髻沙大桥,丫髻沙大桥：跨越珠江主航道，是一座特大型钢管混凝土拱桥。全长1084米，主桥上部结构为3跨钢管混凝土中承式桁架肋系杆拱，跨越珠江主副航道、丫髻沙岛，跨径达360米，为当时世界同类桥梁第一。,5.外包钢混凝土结构,定义,亦简称外包钢结构，指在混凝土构件外部配置钢板或角钢的结构。,它可以满足大中型工业厂房内固定各类管道线路而不需设置预埋件，也可以可以用于已有建筑物的加固改造。,5.外包钢混凝土结构,5.外包钢混凝土结构,外包钢加固柱,5.外包钢混凝土结构,柱包钢,5.外包钢混凝土结构,外包钢加固混凝土梁,5.外包钢混凝土结构,外包钢加固混凝土板,钢与混凝土组合结构,五大类,6.型钢混凝土墙体结构,Company Logo,定义,在钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土核芯筒壁中加入H型钢形成型钢混凝土墙体结构。,组合结构形式,Company Logo,(1)钢筋混凝土核芯筒，钢框架(含支撑)，钢梁组合楼面(2)钢筋混凝土核芯筒，钢外框筒，钢梁组合楼面(3)钢筋混凝土核芯简，钢外桁架筒，钢梁组合楼面(4)钢筋混凝土外框简，钢内柱，钢梁组合楼面(5)钢筋混凝土竖向抗侧力结构，钢梁组合楼面,钢与混凝土组合结构，已经广泛地应用于实际工程中！,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,压型钢板混凝土组合楼板开始应用于欧美国家。组合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土的组合剪切计算。美国的Porter 和Ekberg教授等首先在实验的基础上，提出了组合面纵向剪切承载能力的计算方法，使得组合板的设计计算理论推进一步，并逐步推广到世界其他国家。冶金部建筑研究总院在对大量国产压型钢板组合板实验研究的基础上，提出了我国自己的计算公式。,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国从20世纪50年代开始，首先在桥梁结构中应用了组合梁，并进行过少量实验。组合梁的计算与应用中的一个关键问题是连接问题。美国、英国等首先用推出实验得出剪切连接件强度计算公式，并纳入英国规范CP110；我国的郑州工学院、哈尔滨建工学院、清华大学等先后开展了研究工作。钢结构设计规范(GBJ17-88)首次将组合梁的设计方法纳入规范。,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,关于型钢混凝土结构的计算理论，国际上主要有三种类型：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，在实验基础上将实验曲线进行修正，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作用的，因此实验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全。第三种类型是日本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混凝土两者承载力的叠加。比较证明，日本的计算方法偏于安全。,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国在型钢混凝土结构方面的研究与应用始于20世纪80年代初。西安建筑科技大学、冶金部建筑研究总院等科研单位最早对其进行研究，并于1989年提出了型钢混凝土结构设计建议。1997年主要参考日本规程，原冶金部颁发了行业标准钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97)，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；2001年又根据我国的研究成果和和设计经验，由建设部颁布了型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ 138-2001）。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。,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,早在1879年英国就在铁路桥的建设中应用了钢管混凝土结构，随后，美国、法国、前苏联和日本等相继将钢管混凝土结构应用于房屋中，尤其是超高层结构。我国自20世纪60年代开始引入钢管混凝土柱，并广泛应用于工业厂房、高炉和锅炉支架、输（变）电塔架、公路和城市桥梁、以及高层建筑中。原中科院哈尔滨土建研究所、哈尔滨建工学院、中国建筑科学研究院等单位先后开展了较为系统的研究工作。,三、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国至今尚无一部完整的关于组合结构设计的国家规范。但是近几十年，特别近20年来在大量学者的研究成果与应用基础上，各部制订了一些专项规程。这些规程的颁发，一方面推动了组合结构在我国的推广应用，另一方面也说明了目前工程界急切需要一部完整的统一的组合结构设计规范，可供设计遵循。这部规范应当主要建立在我国自己研究成果的基础上，比较成熟、完善，又适合我国国情的规范，它应该是我们工程界的研究、设计、施工人员及有关学者共同完成的一项有意义的任务。,进一深入研究的意义,四、高层建筑组合结构布置举例,1 . 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2030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。,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。,四、高层建筑组合结构布置举例,2 .框架-剪力墙结构由钢筋混凝土剪力墙和劲性钢筋混凝土框架组成。实例：北京京广中心，总高208m，按8度抗震设防,北京京广中心:总高208m，按8度抗震设防,四、高层建筑组合结构布置举例,3 .外框架-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。,上海瑞金大厦: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。,四、高层建筑组合结构布置举例,4 . 巨型框架(或桁架)结构外部为钢筋混凝土巨型框架，巨型框架内用钢或钢筋混凝土次框架承受竖向荷载，内部再配以钢框架结构。实例：香港中国银行，73层，总高368m，采用巨型桁架结构。它的竖杆为型钢混凝土结构，斜杆为钢结构，组成4个三角形空间桁架。,香港中国银行:73层，总高368m，采用巨型桁架结构。竖杆为型钢混凝土结构，斜杆为钢结构，组成4个三角形空间桁架,思考题,1.钢与混凝土结构有什么优点?可以分为哪几大类型?,2.观察你周边的建筑,看看有哪些包含组合结构? 分析一下周边建筑采用组合结构的原因?,