型钢混凝土结构(受力机理和工程抗震).ppt

型钢混凝土结构及抗震分析Steel Reinforced Concrete Structures and Aseismic Analysis,组合结构型钢混凝土结构及抗震分析,型钢混凝土结构概念,型钢混凝土柱承载力分析,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,主要内容,组合结构型钢混凝土结构及抗震分析,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）。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。,型钢混凝土结构概念,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。,型钢混凝土结构概念,欧美,中国,日本,l981年至1985年期间1015层的建筑，型钢混凝土结构的数量占90，16层以上的建筑中型钢混凝土结构所占比例也达到50,美国达拉斯第一国际大厦72层，采用型钢混凝土框架结构。休斯顿第一城市大楼49层，高207m，休斯顿得克斯商业中心大厦79层，305m高，均采用型钢混凝土外框架、型钢混凝土内筒结构。,北京新世纪饭店较早采用了型钢混凝土柱；北京的亮马河大厦采用型钢混凝土梁；上海环球金融中心(492m)、金茂大厦(421m)、深圳地王大厦(384m)等超高层建筑也采用了型钢混凝土组合结构，但全国采用SRC建筑面积还不到建筑总面积的千分之一,型钢混凝土结构概念,型钢混凝土组合结构 主要类型：钢骨混凝土柱；钢骨混凝土梁；组合楼板；钢骨混凝土剪力墙；,型钢混凝土结构概念,(a)实腹式配钢型钢混凝土柱截面（b）空腹式配钢型钢混凝土柱截面(a)实腹式配钢型钢混凝土梁截面（b）空腹式配钢型钢混凝土梁截面,型钢混凝土结构概念,组合楼板,钢骨混凝土剪力墙,型钢混凝土结构概念,与钢筋混凝土结构（SRC）相比：（1）变形能力强，抗震性能好。（2）在截面尺寸相同的条件下，可以合理的配置较多的钢材。（3）当基础采用钢筋混凝土结构，上部为钢结构时，采用型钢混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。（4）在施工中，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，并可承载模板的重量。（5）由于在构件中同时存在型钢和钢筋，浇筑混凝土比较困难。（6）用钢量大，建设费用较高,型钢混凝土结构的特点,型钢混凝土结构概念,与纯钢结构相比：（1）混凝土兼有构件受力和保护层的功能，经济性较好，可节省钢材。（2）结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，结构的外移易满足要求（3）混凝土有助于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲，杆件弯曲失稳，及梁的侧向失稳不易发生。如果结构构件设计合理，就能保证合理的延性。（4）使用的型钢规格较小，钢板厚度较薄，比较符合我国钢材扎制的实际情况。（5）结构自重较大，施工复杂程度较高。,型钢混凝土结构的特点,型钢混凝土结构概念,随建筑物高度加大，重力荷载迅速增大 建筑物高度的增加，使地震作用效应加大 P-效应成为不可忽视的问题 倾覆力矩增大，整体稳定性要求提高竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大,（超）高层建筑面临的问题,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,型钢砼承载力大、延性好、刚度大,保证刚度，降低梁高,风荷载和水平地震,减小截面，灵活布置空间,降低梁高，可用于大跨度,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,金茂大厦核心筒体-钢巨型桁架-钢 骨混凝土巨型组合柱体系,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,金茂大厦核心筒体-钢巨型桁架-钢 骨混凝土巨型组合柱体系,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,深圳地王大厦钢骨混凝土核心筒结构 外钢框架结构，26根箱型钢柱通过钢梁、钢斜 撑与核心墙连接 楼面铺设压型钢板后浇筑砼。