钢与混凝土组合结构.doc

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1、钢与混凝土组合结构专业：结构工程绪 论由两种不同性质的材料组合成整体共同工作的构件成为组合构件。由组合构件可组成组合结构。由于两种不同性质的材料扬长避短，各自发挥其特长，因此具有一系列的优点。目前研究比较成熟与应用较多的主要是下列的钢与混凝土组合结构：压型钢板与混凝土组合板，.组合梁，型钢混凝土结构，钢管混凝土结构，外包钢混凝土组合结构及钢纤维混凝土等等。第1章 剪切连接1.1 概述钢与混凝土组合结构，只有将两种不同材料组合成一体才能显示其优越性。这种组合作用，主要是依靠两种不同材料之间的可靠连接。连接必须能有效传递混凝土与钢材之间的剪力，同时能有效抵抗两者分离的“掀起力”，才能使混凝土与钢材

2、组合整体，共同工作。（1）无剪切连接的情况：两根材料、截面、刚度完全相同的矩形截面的梁，叠置在一起，中间不设任何连接，而且忽略两梁之间截面上的摩擦力。此时，最大弯应力的值为：，发生在每个梁的上下边缘纤维处。梁在支座处剪力最大：。最大剪应力：跨中最大挠度：（2）完全剪切连接的情况：上下梁完全组合成一整体，则可按截面宽度为b，高为2h，跨度为l承受均布荷载q的简支梁计算。跨中最大弯矩处的最大正应力为：。梁在支座处剪力最大：。最大剪应力：跨中最大挠度：可以得出结论：完全剪切连接的组合梁与无剪切连接的叠合梁相比，惯性矩与刚度大大提高。大大减小了梁截面的法向应力与梁的挠度。这就是“组合效应”起到的主要作

3、用。1.2连接方式组合构件中混凝土与钢连接应视构件的形式与受力性能采取不同的方式。（1）钢管混凝土主要适用于轴心受压构件以及小偏心受压构件，特点是以承受轴向力尤其是轴向压力为主。优越性主要是利用钢管对混凝土的约束作用使混凝土的抗压强度大大提高，从而提高了构件的承载能力，而主要并不在于用钢管本身受压和受弯。再则，如果梁轴压力是同时施加于混凝土与钢管上，而不是只作用在混凝土核心，在通过混凝土与钢管的连接以后将应力传递给钢管。因此即使构件刚作用荷载时，钢管与混凝土的长度有很小的差别，但在荷载较大，特别是在承受后期自然发生应力重分布，钢管与混凝土总能保持同样的压缩变形。因此，在钢管混凝土中没有必要设置

4、任何连接件。（2）混凝土与压型钢板组合板，由压型钢板混凝土板、抗剪连接件和钢梁三部分组成。抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交界面的纵向剪力，抵抗相对滑移，以保证二者共同工作。主要是依靠在压型钢板上压制凸凹的纵肋与槽纹起到混凝土与压型钢板的连接作用。压型钢板压制的纵肋，不仅能增强粘结作用，而且能提高板材的局部刚度。组合板中一般不要求设置栓钉进行连接，但在组合板支承于钢梁或钢筋混凝土梁上的支座处要求用带头栓钉将组合板与支承梁连接，这些栓钉一方面是将组合板固定在支承梁上，另一方面也起到抵抗板端混凝土与压型钢板的滑移作用，因为组合板的板端滑移最大。（3）混凝土板与钢梁组成的组合梁，最普遍是用焊于钢梁上的

5、带头栓钉连接。1.3剪切连接件的试验研究连接件的强度与荷载滑移关系和组合构件的设计密切相关。连接件的强度与荷载滑移曲线一般可用推出试验直接测得。连接件的疲劳强度应根据连接件的疲劳试验测定。连接件的极限强度与混凝土的强度、栓钉的直径、栓钉的材料强度等因素直接有关。栓钉剪力连接件的静力强度大致与栓钉的直径的平方和混凝土强度的平方根成正比。第2章 压型钢板与混凝土组合楼板2.1概述压型钢板与混凝土组合楼板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构。最初在欧美和日本等国应用，80年代初引入我国，近20年来已大量用于工业与民用建筑中。它既可用作楼面也可作为屋面；既可用于工业建筑，也可用于民用与公共建筑

