组合结构设计原理绪论ppt课件.ppt

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1、组合结构设计原理,1 概 论,随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产，我国已进入了大力发展钢结构建筑的新时期，由此便产生了钢混凝土组合结构。该种结构适应现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求在房屋建筑、桥梁、地下建筑、海洋工程、特殊容器等领域得到应用。,图 钢与混凝土组合梁,第一名：台北101大楼 被称为“台北新地标”的101大楼于 1998年1月动工，主体工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”。在世界高楼协会颁发的证书里，台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物 ” (508米)、“最高使用楼层” (43

2、8米)和“最高屋顶高度” (448米)。,台北101大楼高度达到508米，超过了马来西亚的双子星大楼。 除了高度外，台北101还拥有许多世界第一，最让人惊讶的是电梯的速度。4部直达电梯从1楼到89楼观景台只需39秒，时速高达60公里，比日本横滨大楼电梯每分钟750米的速度还快，堪称世界最快的电梯。此外，在施工过程中，大楼吊车的承载量是一般高楼吊车的510倍，也创下了世界纪录。 安全结构是台北101最骄傲的地方。美国世贸大楼被撞起火后20多分钟就轰然倒塌，但台北101因结构设计不同，即便发生火灾，8根巨大钢柱里灌入的1万磅防火混凝土及封闭式逃生设计，也可以支撑3个小时让高层民众安全脱险。,第四名

3、：上海金茂大厦第四名：上海金茂大厦 金茂大厦是具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向21世纪的标志性建筑之一，由美国SOM设计事务所主设计。1998年8月建成。占地236万平方米，建筑面积 28.95万平方米。高420.5米，88层。金茂大厦主楼152层为办公用房，5387层为五星级宾馆，88层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。其钢柱采用劲性混凝土柱。,第七名：信兴广场大厦第七名：信兴广场大厦 信兴广场地王大厦由68层的商业大楼、32层的商务公寓、5层的购物中心及2层地下停车场组成。楼高384米，

4、占地18734平方米，总建筑面积27万平方米，总投资40亿港币。结构内筒采用钢骨混凝土结构,在筒体关键部位加设型钢,外柱采用矩形钢管内压送混凝土的钢管组合柱。,深圳赛格广场深圳赛格广场 钢-砼组合结构的深圳赛格广场（72层），外柱采用了三向受压的高强砼钢管柱，建筑总高度做到了292.6m，也是我国钢管砼柱在超高层组合结构中的创新之举。,一、组合结构特点1、充分利用钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。日本阪神地震表明，组合结构破坏率最低。2、节省脚手架和模板，便于立体交叉施工，减小现场湿作业量，减轻扰民程度。3、造价低。若考

5、虑因自重减轻而带来的竖向构件截面尺寸减小、地震作用减小、基础造价降低、施工周期短等因素，组合结构比混凝土结构和钢结构造价都要低。,二、钢与混凝土组合梁,1、结构组成 钢与混凝土组合梁由钢梁、钢筋混凝土板以及两者之间的抗剪连接件组成。,2、工作机理 通过抗剪连接件将钢梁和混凝土翼板连成整体共同受力，其弯曲刚度比钢梁的刚度一般要提高1倍以上，同时抗弯承载力也有明显提高。抗剪连接件能够传递钢梁与混凝土翼板交界面的剪力，抵抗钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移和防止掀起，以保证钢梁与混凝土翼板整体受力。3、特点1）节约钢材，混凝土替代部分钢材工作。一般情况下，钢-混凝土简支组合梁的高跨比可以做到1/16-1

6、/20，连续组合梁可以做到1/25-1/35。同钢筋混凝土梁相比，组合梁可以使结构高度降低1/3-1/4，自重减轻40%-60%，施工周期缩短1/2-1/3。同钢梁相比，组合梁可以使结构高度降低1/3-1/4，刚度增大1/3-1/4。【例见155页珠海清华大学科技园连体结构，161页北京人行天桥。】,2）刚度好，混凝土板与钢梁共同工作，抗弯模量增大，挠度减小。3）延性好，抗震性能强。4）抗冲击，抗疲劳性能好，用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力。5）稳定性好，由于组合梁上翼缘侧向刚度大，整体稳定性好；钢梁的受压翼缘受到混凝土板的约束，其翼缘与腹板的局部稳定性有较大改善。,

7、4、分类1）按截面形式： 外包混凝土组合梁和T形组合梁（无托座和有托座，但托座部分施工和构造较为复杂，无托座梁应用较多）。 2）T形梁按翼板构造：现浇混凝土翼板组合梁整体性好，但需要现场支模，湿作业工作量大，施工速度慢。预制混凝土翼板组合梁在预留槽口处浇筑混凝土，减小现场湿作业工作量，施工速度快，但要求加工精度高，槽口处需附加构造钢筋。未大规模推广。叠合板翼板组合梁预制板施工阶段作为模板，使用阶段作为楼面板或桥面板的一部分参与板和梁的受力。压型钢板混凝土组合梁压型钢板施工阶段代替模板，使用阶段可代替混凝土板中下部受力钢筋。,3）按钢梁截面：工字型：三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成； 将大型工字