结构平面尺寸68.25m35.5m(图2.1)，结构高度303.75m。,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,大连远洋大厦内筒为钢筋混凝土 外框自下而上为RC-SRC-S结构,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,大连远洋大厦内筒为钢筋混凝土 地上51层，地下4层 外框自下而上为RC(6层)-SRC-S结构SRC核心筒,型钢混凝土结构在超高层建筑中的应用,在试验及理论研究的基础上，对于SRC结构的设计方法，反映在规范规程上，有冶金部的YB 9082-2006钢骨混凝土结构设计规程（以下简称钢骨规程）和建设部的JGJ13822001型钢混凝土组合结构技术规程（以下简称型钢规程）。,钢骨混凝土规程及设计方法,型钢混凝土结构设计方法,型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138-2001,钢骨混凝土结构技术规程 YB 9082-2006,型钢混凝土结构设计方法,钢骨规程中，无论是构件的承载力计算还是刚度、裂缝验算，均采用叠加原理，原理清晰，计算简单。在型钢规程中，构件的承载力计算采用平截面假定，钢骨与混凝土变形协调，通过构件内里平衡方程求解构件承载力。在承载力计算中，公式复杂，适合于已知各配筋条件的承载力验算，而已知内力求配筋则计算复杂。,钢骨混凝土规程及设计方法,型钢混凝土结构设计方法,钢骨规程中采用叠加原理，通过弯矩分配，计算混凝土部分承担的弯矩，在考虑型钢受拉翼缘影响的基础上，计算裂缝宽度。综上所述，两者在计算原理上存在差别钢骨规程采用的是叠加原理，而型钢规程中除刚度计算、抗剪计算也采用叠加原理外，压弯承载力计算和裂缝计算是将型钢受拉翼缘等效为钢筋，按平截面假定计算。,钢骨混凝土规程及设计方法,型钢混凝土结构设计方法,刚度计算采用钢筋混凝土与型钢钢骨两部分刚度叠加的方法，与钢骨规程相近，计算公式有差异，在长期刚度的计算中，混凝土收缩、徐变的影响仅考虑混凝土部分的影响，但型钢规程中没有区分钢骨部分和型钢部分，公式中用的是整体刚度。受弯构件裂缝计算两者也不一致型钢规程中将型钢受拉翼缘简化为等效钢筋，并考虑型钢腹板的部分影响；,钢骨混凝土规程及设计方法,型钢混凝土结构设计方法,钢骨混凝土柱,破坏形态：轴心受压钢骨和钢筋首先屈服，混凝土纵向开裂直 至混凝土压溃，混凝土与钢骨协同工作，对于短柱，其承载力是混凝土、钢筋和钢骨三部分之和。偏心受压以受压区混凝土的破坏为特征，根据柱达 到极限承载力时钢骨受拉翼缘是否屈服分大、小偏 心。混凝土保护层劈裂。,总体而言，钢骨混凝土柱具有较好的变形能力，力学性能改善，对于变形能力要求较高的高层建筑、短柱 及受力较大的构件适合采用。,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱正截面承载力计算,N(f,),轴心受压:,A,A+f,+f,A,c c,sy s,ss ss,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱正截面承载力计算 偏心受压（强度叠加法）,N ss,N rc,N,+,cy,cu,sscy,rccu,M M,+M,上式没有给出钢骨部分和钢筋混凝土部分各自承担轴力的比例，通过调节钢骨和钢筋混凝土分担轴力的 比例可以使构件的承载力达到最大值。（一般叠加法简化叠加法）,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）1.先设定钢骨（或钢筋）的面积，按下列两种情况计 算钢筋混凝土部分（或钢骨部分）所承受的轴力、弯 矩设计值。2.用两种情况得到的轴力、弯矩设计值，分别计算钢 筋（或钢骨）面积及截面承载力验算，取截面较小值 为设计结果。