6、，尤其在高层建筑中大量使用。随着我国压型钢板的产量及品种发展，这种组合楼板越来越受到欢迎并得到广泛推广。 组合楼盖和屋盖采用压型钢板作铺板，其在施工阶段作为浇注混凝土的摸板，当混凝土硬结后，压型钢板可替代或部分替代混凝土配筋。全部静载或活载作用下，压型钢板与混凝土共同作用，增加了楼板的刚度。压型钢板按其在组合楼板中的作用可分为三类：第一类：压型钢板承担全部荷载（包括混凝土自重），混凝土仅起分布楼板荷载、保温、隔热、防火、防噪音等作用。这种压型钢板在施工阶段承受湿混凝土的重量及全部施工荷载，在使用阶段则承受混凝土及面层的自重及外加使用荷载等活荷载。这一类压型钢板不考虑其组合作用，混凝土只视为荷载

7、，可以按普通压型钢板设计。第二类：压型钢板不参与使用阶段的受力计算。施工时压型钢板承受混凝土湿重和施工荷载，使用阶段由混凝土板承受全部荷载，此时的混凝土楼板与普通钢筋混凝土楼板没有区别，设计按普通钢筋混凝土板设计，压型钢板作为永久模板留在结构中。第三类：考虑压型钢板与混凝土的组合作用。施工阶段压型钢板作为模板及浇注混凝土的作业平台，使用阶段压型钢板相当于混凝土板中的受拉钢筋。在荷载作用下，按组合板进行设计计算。早期美国采用的组合楼板第一类较多，此时用混凝土多为轻质混凝土；而我国则采用第二类较多，压型钢板在楼板使用阶段仅为安全储备。近年来，考虑组合效应的楼板越来越多，我们这里提到的组合楼板均指第

8、三类，即考虑组合效应的组合楼板。组合楼板在使用阶段应具有足够抵抗各种可能的极限破坏模式和使用的要求：正负截面抗弯能力、斜截面抗剪能力、抗冲切能力、负截面裂缝纵向抗剪（剪切滑移）等。组合楼板的优点：(1) 由于压型钢板作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及其支撑。(2) 由于压型钢板非常轻便，因此堆放、运输及安装都非常方便。(3) 压型钢板在使用阶段，因其和混凝土的组合作用，可替代受拉钢筋。因此减少了钢筋的制作与安装工作。(4) 由压型钢板组合楼板的几何形状所决定，组合楼板具有较大的刚度，且省去了许多受拉区混凝土，使组合楼板的自重减轻。(5) 便于敷设通信、电力、采暖等管线。并且可敷设保温、隔

9、音、隔热、隔震等材料，改善楼面的工作性能。(6) 由于压型钢板作为浇筑混凝土的模板直接支承于钢梁上，而且为各工种作业提供了广阔的工作平台，因此浇筑混凝土及其他工种均可多层立体作业，大大加快了施工进度，缩短了工期。(7) 压型钢板可直接作顶棚。(8) 与使用木模板相比，压型钢板组合楼板施工时，减小了发生火灾的可能性。2.2 压型钢板的形式及要求2.2.1 压型钢板的形式压型钢板不仅用作浇注混凝土的永久性摸板，而且待混凝土达到设计强度之后，压型钢板与混凝土仍然共同工作。因此，在压型钢板表面必需设置抗剪齿槽或采取其他措施来抵抗叠和面之间的纵向剪力和垂直掀起力。压型钢板常见的形式可以分为三类：(a)