8、钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板；将工字钢沿腹板纵向割开然后将不同大小的半工字钢对焊而成； 蜂窝梁。 箱形：开口箱形 节省钢材，但在施工阶段抗扭刚度较小 闭口箱形 施工阶段整体性好，抗扭刚度大，用钢量略大钢桁架组合梁：适用于较大跨度时，施工阶段刚度大，可以分段运输和现场拼装。4）按是否施加预应力： 分为在钢梁内施加预应力，在混凝土翼板中施加预应力，正负弯矩区都施加预应力。,5、应用,1）多层工业厂房 1988年开始建设的国家重点建设项目太原第一热电厂五期工程，由山西省电力勘测设计院设计。,图 太原第一热电厂组合梁截面,2）高层建筑 北京国际技术培训中心的两幢18层塔楼，楼盖结构采用冷弯薄壁

9、型钢-混凝土简支组合梁。,图 冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁截面,很多高层建筑都用到了组合梁。最通用的方法是将钢梁延伸到剪力墙中的钢柱上。,图 剪力墙中组合梁布置,3）桥梁建筑,表 国外采用组合梁的各型桥梁,表 国内设计的采用组合梁的各型桥梁,三、压型钢板与混凝土组合板1、结构组成 在压成各种形式的凹凸肋与各种形式的槽纹的钢板上浇注混凝土而制成的组合板。,图 常见国内外压型钢板形式规格,2、特点1）压型钢板承受板底拉力，并与混凝土共同承受板底剪力，除了在适当部位设置钢筋减轻混凝土收缩和温度变化的影响外，不必另设钢筋。2）作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，降低层高。3）压型钢板作为永久性模板，不必安装

10、、拆模，方便施工。4）压型钢板具有相当的 承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度时就可以进行上层混凝土浇筑，加快施工进度 。3、应用 压型钢板与混凝土组合楼板开始仅作为楼板的永久性模板。我国自二十世纪八十年代以来逐步推广，主要在北京长富宫中心、京城大厦、香格里拉饭店，上海的锦江饭店、静安饭店，深圳的发展中心大厦、深圳大学，沈阳沈海热电厂的平台等得到应用。,四、钢管混凝土结构1、结构组成 钢管砼是在劲性钢筋混凝土螺旋配筋混凝土结构的基础上演变和发展起来的。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而构成的构件，按截面形式的不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。,2、工作机理,钢管处

11、于纵向受压环向受拉的双向受力状态，混凝土处于三相受压状态。,3、特点1）充分发挥了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。2）钢管本身就是模板，简化施工。3）延性好，因为外壳是延性很高的钢材，内部约束的混凝土比单向受压的延性要好。4）经济效果好：与普通钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材50%；与普通混凝土结构相比，在保持用钢量相近和承载能力相同的条件下，构件横截面面积可减小约50%。5）缺点：圆形截面的柱与矩形截面的梁连接复杂；且钢管外露，防锈、防腐蚀和耐火性能较差。4、应用 钢管砼目前已被广泛应用于桥梁、单层和多层工业厂 房柱、设备构架柱、地铁

12、站台柱、各种支架柱、送变电 杆塔、桁架主要压杆、高层建筑和拱架等结构形式中。,重庆菜园坝长江大桥效果图1,重庆菜园坝长江大桥效果图2,2007年 6月完工，是目前世界上跨度最大的中承式钢箱系杆拱桥，大桥主孔跨度为420米，最大荷载450吨。 该桥结构形式采用中承式无推力钢管混凝土系杆拱桥，是集钢管拱、钢箱梁、钢桁梁各种新型桥梁结构形式和科技成果于一身的现代化桥梁，这种结构形式不仅在我国绝无仅有，而且在世界桥梁中也具有独特的地位。创造了 3个世界第一： 钢箱拱梁跨距420米世界最大 世界第一座公路轻轨两用城市大桥 世界第一座采用缆索吊机安装的大桥 该桥共有29节钢箱梁，一节钢箱梁最重92吨，最长

13、19.9米。中铁大桥局负责人称，为了破解跨距达420米主拱的钢箱梁吊装难题，他们自行研制出高202米的缆索吊机，几乎有70层楼高，使用卫星定位高空吊装零误差 。06年11月28日，缆索吊机通过了专家组的认证，“这是国内一重大科研成果”。缆索吊机高202米、跨距420米、吊重420吨，创下了塔吊最高、跨距最大、吊重最大的3个国内第一。 06年12月主拱合龙后，桥面钢梁架设也将开始。07年3月轻轨铺设完成，6月份桥面铺设完成。“大桥部分桥面是钢梁架桥面。”中铁大桥局负责人说，这部分一共长800米，重2万多吨。钢梁架较轻，重量仅为水泥桥面的三分之一左右，为大桥减重约4万吨。,建设中的重庆菜园坝长江大