,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）第一种情况：,ss,N rc,N rc，且,N,M,M y 0,a)当,时，钢骨部分仅承担弯,t 0,c 0,矩，钢筋混凝土部分轴力、弯矩设计值为,N rc,=N=M M,c,M rc,ssy 0,cN,rc,Nc 0,b)当,时，钢筋混凝土仅承受轴向压力，钢骨部,分的轴力和弯矩设计值为,N ss,N rc,=N=M,c,c 0,ssc,M,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）第一种情况：,N rc,c)当 N,时，钢筋混凝土仅承受轴向拉力，钢骨部,t 0,分的轴力和弯矩设计值为,N ss,N rc,=N=M,c,t 0,ssc,M,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）第二种情况：,rc,N ss,N ss，且,N,M,M y 0,a)当,时，钢筋混凝土部分仅,t 0,c 0,承担弯矩，钢骨部分轴力、弯矩设计值为,N ss,=N,c,ss,M rc,M=M,cN,y 0,ss,Nc 0,b)当,时，钢骨部分仅承受轴向压力，钢筋混凝,土部分的轴力和弯矩设计值为,N rc,N ss,=N=M,c,c 0,rcc,M,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）第二种情况：,N ss,c)当 N,时，钢筋混凝土仅承受轴向拉力，钢骨部,t 0,分的轴力和弯矩设计值为,N rc,N ss,=N=M,c,t 0,rcc,M,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱正截面承载力计算（简化叠加法）钢骨部分承载力：（不考虑受压时的稳定性问题）,ss,ss,Nc 0,=,f ss Ass,=Nt 0,N ss,ssc,M,c,+,f,ss,sWss,Ass,钢筋混凝土部分承载力：按混凝土结构设计规范的钢筋混凝土矩形截面计算。,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱斜截面承载力计算（简化叠加法）影响因素：混凝土强度；钢骨；箍筋；剪跨比；轴压比。,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱斜截面承载力计算（简化叠加法）,ss,rc,V Vy+Vcu,V钢骨混凝土柱的剪力设计值（符合抗震、非抗震要求）,ti hi f ssv,ss,Vy=,ti hi,式中积。,与受剪方向一致的所有钢骨板材的面,0.2,Asv,rc,rc,Vcu,=,fcbc hc 0,+1.25 f yv,hc 0,+0.07 Nc,+1.5,s,截面面积限值要求同钢骨混凝土梁。,型钢混凝土柱承载力分析,钢骨混凝土柱轴压比限值,N n(fc Ac+,f ss Ass),当柱承受的轴向压力超过轴向受压极限承载力的50时，柱的延性明显下降。影响钢骨混凝土柱延性的主要因素是钢筋混凝土部分承担的轴向压力。,设防烈度n,6度0.8,7度0.75,8度0.7,9度0.6,当钢骨面积较少时，轴压比限值比普通钢筋混凝土要求更严，因为配箍率较低。,型钢混凝土柱承载力分析,（1）梁抗弯试验,试件情况：,型钢混凝土梁承载力分析,试件破坏过程：,M=15-20%Mu 纯弯段出现裂缝，并随荷载增加而开展 裂缝到达型钢下翼缘后出现停滞，不再向上发展,M=50%Mu 裂缝基本出齐，且均为竖缝 加载到一定阶段出现斜裂缝，指向加载点,M=继续增加 受拉翼缘屈服腹板屈服裂缝随之发展,M=80%Mu 受压翼缘出现水平粘结裂缝贯通保护层脱 落，混凝土压碎,型钢混凝土梁承载力分析,试验结果分析：,破坏过程 受拉纤维部分或全部屈服受压混凝土压碎极限,型钢位置影响 全高配置型钢时，粘结劈裂严重 拉区配置型钢时，劈裂不严重，类似于钢筋混凝土梁,应变分布 初期平截面；后期压区应变滞后，应力重分布,钢梁无屈曲发生,滑移的影响 变形不协调，但对承载力影响不大,受压区混凝土应力分布 