10、闭口形槽口的压型钢板，为了增强剪切粘结效应，有时还在钢板腹板上开洞。(b) 开口形槽口压型钢板，在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹作为剪力连接件；(c) 开口形槽口压型钢板，同时在它的翼缘上另焊附加钢筋，以增强抗剪切粘结能力。图21 压型钢板与混凝土的组合连接2.2.2 压型钢板受压翼缘的有效宽度翼缘有效宽度经验公式：2.2.3 对压型钢板的构造要求压型钢板厚度应不小于0.7mm。加劲肋的刚度要满足条件：。组合楼板用压型钢板净厚度不应小于0.75mm（不包括镀层）；仅作模板使用时不小于0.50mm。组合楼板用压型板，其浇混凝土平均槽宽Wr不小于50mm；开口式压型钢板以板中和轴位置计，闭口板以按上槽口

11、宽度计；当槽内放置栓钉时，压型钢板总高ha（包括压痕）不应超80mm。组合楼板总厚度h不小于90mm，压型钢板板肋顶部以上混凝土hc不小于50mm，混凝土强度等级不小于C20。下列情况下需配筋：为组合楼板储备承载力；连续板或悬臂板受力负钢筋； 集中荷载区或孔洞周围；为改善防火性能；为保证组合作用，将剪力连接筋焊于压型钢板上翼缘（剪力筋在剪跨区内设置，间距150300mm）。连续板组合板按简支设计时，抗裂钢筋不应小于混凝土截面的0.2%；从支撑边缘算起，抗裂钢筋的长度不应小于跨度的l/6，且必须与不少于5根的分布钢筋相交。抗裂钢筋最小直径为4mm，最大间距150，顺肋方向抗裂钢筋保护层厚度为20

12、，与抗裂钢筋垂直的分布钢筋直径不应小于抗裂钢筋直径的2/3，其间距不应大于抗裂钢筋间距的1.5倍。组合楼板在集中荷载处应设置横向钢筋，其面积不应小于肋上混凝土面积的0.2%，其延伸宽度不小于集中荷载分布的有效宽度bm。需要提示的是，国外（美国）在设计组合楼板时，一般在压型钢板顶部配置温度钢筋。因为混凝土底部在压型钢板肋垂直方向没有任何约束，因此需配置温度钢筋进行约束。压型钢板在钢梁、混凝土剪力墙或混凝土梁上的支撑长度不小于50mm，在砌体上的支撑长度不小于75mm。组合楼板端部应设置栓钉锚固件。栓钉应设置在端支座的压型钢板凹肋处，穿透压型钢板并将栓钉、压型钢板均焊牢与钢梁（预埋钢板）上。栓钉直

13、径可按下列规定采用：跨度小于3m的板，栓钉直径宜为1316mm；跨度小于36m的板，栓钉直径宜为1619mm； 跨度大于6m的板，栓钉直径宜为119mm。焊后栓钉高度应大于压型板波高加30mm，栓钉钉面混凝土保护层厚度不小于1.5mm。组合楼板端部锚固，宜采用栓钉焊接，将焊钉穿透压型钢板与钢梁或预埋件焊成一体。2.3组合板的承载能力计算2.3.1组合板的破坏模式1. 弯曲破坏2. 纵向水平剪切粘结破坏这主要是因为混凝土与压型钢板的界面抗剪切粘结滑移强度不足，使两者界面成为组合板薄弱环节。在组合板未达到极限弯矩以前，界面丧失抗剪切粘结能力，产生过大的滑移，失去组合作用。破坏特点是，首先在靠近支座