14、桥,重庆菜园坝长江大桥钢箱拱,曾经国内跨度最大的钢管混凝土拱桥-丫髻沙大桥,深圳芙蓉大桥-三跨连续钢管砼系杆拱桥,砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程,拱脚混凝土的预留槽,钢管节段浮运,砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程,下游合拢,砼拱桥拱肋悬臂吊装的施工过程,五、劲性钢筋混凝土结构,1、结构组成 劲性钢筋混凝土构件是在砼中主要配置型钢也配有构造钢筋及少量受力钢筋的构件。配钢的形式可分为实腹式型钢和空腹式两大类。,劲性钢筋混凝土梁柱节点：,1）配角钢骨架的梁柱节点；2）梁柱中均为配实腹工字钢（或H型钢）的梁柱节点；3）连接钢筋砼柱与劲性钢筋砼梁的节点，且梁中配置的 为实腹工字钢（或H型钢); 4)连接劲性钢

15、筋砼柱与钢筋砼梁的节点,2、特点：1）承载力普遍较高，自重轻。2）刚度变大，抗变形能力强。3）耐疲劳，抗冲击性能好，抗震性好。4）防火性耐久性明显强于钢材。,3、应用 日本是强地震多发国家，1905年便建造了第一个采用型钢混凝土的结构。1921年建成的兴业银行采用该结构，总面积1500mm2，高度30m，在1923年东京大地震中几乎完整无损。,北京香格里拉饭店,钢骨混凝土柱现场外景,施工中的某钢骨混凝土柱,钢骨混凝土梁柱连接节点,某钢骨,牛腿及加劲肋,六、外包钢混凝土 外包钢混凝土结构是一种新型结构，构造特点是外包角钢代替构件内配钢筋，布设在构件截面的四角，即沿构件通长方向设置角钢，角钢之间由

16、箍筋焊接形成骨架。此结构具有构造简单、连接方便、使用灵活、抗震性能较好等优点。 我国已在石油、电力、冶金、轻工、军工等部门采用。特别是旧厂房的加固改造。,1）抗震性能：形成约束混凝土。,特点：,2）耐火性能：全外包钢混凝土 梁的耐火时间比钢梁提高一 倍左右。,七、其他结构 钢纤维混凝土 玻璃纤维混凝土,八、组合结构的发展史国际：1879年 英国的Severn在铁路桥的钢管桥墩中充填混凝土，形成钢管混凝土结构英、美等国在钢梁与钢柱外围包上了混凝土形成组合梁、柱，用以防火。20世纪初，佚名人士在方钢管中注入混凝土。1928年 日本开始对SRC结构进行研究（即1923年日本关东大地震后）1965年

17、英国制定CP117第一部分钢-混凝土组合结构-房屋建筑1967年 英国制定CP117第二部分钢-混凝土组合结构-桥梁1967年 日本制定钢管混凝土构件设计规范1984年 欧洲规范（EUROCODE-4）草案在英国完成，是目前国际上比较完整的组合结构规范。,国内：50年代 我国开始在桥梁工程中采用组合结构1986年 交通部制定公路桥涵设计规范对组合梁的计算方法及构造做出规定。1988年 钢结构设计规范（GBJ17-88）对组合梁做出规定。,现行标准规范：钢结构设计规范 GB50017-2003冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50018-2002高层建筑钢结构技术规程 JGJ99-98钢管混凝土结构

18、技术规程 CECS28:90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 YB9082-97钢结构加固技术规范 CECS77:96,2 钢与混凝土的力学性能 2.1混 凝 土一、混凝土的强度等级1、立方体抗压强度,标准试件：边长150mm的立方体混凝土试块；标准养护条件：20C3C、相对湿度不小于90%、养 护28d;标准试验方法：试块表面不涂润滑剂、全截面均匀受压、加荷速度0.3-0.5N/mm2s。混凝土强度等级按照用上述方法测得的具有95%保证率的抗压强度（单位：N/mm2）确定，用符号“C”表示。我国混凝土结构设计规范GB50010-2002规定的混凝土强度

19、等级有：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80 14个。,国内工程中采用边长为100mm的混凝土立方体试块：,2、常用混凝土等级 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20; 当采用HRB400或RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。 组合结构常用的混凝土等级为C20C60。,二、混凝土轴心抗压强度,混凝土结构

20、设计规范（GB50010-2002）的混凝土轴心抗压强度标准值和设计值分别按下式计算：,棱柱体强度与立方体强度之比，对普通混凝土为0.76，对高强混凝土大于0.76,规范对C50及以下为,C80为,中间按线性规律变化。,-混凝土脆性折减系数，,规范对C40取为,C80为,中间按线性规律变化。,三、混凝土抗拉强度 可通过轴心受拉试验、劈裂试验和抗折试验确定混凝土抗拉强度。 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）的混凝土轴心抗拉强度标准值和设计值分别按下式计算：,四、复杂应力状态 双轴受力试件的试验结果表明： 1、双向受压时，混凝土一个方向的抗压强度随着另一个方向压力的增加而增大，最大应力