可按钢筋混凝土一样换算,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁承载力分析,混凝土开裂：刚度无明显的转折 受到型钢的约束作用,类似于弹塑性体的荷载应变发展过程,型钢混凝土梁承载力分析,（2）梁抗剪试验,三类破坏形式：破坏过程；破坏特点；谁先破坏,剪切斜压破坏：1.5;正应力小，剪应力大,0.30.5 Pu 梁腹板出现斜裂缝,P增加 裂缝延伸到加载点附近，形成临界裂缝 裂缝中间大，两端小（枣核状）,Pu增加 出现平行斜裂缝,梁分割成斜向短柱,型钢混凝土梁承载力分析,剪切粘结破坏：较大;正应力小，剪应力大,P较小时 钢梁和混凝土共同工作,P增加 胶结力消失，靠摩擦力传递,达混凝土抗拉强度时 水平裂缝贯通，出现劈裂破坏,注：对设置了剪力连接件的梁，及受均布荷载的梁，粘结作用大一些。,型钢混凝土梁承载力分析,弯剪破坏：2;正应力大，剪应力小,P-ft 梁底出现弯曲裂缝，受型钢约束发展缓慢,P增加主应力达到混凝土抗拉强度 形成斜向的弯剪裂缝,P-Pu 型钢剪切屈服，混凝土压碎，构件破坏,型钢混凝土梁承载力分析,钢骨混凝土梁受弯承载力计算,（1）基本假定,a.平截面；,b.忽略拉区混凝土作用；,c.压区混凝土采用“等效矩形”应力图；,d.钢筋、型钢达到设计强度；,e.型钢强度折减0.9；,f.不考虑型钢屈曲；,g.界限相对受压区高度。,型钢混凝土梁承载力分析,（2）矩形截面梁承载力计算,情况一：中和轴位于型钢以上,型钢混凝土梁承载力分析,情况二：中和轴位于型钢腹板内,型钢混凝土梁承载力分析,情况三：中和轴位于型钢翼缘中心处,型钢混凝土梁承载力分析,（3）倒梯形截面梁承载力计算,翼缘计算宽度：,型钢混凝土梁承载力分析,第一类截面：中和轴位于受压翼缘混凝土内,承载力计算：,!因为受拉混凝土不起作用,型钢混凝土梁承载力分析,第二类截面：中和轴位于梁腹板内 具体公式见p85,型钢混凝土梁承载力分析,钢骨混凝土梁受剪承载力计算,（1）破坏形式,剪切斜压破坏：1.5;正应力小，剪应力大,剪切粘结破坏：较大;正应力小，剪应力大,弯剪破坏：2;正应力大，剪应力小,型钢混凝土梁承载力分析,（2）影响因素,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁承载力分析,（3）受剪承载力计算,计算模型：,型钢混凝土梁承载力分析,剪力的组成：,如能确定各个部分，则总剪力V可确定！,型钢混凝土梁承载力分析,各部分承载力的计算：,Vc的计算：,型钢混凝土梁承载力分析,Vsw的计算：,型钢混凝土梁承载力分析,Vsv的计算：,型钢混凝土梁承载力分析,斜压、弯剪承载力的计算：,在试验研究和国内外研究成果基础上进行了调整,型钢混凝土梁承载力分析,剪切粘结承载力的计算：,型钢混凝土梁承载力分析,总体计算公式：,剪压、弯剪破坏和剪切粘结破坏的比较：,型钢混凝土梁承载力分析,综合设计公式：,型钢混凝土梁承载力分析,截面限制条件：,型钢混凝土梁承载力分析,关于空腹式钢骨混凝土梁抗剪的简介,不同点：滑移不明显；不会产生剪切粘结破坏更接近于钢筋混凝土梁可按钢筋混凝土梁的计算公式计算,型钢混凝土梁承载力分析,钢骨混凝土梁其它问题简介,实腹式钢骨混凝土梁斜截面抗弯计算；钢骨混凝土梁的刚度计算；钢骨混凝土梁的裂缝计算；,型钢混凝土梁承载力分析,刚度计算,刚度组成,型钢混凝土梁承载力分析,1平均受压区高度的计算:在工程中常用、级钢筋和热轧型钢、低合金钢，可取忽略t的微小影响则有式中 为截面中钢筋和型钢的重心到截面混凝土受压区边缘的距离2裂缝截面受拉钢筋和型钢下翼缘应力的计算:无论中和轴位置如何，均可统一将钢筋与型钢下翼缘的拉应力计算简化为,型钢混凝土梁承载力分析,3折算刚心区宽度bc的计算:刚心区折算宽度其中 为型钢翼缘的宽度。时，取,b为梁截面的宽度。