14、附近的集中荷载处混凝土出现斜裂缝，混凝土与压型钢板开始发生垂直分离，随即压型钢板与混凝土丧失抗剪切粘结能力，产生较大的纵向滑移。3. 沿斜截面剪切破坏当组合板的高跨比很大、荷载比较大，尤其是在集中荷载作用时，发生支座最大剪力处沿斜截面剪切破坏。因此在较厚的组合板中，当混凝土的抗剪能力不足时也应设置钢箍以抵抗剪力。2.3.2组合板的承载能力计算1. 施工阶段的承载能力计算施工阶段按照钢结构来验算压型钢板。荷载包括压型钢板自重、湿混凝土的自重及施工时机具、人员等一切活荷载。压型钢板按照单向板只验算沿纵向的强度。当不加临时支撑时，按弹性方法，压型钢板的正截面抗弯承载力应满足：。2. 使用阶段承载能力

15、的计算混凝土达到设计强度，混凝土与压型钢板实现预期的组合效应，即可按照组合板进行计算。荷载包括压型钢板及混凝土自重、面层及构造层的重量、楼板下吊挂的天棚、管道等的重量以及楼面上的设备与使用活荷载等。使用阶段承载能力计算包括：(1) 正截面受弯承载力的计算：正截面计算时，YB9238-92规程将混凝土抗压强度和钢材强度设计值分别乘以折减系数0.8。其原因是考虑到作为受拉钢筋的压型钢板没有混凝土保护层，以及中和轴附近材料强度不能充分发挥等因素，对材料强度设计值给予折减。组合楼板设计经常需要参考ASCE规范，需要注意的是，我国规范中0.8的折减系数，与ASCE中强度折减系数不是同一概念。正截面计算时

16、的三种破坏形态，即：适筋梁破坏、中和轴在压型顶部钢板混凝土内的超筋梁破坏和中和轴在压型钢板截面内的超筋梁破坏。(2) 纵向水平剪切粘结计算：由于选用压型钢板时，多数情况下不取决于承载力，而是取决于施工条件，可能会出现纵向剪切破坏，特别是随着高强度钢材的使用出现抗弯能力高于纵向抗剪能力的可能性增大。影响纵向抗剪能力的因素较多，最为主要的是压型钢板的截面以及表面情况，YB9238-92只规定了剪力粘结系数由实验确定，但没有规定由谁给出，也为给出标准实验方法；而JGJ98-99未规定验算抗剪切滑移，因此在组合楼板设计中，我国设计人员基本上不进行纵剪能力验算。关于剪切滑移计算，在我国没有得到足够的重视

17、，原因是以往我国组合楼板设计一般都是把压型钢板作为永久模板使用；再有把次梁间距限制在2.5m以内，绝大多数组合楼板都被挠度控制，极限承载力远大于结构设计所需的承载力，因此没有必要计算剪切滑移。(3) 斜截面剪切承载能力计算：（均布荷载下）；（集中荷载下）。(4) 局部荷载作用下的冲切计算：。2.4组合板的变形计算2.4.1施工阶段变形计算施工阶段压型钢板应进行验算，不应变形过大。变形可按弹性方法计算。2.4.2使用阶段变形计算按组合板进行变形验算。2.5 压型钢板组合楼板计算2.5.1 次梁间距（板跨）的确定设计组合楼板时首先遇到的问题就是如何确定次梁间距，一般根据建筑要求定为1.8m、2.1

18、m、2.4m、2.5m、2.8m、3.0m ；我国设计人员一般将其控制在2.5m以内，美国一般将其控制在68英尺（1.82.4m）。为了防止楼板颤动，ASCE对板跨高比作出了限制：简支板 l/h22 双跨板 l/h27 三跨板 l/h32依据跨高比限制值，在根据建筑对楼板厚度的要求，可以很快地确定次梁间距。2.5.2 压型钢板选择（1）建筑要求建筑做法，如:是否吊顶等建筑要求。（2）施工承载力要求根据施工荷载尽可能选择施工时不使用临时支撑或少用临时支撑，施工荷载按实际可能的施工荷载计算。如无实测数据可按规范荷载取值。压型钢板截面惯性矩计算，要特别注意如截面对称，正负截面惯性矩相等，否则正负截面