21、大约为单轴抗压强度的1.22-1.27倍。 2、一向受拉一向受压时，受压方向的抗压强度随着另一个方向拉应力的增加而降低，受拉方向的抗压强度随着另一个方向压应力的增加而降低。 3、双向受拉时，抗拉强度基本上不受另一方向影响，和单向抗拉强度基本相同。 当混凝土处于双向或三向受压时，由于制约了混凝土的横向变形，形成约束混凝土，使其强度有较大的增长。如钢管混凝土结构就是利用混凝土的这种受力特征。,五、应力应变关系,极限压应变,达到混凝土轴心抗压强度设计值时的应变,2、剪切模量 Gc=0.4Ec 泊松比,线膨胀系数,质量密度,六、物理性能指标1、弹性模量Ec,2.2 钢 材一、钢材1、化学成分碳素结构钢

22、纯铁（Fe占99%）、碳（C）等元素及少量杂质元素组成低合金结构钢在碳素结构钢中加入少量合金元素（锰、硅、钒等），以提高强度，而不明显减低塑性和韧性。热处理优质钢钢材经过调制处理以提高强度而不显著降低塑性和韧性。2、衡量指标单向拉伸试验（屈服强度、抗拉强度、伸长率）、冷弯试验（弯曲变形能力和塑性性能的综合体现 ）、冲击韧性试验（强度和塑性的综合指标）取屈服强度作为钢材强度的标准值。,3、选用钢材牌号 Q235级以上碳素结构钢、Q345和Q390级以上的低合金高强度结构钢。4、物理性能指标弹性模量E：2.06X105N/mm2 剪变模量G：79X103 N/mm2线膨胀系数：12X10-6/C

23、质量密度：7850kg/m3,二、钢筋1、软钢和硬钢软钢有物理屈服点的钢筋，如热轧钢筋，可用于组合梁、柱等构件的构造钢筋，或者与钢材及混凝泥土组合在一起共同受力。应力应变关系可取理想弹塑性模型。硬钢没有物理屈服点的钢筋，采用残余应变0.002时的应力,为名义屈服点。如钢丝、钢绞线和热处理钢筋，钢绞线可用于预应力组合结构。,2、通常采用热轧钢筋级(Q235):HPB235 级：HRB335级：HRB400、RRB400普通钢筋宜采用HRB400和HRB335，也可用HPB235和RRB400。预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可用热处理钢筋,2.3连接材料一、焊接连接二、螺栓连接,3 基本设

24、计原则及一般规定安全性、适用性、耐久性一、概率极限状态设计法 荷载效应S结构抗力R 设结构状态方程： 当 时，结构可靠； 当 时，结构失效； 当 时，结构或构件承载能力处于极限状态。,1、承载能力极限状态 承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度塑性变形。 强度、稳定性设计采用的极限状态设计表达式： 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则：,正常使用极限状态考虑荷载效应的标准组合：荷载效应的频遇组合：荷载效应的准永久组合：,-可变荷载的频遇值系数,-可变荷载的准永久值系数,二、变

25、形限值1、受弯构件容许挠度见表。2、多层框架风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/500，层间相对位移与层高之比不宜大于1/400。对室内装修要求较高的民用多层框架结构，该值可适当减小。三、混凝土裂缝宽度限值 室内构件一般为0.3mm。重要构件（如屋架、托架等）、露天或室内高温环境的构件为0.2mm。,组合梁的试验研究20世纪80年代之前我国未考虑钢混凝土组合梁的组合效应仅将其作为强度储备以提高安全度，我国规范中也未涉及组合梁。郑州工学院从1986年开始通过推出试验对栓钉抗剪连接件进行了系统研究。1984年哈尔滨建筑工程学院对采用弯筋抗剪连接件的组合梁进行了试验研究和理论分析。钢结

26、构设计规范（GB50017-2003）采用了考虑滑移效应的折减刚度法。清华大学实验研究表明，采用部分抗剪连接组合梁可以取得较好的综合效益。郑州工学院等对混凝土叠合板组合梁进行研究。清华大学对高强混凝土组合梁、复合受力状态下组合梁性能进行研究。,组合梁受弯破坏 弯曲破坏 弯剪破坏 纵向剪切破坏组合梁滑移效应 抗剪连接件在传递剪力时，本身要变形，根部混凝土在较高压应力下也会发生变形，钢梁与混凝土之间就会产生相对位移，即相对滑移。滑移的存在使得钢梁与混凝土的变形均增大，应力也随之增大，从而使得组合梁的弹性受弯承载力要小于不考虑滑移效应时的计算值。反之，若没有滑移，组合梁钢梁与混凝土板之间的剪力将与界

27、面纵向剪力成正比，即梁端交界面剪力很大跨中很小，滑移使交界面剪力重分布，抗剪连接件可以均匀布置。抗剪连接程度 不完全抗剪连接抗剪连接程度系数大于0.5，可减少连接件用量，方便混凝土板布筋，方便施工降低造价。,4 组合梁的分析方法与规定一、基本原理1、非组合梁工作原理梁、板分开计算，接触面间产生相对滑移，受弯承载力为钢梁和混凝土板各自受弯承载力之和（M=Ms+Mc）。因为混凝土板自身刚度较小，自身抗弯承载力和钢梁的受弯承载力相比可以忽略不计，认为全部荷载均由钢梁承担。2、组合梁工作原理 通过抗剪件连接，抵抗两种材料之间的相对滑移，在弯矩作用下的截面应变接近平截面假定，二者形成具有公共中和轴的组合