4型钢混凝土梁的刚度:型钢混凝土梁荷载短期效应作用下的刚度计算 按图4.44所示的三部分叠加,型钢混凝土梁承载力分析,混凝土部分的刚度按工字形截面计算:混凝土刚心区按弹性刚度计算:型钢的刚度由下式计算:,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁的裂缝计算 抗裂度验算 型钢混凝土梁的抗裂弯矩可表示为:裂缝宽度计算 平均裂缝宽度：型钢混凝土梁的最大裂缝宽度：,型钢混凝土梁承载力分析,型钢混凝土梁柱节点构造,钢筋混凝土梁型钢混凝土柱的连接,型钢混凝土梁型钢混凝土柱的连接,型钢梁型钢混凝土柱的连接,型钢混凝土梁钢筋混凝土柱的连接,型钢混凝土梁型钢柱的连接,型钢混凝土梁柱节点构造,钢筋混凝土梁型钢混凝土柱的连接,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢混凝土梁型钢混凝土柱的连接,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。对于窄粱，梁中型钢可在柱型钢内侧穿过，但施工比较复杂。在节点中柱型钢翼缘两侧之间，分别在梁型钢上、下翼缘水平处各设一道足够强的柱加劲肋，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。为了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,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢梁型钢混凝土柱的连接,对于型钢混凝土柱型钢梁的情况，钢梁在型钢混凝土柱的两侧断开，型钢混凝土柱内型钢与型钢梁的连接应采用刚性连接，且钢梁翼缘与柱内型钢翼缘应采用全熔透焊缝连接；梁腹板与柱宜采用摩擦型高强螺栓连接，悬臂梁段与柱应采用全焊缝连接,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢混凝土梁型钢混凝土柱的连接,连接型钢混凝土梁和钢筋混凝土柱的节点，一般梁中型钢可在节点中通过，梁筋也保持贯通，而柱筋则在梁型钢翼缘两侧及翼缘中通过,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢混凝土梁型钢柱的连接,对于型钢柱型钢混凝土梁的情况，柱中型钢可在节点中通过，梁型钢在柱两侧断开，但应与翼缘可靠地连接，其中包括梁翼缘和腹板与柱全为焊接、全为螺栓连接或二者都采用等措施。做法可参考型钢混凝土梁与型钢混凝土柱节点的连接。,型钢混凝土梁柱节点构造,一般构造要求,钢骨混凝土结构的配筋构造有其特殊之处，应给予特别的重视。在配筋构造设计中，应考虑以下几方面问题：钢骨与其他钢筋的相互关系及其配筋顺序；混凝土的浇筑密实性；结构的耐久性和耐火性；预期受力性能塑性区和非塑性区。钢骨混凝土梁、柱构件中，钢骨的含钢率不小于2%，也不宜大于15%，合理含钢率为58%。,型钢混凝土梁柱节点构造,dv,粗骨料粒径,=1.5,=10,d=12mm,=25mm=25mm=25mm，=1.5d=1.5 粗骨料粒径=30mm，=1.5d=1.5 粗骨料粒径=50mm一般取 100mm,dv,型钢混凝土梁柱节点构造,粗骨料粒径,梁纵筋贯通孔,=50m,=1.5 粗骨料粒径,=50mm，=1.5d间距=2.5dd=12mm梁纵筋=10 dvmm一般取 150mm,纵筋,d v,=25,=25mm,=1.5,型钢混凝土梁柱节点构造,hw,w,b b hwb hw hwb,tw,t,tftw,tw,钢骨板材宽厚比的限制值(柱),钢号,b/tf,hw/tw(梁),hw/tw,Q235Q345,2319,10791,9681,型钢混凝土梁柱节点构造,型钢混凝土的性能水平和抗震设防目标,性能水平 概念：结构的抗震性能水平是指建筑物在某一特定设防地震水准下预期达到的最大破坏程度，或容许的损坏极限状态。性能水平及宏观描述,抗震性能目标概念：结构的性能目标是指一定超越概率的地震发生时，结构期望达到的某种功能水平。我国 现行抗震规范采用小震不坏、中震可修、大震不倒的三水准设防目标，但在表 1 提出的 SRC 结构性能水平背景下，已有的三水准抗震设防目标需要更加细化。按照小中大三个地震作用 水平和“四档”性能水平。,SRC 结构抗震性能目标其中：为基本目标，指一般使用要求的建筑应具备的最基本性能目标；为重要目标，指重要性很高 或地震后危险性较大的性能目标；为非常重要目标，指对安全有十分危险影响的性能目标),