19、惯性矩不同。（3）混凝土板厚 关于混凝土板厚，各国规范都做出了如下规定，混凝土板厚h不小于90mm，且压型板板肋顶部以上混凝土厚度hc不小于50mm，混凝土等级不低于C20。（4）楼板承载力要求组合楼板用压型钢板净厚度：组合楼板参与承载力计算时，板厚不应小于0.75mm，仅做模板使用时，板厚不应小于0.5mm。（5）经济性压型钢板厚度、波高、强度与施工懔距（压型板承载力）与混凝土组合楼板承载力成正比，与造价成反比。因此，应综合比较施工增加临时支撑和选择厚板、高波、高强压型钢板的费用。同样也应综合考虑，组合楼板配筋和不配筋条件下，不同压型钢板、楼板承载力和防火、防腐等经济指标。2.5.3 组合楼

20、板设计的基本原则组合楼板设计除应遵守组合结构设计的一般原则外，还应遵守以下原则：（1） 组合楼板设计时应考虑两个阶段施工阶段：此时压型钢板作为混凝土浇注底模，应对其强度和变形进行验算；使用阶段：此时组合楼板承担全部荷载，应对其强度和变形进行验算；（2） 组合楼板强边（顺肋）方向的正弯矩和挠度，均按全部荷载作用的简支板计算（不论实际支撑如何）；强边方向的负弯矩按固端板考虑；弱边（垂直肋）方向正负弯矩均不考虑。当压型钢板上混凝土厚hc100mm时，板的挠度按强边简支单向板计算，板的承载力按下列规定计算： 当0.5e2.0时，按双向板计算；当e2.0时，按单向板计算。e=Lx/Ly =(Ix/Iy)

21、1/4e有效边长比；板的各向异性系数；Lx、Ly组合板强边、弱边方向的跨度；Ix、Iy组合板强边、弱边方向的截面惯性矩（计算Iy时，只考虑压型钢板肋顶上混凝土厚度hc）。(a)强边方向弯矩 (b) 弱边方向弯矩图22 各向异性双向板的计算简图（3） 双向组合板周边的支撑条件，可按下列情况确定：当跨度大致相等，且相邻跨是连续的，楼板周边可视为固定边；当组合楼板上浇混凝土板不连续或相邻跨度相差较大，应将楼板周边视为简支边。对于各向异性双向板弯矩，将板形状按有效边长比e进行修正后，视作各向同性板弯矩。强边方向弯矩，取等于弱边方向跨度乘以系数后所得各向同性板在短边方向的弯矩；弱边方向弯矩，取等于强边方

22、向跨度除以系数后所得各向同性板在长边方向的弯矩。双向板设计，强边方向按组合楼板设计；弱边方向仅考虑肋上混凝土hc。第3章 钢与混凝土组合梁3.1 概述组合梁由钢梁、钢筋混凝土板及两者之间的剪切连接件组成。剪切连接件的可靠连接作用是混凝土与钢梁是否能组合成一个整体，共同工作的关键。剪切连接件的主要作用时抵抗混凝土板与钢梁叠合面上的纵向剪力，使板与梁之间不能自由滑移。组合梁根据混凝土板与钢梁的组合连接程度可分为完全剪切连接组合梁和部分剪切连接组合梁。完全组合梁是指组合梁中配有足够数量的剪切连接件，在组合梁截面的极限弯矩作用下所产生的纵向剪力，完全可以由所配的剪力连接件承担。部分组合梁是指剪力连接件