28、截面。,二、截面分析方法1、承载能力极限状态 弹性理论分析方法：直接承受动力荷载的组合梁，或不满足钢规中板件宽厚比的要求。,塑性理论设计方法：承受静力荷载和间接承受动力荷载，板件宽厚比不太大。 SR2、正常使用极限状态 均按弹性理论分析，包括验算变形（挠度验算、钢梁与混凝土板相对滑移验算）和连续组合梁负弯矩区混凝土翼板的裂缝宽度等。,三、施工方法对受力性能的影响1、浇混凝土板时，梁下不设临时支撑。 计算时分两个阶段 施工阶段：混凝土板强度达到75%设计强度之前，钢梁自重、混凝土板的自重和施工活荷载由钢梁单独承受。此时钢梁挠度不宜超过25mm，以免因梁下凹过大而增加混凝土用量和自重。 使用阶段：

29、用弹性方法分析时，使用荷载和第二阶段增加的恒载由组合截面承受，由此引起的挠度和应力分别进行计算，并与第一阶段的挠度和应力叠加。 用塑性理论分析时，全部荷载均由组合截面承受，与施工过程无关；但正常使用状态的验算仍需要考虑施工过程。,2、浇混凝土板时，梁下设临时支撑。施工阶段：临时支撑为钢梁提供支撑点。使用阶段：全部荷载由组合截面承受。临时支撑的数量根据组合梁跨度的大小确定。3、当组合梁跨度较大且施工过程中钢梁下仅有1-2个临时支撑时，也应按两阶段考虑。使用阶段还需考虑拆除临时支撑引起的组合梁内力和变形。,，不少于2个。,，可设置1-2个；,六、截面尺寸要求1、组合梁高度钢梁截面高度,1/2.5组

30、合梁截面高度（h2.5hs）,简支组合梁高跨比为1/15-1/20，连续组合梁高跨比为1/20-1/25。,有局部压应力时按构造配置横向加劲肋；无局部压应力梁，可不配置。,，配置横向加劲肋，并计算横向加劲肋的间距或腹板局部稳定性。,配置横向加劲肋和在受压区配置纵向加劲肋，局部压应力很大的梁，在受压区配置短加劲肋。2）整体稳定性仅施工阶段考虑,2、稳定性1）局部稳定性按塑性方法计算：见50页表5-1板件宽厚比按弹性方法计算：依照钢结构设计规范翼缘：腹板：,3、混凝土翼板尺寸厚度通常采用100mm 120mm 140mm 160mm荷载特别大的结构 180mm 200mm 300mm混凝土板托高度

31、不宜超过翼板厚度的1.5倍（hc21.5hc1）混凝土板托的顶面宽度不宜小于高度的1.5倍（bc21.5hc2）压型钢板凸肋顶面至混凝土板顶面距离 50mm（hc150mm）有板托时，翼板伸出长度不应小于板托高度（伸出长度hc2）无板托时，翼板伸出钢梁中心线不小于150mm，伸出钢梁边缘线不小于50mm。,七、混凝土翼板有效宽度1、影响有效宽度的因素 梁跨与翼板宽度之比：比值越大，翼板有效宽度越大 荷载类型： 集中荷载荷载作用点处有效宽度最小，然后向两边 增大，在支座处再次减小 均布荷载跨中最大，支座最小 沿梁长度的位置：连续组合梁支座处混凝土翼板承受 拉力，有效宽度较小,2、计算准则,Min

32、,4 组合梁截面的弹性分析 4.1 概 述,一、设计方法采用以应力表达的极限状态方程,钢 梁：,混凝土：,纵向受拉钢筋：,二、基本假定1、材料均为理想弹性体。2、钢梁与混凝土板之间滑移很小，可忽略不计，平截面在弯曲之后仍保持平面。3、正弯矩作用下，计算混凝土面积时不扣除其中受拉开裂部分；板托面积忽略不计；对压型钢板组合梁，压型钢板肋内的混凝土面积也忽略不计。4、正弯矩作用下，不考虑混凝土板中钢筋作用。,4.2 组合梁正应力分析一、换算截面,1、换算宽度 根据应变相同且总内力不变的原则，将混凝土板有效宽度,折算成与钢材等效的换算截面宽度。,短期荷载作用下,长期荷载作用下,2、换算截面惯性矩,其中

33、,钢梁和混凝土翼板的惯性矩,钢梁形心到混凝土翼板形心的距离,3、换算截面中和轴位置,钢梁和混凝土翼板形心到钢梁底面的距离,二、不考虑滑移效应的截面弯曲应力计算,1、设有临时支撑可以仅考虑一个阶段受力 永久荷载不是很大，无需考虑混凝土徐变,钢 梁,混凝土,若考虑长期荷载作用时混凝土徐变影响,y所求应力点到换算截面中和 轴的距离，在中和轴下时为正,混凝土,钢 梁,永久荷载（含可变荷载中的准永久值部分）对组合梁产生的设计弯矩,扣除准永久荷载后的可变荷载对组合梁产生的设计弯矩,2、未设有临时支撑考虑两个阶段受力 不考虑混凝土徐变,钢 梁,混凝土,三、考虑滑移效应的截面弯曲应力计算 截面法向应力,4.3

34、 组合梁竖向剪应力分析按弹性方法设计采用以应力表达的极限状态方程 钢 梁：,混凝土：,一、剪应力分析1、 梁下设有支撑按一个阶段受力设计 若永久荷载不大，不考虑长期荷载作用:,钢 材:,S剪应力计算点以上的换算截面对总换算截面 中和轴的面积矩,混凝土:,验算点处混凝土翼板的换算宽度,若考虑长期荷载作用下混凝土徐变 钢 材:,混凝土:,注：进行竖向受剪承载力计算时，应分别取钢梁和混凝土最大剪应力点的剪应力进行验算。 当换算截面中和轴位于钢梁腹板内时，钢梁剪应力计算点取换算截面中和轴处，混凝土剪应力计算点取混凝土部件和钢梁上翼缘交接处；,当换算截面中和轴位于混凝土板内时，钢梁剪应力计算点取钢梁腹板

35、计算高度的上边缘处，混凝土部件剪应力计算点取换算截面中和轴处。,2 梁下不设临时支撑按两个阶段受力设计 钢 梁,混凝土,施工阶段剪应力计算点以上的换算截面对钢梁截面 中和轴的面积矩,-施工阶段的永久荷载对组合梁产生的设计剪力,-使用阶段永久和可变荷载之和对组合梁产生的设计剪力,如果各阶段剪应力计算点位置不同，则以产生剪应力较大阶段的计算点作为两阶段公用的计算点，在该点上对两阶段剪应力进行叠加。,二、复杂应力强度计算 如钢梁在同一部位处弯曲应力和剪切应力都较大时， 应验算折算应力：,例题：61页6-1,5 组合梁截面的塑性分析5.1 概 述,不直接承受动力荷载的组合梁可以按照塑性设计方法计算承载

36、力,但挠度仍应按弹性方法计算。塑性设计方法不需要区分荷载的作用阶段和性质，但是对施工时不设临时支撑的情况，需要对施工过程中钢梁的承载力、变形和稳定性按弹性方法计算。 简支组合梁中钢梁受压翼缘受到混凝土板的约束不会发生局部屈曲和侧扭屈曲。弯曲破坏时，完全抗剪连接时的塑性中和轴通常都位于混凝土翼板或钢梁上翼缘内，钢梁腹板一般不会受压。即使采用部分抗剪连接，钢梁腹板受压区的高度也比较小。局部失稳现象不会发生。,如果塑性中和轴位于钢梁腹板内时，若要进行塑性设计时，需要对钢梁板件的宽厚比进行限制，以满足局部稳定要求：,翼缘板：,腹 板：,钢梁毛截面面积,5.2 组合梁受弯承载力计算 按塑性方法设计采用以

37、荷载效应和结构抗力表达的极限状态方程：,一、完全抗剪连接1、基本假定1）钢梁与混凝土板之间有可靠连接，抗剪件能够有效传递 钢梁和混凝土翼板之间的剪力，以保证组合截面抗弯能 力的充分发挥。2）钢梁和混凝土之间没有滑移。3）钢梁与混凝土板受弯时截面应变符合平截面假定。4）受压区混凝土应力达到抗压强度5) 正弯矩作用下，不考虑混凝土板中纵向钢筋作用。6）有混凝土板托的组合梁，不考虑板托作用。,，不考虑受拉区混凝土。,2、受弯承载力计算混凝土板最大抗压能力,钢梁全截面受拉或受压时的塑性轴向力,1）组合截面塑性中和轴位于混凝土板中：,根据,根据,钢梁截面应力合力点到混凝土受压区截面应力 合力间的距离。,

38、2)组合截面塑性中和轴位于钢梁中：,根据,根据,钢梁受压区截面面积,钢梁受拉区截面应力合力点到混凝土翼板截面应力 合力间的距离,钢梁受拉区截面应力合力点到钢梁受压区截面应力 合力间的距离,二、部分抗剪连接1、基本假定1）抗剪连接件具有充分的塑性变形能力；2）计算截面应力呈矩形分布，混凝土翼板中的压应力达到其 抗压强度 ，钢梁的拉、压应力分别达到强度设计值 ；,3）混凝土翼板中的压力等于抗剪连接件所传递的纵向剪力之和；4）不考虑混凝土抗拉作用。2、分析方法,5.3 组合梁受剪承载力计算规范规定只考虑钢梁竖向受剪承载力：,若考虑混凝土翼板的贡献作用：,例题：73页7-1,6 抗剪连接件设计 6.1