23、所能承担的剪力小于在截面极限弯矩下所产生的纵向剪力。部分剪切连接件的组合梁适用于下列情况：(1)组合梁的截面高度与钢结构的板件厚度不取决于截面所需的抗弯强度，而主要取于要求的截面刚度或板件的局部稳定性。(2)达到承载能力极限状态时，组合梁中达不到极限弯矩的某些区段。组合梁充分发挥了混凝土和钢材的有利性能，具有以下优点：(1)将钢筋混凝土板与钢梁组合成整体，使钢筋混凝土板成为组合梁的一部分，因此比按非组合梁考虑，承载能力显著提高。(2)钢筋混凝土板组合成为全梁的一部分，因此在同样大小钢梁的情况下，组合梁比非组合梁竖向刚度侧向刚度都明显提高。(3)混凝土处于受压区，钢梁主要处于受拉区，两种不同材料

24、都能充分发挥各自的长处，受力合理，节约材料。(4)由于处于受压区的钢筋混凝土板刚度较大，对避免钢梁的整体与局部失稳有明显作用。(5)降低梁高与房屋总高。(6)使用组合梁可大量节约钢材以致降低整个工程造价。3.2 组合梁的试验研究 组合梁截面的滑移为：，跨中截面x0处滑移为零，滑移应变最大。支座截面xl/2处滑移最大而滑移应变为零。3.3 组合梁施工阶段的计算施工阶段由于混凝土未浇注，或虽已经浇注但未硬化达到设计强度，因此荷载仅由钢梁承担。在对无支撑施工的组合梁进行施工阶段的强度、稳定与变形验算时，按下列荷载考虑：(1) 结构及对无支撑模板自重：包括钢梁自重、湿混凝土自重，如果利用钢梁支撑混凝土

25、板的模板，应包括模板及其支撑的自重。(2) 施工活荷载：包括人员、机具等小型工具设备的荷载。1. 钢梁的正截面抗弯强度承受静力荷载或间接承受动力荷载时，在对强轴x-x的弯矩Mx作用下，钢梁的正截面抗弯应当满足：在Mx与My共同作用下，钢梁的抗弯强度应当满足：；式中，Mx、My为分别在静荷载G1与活荷载Q1作用下，绕强轴x-x与弱轴y-y的、弯矩；Wnx、Wny为分别为对强轴x-x与弱轴y-y的净截面抵抗矩；f为钢材的抗弯强度设计值。2. 钢梁的抗剪强度计算在主平面内受弯的实腹构件，其抗剪强度应按下式验算：V为由施工阶段静荷载G1与活荷载Q1作用下，计算截面沿腹板平面作用的剪力；S为计算剪应力处

26、以上毛截面对中和轴的面积矩；I为钢梁毛截面惯性矩；tw为钢梁腹板厚度；fv为钢材的抗剪强度设计值。3. 整体稳定验算在最大刚度主平面内受弯的构件，其整体稳定性按下式计算：。在两个主平面受弯的工字形截面构件，其整体稳定性按下式计算：。Wx Wy为按受压纤维确定的对x轴和对y轴全截面抵抗矩；为绕强轴弯曲所确定的整体稳定系数；Mx、My为考虑G1和Q1作用下绕强轴和弱轴作用的最大弯矩。4. 变形验算 钢梁处于弹性阶段，不产生过大的塑性变形，故施工阶段钢梁挠度按弹性方法计算：3.4 组合梁使用阶段承载能力计算组合梁正截面强度计算：（1）当塑性中和轴在混凝土翼缘板中通过时，即有：，此时，组合梁正截面强度

27、应满足：，x为塑性中和轴至混凝土翼缘板顶面的距离：。（2）当塑性中和轴在钢梁中通过时，此时，组合梁正截面强度应满足：， 组合梁的剪切强度计算：组合梁的剪切强度计算时认为截面上的垂直剪力全部由钢梁腹板承受，不考虑混凝土的抗剪作用，因此组合梁的剪切强度可按下式计算：。剪切连接件的计算：（1）当塑性中和轴在混凝土板中通过时：（2）当塑性中和轴在钢梁中通过时：横向钢筋的计算。3.5 连续组合梁的承载能力计算1.内力分析用一种简化的塑性分析方法计算内力。即对于等截面的连续梁仍按等刚度梁，即按正弯矩塑性区组合梁的截面刚度来考虑，用结构力学的方法来计算连续梁的内力，但必须符合5个条件（P64）。2.负弯矩截