39、 抗剪连接件的形式抗剪连接件作用： -抵抗砼板与钢梁叠合面上的纵向剪力，使二者不能自由滑移； -抵抗使砼板与钢梁具有分离趋势的“掀起力” 。一、剪力连接临界截面 -弯矩和竖向剪力最大处 -所有的支点及零弯矩截面 -很大的集中荷载作用下的截面 -组和梁截面突变处 -悬臂梁自由端 -需要做附加验算的其他截面,二、剪力连接件形式和特征,剪切连接件的形式：分为柔性连接件（带头栓钉、斜钢筋、环形钢筋、带直角弯钩的短钢筋、摩擦性高强螺栓和角钢）和刚性连接件（方钢连接件、 T形连接件、形连接件和马蹄形连接件)。,刚性连接件易于在其周围混凝土中引起较高的应力集中，结果导致混凝土被压碎或发生剪切破坏，甚至引起焊

40、接破坏。 柔性连接件刚度小，作用在接触面上的剪切力会使连接件变形，当混凝土板和钢梁之间产生一定滑移时，抗剪强度不会降低。利用该点性质可以使组合梁内的剪力发生重分布，减少抗剪连接件的使用数量，使抗剪连接件分段均匀布置。 弯筋连接件使用较早，制作和施工都较简单。因为只能利用弯筋的抗拉强度抵抗剪力，故在剪力方向不明确或剪力方向可能发生改变时，作用效果较差。,槽钢连接件抗剪能力强，重分布剪力的性能好，翼缘同时可起到抵抗掀起的作用。但现场焊接工作量大，施工进度慢。 栓钉连接件制造工艺简单，不需要大型轧制设备，适合工业化生产，便于现场焊接，目前应用最为广泛。 连接件的设置方向与受力方向有关： 连接件尖劈部

41、分不易迎向压力方向，以免混凝土劈裂。 有利于抵抗掀起。 铆和环钩的倾斜方向应顺受力方向。,6.2 抗剪连接件的设计承载力一、试验方法 推出试验和梁式试验,二、实体板中栓钉连接件受剪承载力,此式要求, 栓钉钉杆截面面积,Ec 混凝土弹性模量fc 混凝土轴心抗压强度设计值f 栓钉抗拉强度,强屈比,二、带压型钢板的栓钉承载力,1、压型钢板肋平行于钢梁时,且,-折减系数,-压型钢板肋平均计算宽度，当肋的上部宽度小于下部宽度时，改取上部宽度,-混凝土凸肋高度和栓钉高度,2、压型钢板肋垂直于钢梁时,且,-一个肋中栓钉数，多于3个时按3个计算,-压型钢板肋计算宽度，要求,-压型钢板肋高，,三、槽钢连接件的受

42、剪承载力,-槽钢长度,四、实心板中弯筋连接件受剪承载力,弯起抗剪连接件只能利用其抗拉强度抵抗剪力，故在剪力方向不明确或剪力方向可能发生变化时，应将弯筋做成双向弯起形状。,五、负弯矩区剪力连接件受剪承载力 位于梁负弯矩区的栓钉，周围混凝土对其约束的程度不如 受压区，栓钉受剪承载力设计值应予折减： 1、位于连续梁中间支座上负弯矩段时：取折减系数0.9 2、位于悬臂梁负弯矩段时：取折减系数0.8,6.3 抗剪连接件的弹性设计法一、设计假定 同受弯梁弹性计算基本假定,二、交界面纵向剪力 荷载作用下，钢梁与混凝土翼板交界面上的剪应力有两部分组成：永久荷载和可变荷载中的准永久荷载产生的剪应力，需要考虑荷载

43、长期效应；另一部分是可变荷载准永久值以外的部分产生的剪应力，不考虑荷载长期作用。 交界面上的剪应力为：,按上式得到的,将剪力图分成若干小块，每小块的面积即为该段总剪力值，再除以单个抗剪件的抗剪承载力设计值即可得到该块剪力图所需的抗剪连接件数量。,即为梁单位长度上的剪力。,对于承受均布荷载的简支梁，半跨内所需抗剪件数目为：,三、剪力连接件沿组合梁纵向布置 实际应用中，将梁的剪力区划分为若干个区段，各区段连接件间距均匀相等，连接件数目,按图确定。对于采用刚性连接件的组合梁，每次连接件的剪小使纵向抗剪能力下降不应超过10%，柔性连接允许下降25%，但第一区段长度不宜小于1/10梁跨。,6.4 抗剪连

44、接件的塑性设计法 采用柔性连接时，连接件在极限状态时会发生较大滑移，各连接件间发生内力重分配。达到极限状态时，交界面各连接件受力几乎相等，与其位置无关，故可按塑性方法设计，分段均匀布置抗剪连接件。,1、以弯矩绝对值最大点和零弯矩点为界限，划分为若干剪跨区段。,2、确定各剪跨区段内交界面纵向剪力。正弯矩区段：,负弯矩区段：,3、确定每剪跨内剪力连接件布置完全抗剪连接：,部分抗剪连接：,4、在各剪跨内沿纵向均匀布置。5、集中力作用时栓钉连接件的布置 剪跨区内有较大集中力作用时，可将n个栓钉连接件按 各部分剪力区段的剪力图面积分配，然后各自均匀分布于剪力区段。,例题：87页8-1 6.5 抗剪连接件

45、的构造要求,8 组合梁纵向抗剪设计8.1 组合梁纵向破坏机理及破坏面,组合梁混凝土翼板受到抗剪连接件所传递的剪力作用，可能发生沿翼板中线纵向劈裂的现象。如果没有横向钢筋控制裂缝发展，或横向钢筋布置不当，会导致组合梁延性和极限承载力下降。因此，对于组合梁叠合面纵向剪力的传递，除了要验算栓钉的承载能力，还要验算混凝土板的纵向受剪承载力。,一、应力分布 纵向应力：靠近连接件附近存在不均匀压应力，随着距连接件距离增大，压应力逐渐均匀。 横向应力：连接件附近为压应力，距连接件一定距离后为拉应力，拉应力峰值较大，作用范围也较大，产生将混凝土翼板沿纵向劈裂的趋势。,二、影响因素 混凝土强度、横向配筋率、横向

46、钢筋位置、横向负弯矩、翼板厚度、连接件种类及排列方式、数量、间距、加载方式等。 横向钢筋位置：同样数量的横向钢筋分上下双层布置比单层布置有利。 连接件种类：承压面较大的槽钢连接件有利于控制混凝土翼板纵向开裂。 排列方式：数量相同的条件下避免栓钉连接件沿梁长方向的单列布置。 加载方式：集中荷载易使开裂。三、剪切破坏面 纵向竖界面：a-a e-e 包络连接件纵向界面：b-b c-c d-d,8.2纵向剪切面抗剪设计强度一、欧洲规范,进行极限状态验算要求单位长度纵向剪力设计值,单位长度混凝土斜压杆的抗剪承载力,或界面混凝土与横向钢筋的抗剪承载力,当混凝土斜压杆发生破坏时，纵向界面单位长度上的抗剪承载

47、力计算公式为：,单位长度混凝土纵向剪切面积，对于板肋垂直于 钢梁的压型钢板组合梁，不考虑板肋内混凝土,混凝土品种调整系数,混凝土圆柱体抗压强度设计值,压型钢板板肋垂直钢梁时，单位长度压型钢板截面积,压型钢板的屈服强度设计值,当纵向抗剪承载力由裂缝间混凝土骨料的咬合力、横向钢筋的销栓力和压型钢板的抗剪能力控制时，纵向界面单位长度上的抗剪承载力计算公式为：,混凝土抗剪强度设计值,单位长度横向钢筋截面积,单位长度纵向剪切面面积，对于板肋垂直于钢梁的 压型钢板组合梁，考虑板肋内混凝土,二、国内规范 钢混凝土组合结构设计规程（DL/T5085-1999）规定：,纵向界面长度，按a-a、b-b、c-c连线

48、在抗剪连接件 以外的最短长度取值,单位长度界面上横向钢筋的截面面积,a-a,b-b,c-c,8.3 混凝土翼板及板托的纵向抗剪验算 钢混凝土组合结构设计规程（DL/T5085-1999）规定：对任意截面，要求单位长度上纵向剪力的设计值单位长度截面抗剪强度，即：,一、 的取值需考虑的验算截面 纵向竖界面：a-a e-e 包络连接件纵向界面：b-b c-c d-d,二、计算方法1、按实际受力状态计算纵向设计剪力 1）纵向竖界面a-a 弹性方法：,塑性方法：,剪跨长度上总的竖向剪力，由塑性方法确定： 塑性中和轴位于翼板中时，,塑性中和轴位于钢梁内时，,剪跨，为最大弯矩截面至零弯矩截面之间的距离。,2

49、）包络界面b-b c-c 弹性方法：,塑性方法：,2、简化计算方法,1）纵向竖界面a-a,或,2）包络界面b-b c-c,3、横向钢筋最小配筋率,例题96页9-1,8.4 板托构造1、板托边缘局抗剪连接件外侧的距离不得小于40mm，板托外形轮廓应在自抗剪连接件根部算起的45仰角线之外。2、板托中邻近钢梁上翼缘的部分混凝土受到抗剪连接件的局部压力作用，易产生劈裂，故需要配筋加强，板托中横向钢筋的下部水平段应设置在距钢梁上翼缘50 mm范围以内。3、为保证抗剪件可靠工作，抗剪件抗掀起端底面高出横向钢筋下部水平段距离不得小于30mm。横向钢筋间距应不大于4且不应大于600mm。 对于没有板托的组合梁

50、，翼板中钢筋满足后两项要求。,9 组合梁挠度和裂缝宽度验算 正常使用极限状态验算：采用弹性分析方法，荷载标准值 挠 度： 裂缝宽度：,一、组合梁变形计算 1、计算原则1）确定组合梁截面刚度时，不考虑混凝土翼板的板托2）组合梁施工时，若钢梁下未设置临时支撑，混凝土结硬前材料自重和施工荷载产生的挠度，应与使用阶段续加的荷载产生的挠度相叠加。,2、截面刚度1）荷载标准效应组合（考虑滑移效应）的截面抗弯刚度,抗剪连接件平均间距,抗剪连接件在一根梁上的列数,混凝土翼板截面积、惯性矩,钢梁截面形心到混凝土翼板截面形心的距离,抗剪连接件刚度系数，,2）荷载准永久效应组合（考虑滑移效应）的截面抗弯刚度,3）以