28、面抗弯强度计算符合上述5个条件的连续组合梁达到弯矩极限强度时，受拉区基本均能达到钢材的抗拉强度设计值，受压区也能达到抗压强度设计值，只要保证足够的剪切连接，在翼缘混凝土板有效宽度范围内的受拉钢筋也能达到钢筋抗拉强度设计值。组合梁所能抵抗的负弯矩为： Ms为钢梁所能抵抗的塑性弯矩，Mr为纵向钢筋与相应部分型钢所抵抗的弯矩。3.连续梁中间支座的抗剪计算连续梁中间支座仍考虑仅由钢梁腹板来承受剪力：。4.关于稳定问题简支梁不存在整体失稳问题，钢梁下翼缘的稳定问题在设计中可不必考虑。5.负弯矩区连接件的计算在各个负弯矩区段连接件的数量为：。3.6组合梁的变形计算 1.荷载效应组合荷载取标准值，应考虑使用

29、阶段全部永久荷载的标准值，同时还应考虑所有可变荷载的标准值，但应考虑可变荷载的最不利组合。2.简支梁刚度计算将混凝土板换算成钢的同一种材料截面刚度。分两种情况。3.连续组合梁刚度计算4.变形计算，仍按结构力学方法进行计算：。3.7裂缝控制计算3.8部分剪切连接组合梁的计算 实际工程中，组合梁的截面高度与截面大小，并非都由承受弯矩的大小所确定。例如，跨度大而荷载不大的梁，其截面高度可能是由刚度确定，即变形大小起控制作用。有部分剪切连接组合梁的简化计算方法。3.9组合梁的构造要求第4章 型钢混凝土结构4.1概述型钢混凝土构件是在混凝土中主要配置型钢，也配有构造钢筋及少量受力钢筋。配钢的型式分为实腹

30、式和空腹式。腹式型钢主要有工字钢、槽钢及H型钢等。空腹式配钢是由角钢构成的空间桁架式的骨架。型钢混凝土构件中配的是型钢，与钢筋混凝土构件比含钢率较高，因此对同等截面而言，型钢混凝土构件比钢筋混凝土构件承载能力大大提高。混凝土中配置型钢以后，混凝土与型钢两者有相互约束作用。一方面混凝土包裹型钢，在构件达到承载能力前，型钢很少发生局部屈曲，所以一般在构件中配置的型钢不需要加设加劲肋。另一方面，型钢又对核心混凝土起着约束作用，尤其是配置方钢管的闭口型钢时，约束作用更为显著。同时因为整体的型钢比钢筋混凝土中分散的钢筋刚度大得多，所以型钢混凝土构件比钢筋混凝土构件的刚度明显提高。型钢混凝土结构的优点：型

31、钢混凝土结构具有良好的延性与耗能性能。尤其配实腹式型钢的型钢混凝土构件具有相当好的延性及很大的耗能能力，配空腹式骨架的型钢混凝土构件的延性与耗能能力也比钢筋混凝土构件有所提高。型钢混凝土结构具有强度刚度大，延性好，抗震能力强，防火防腐性能好及便于施工等优点，因此越来越广泛地被采用于高层及高耸结构，地震区的建筑物，承受大荷载的结构、大跨结构等。4.2型钢混凝土梁正截面承载能力分析型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。在型钢混凝土结构中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形式、计算假定、构件承载能力及刚度裂缝。型钢与混凝土的粘结滑移，通

32、常可用两种方法处理。一是在构件上加设剪切连接，并按照计算确定其数量，即滑移面上的剪力全由剪力件承担，称为完全剪切连接，可以认为型钢与混凝土完全共同工作。二是不设或仅在两端梁端设置少量剪力件，而在计算中考虑粘结滑移对承载能力的影响。方法一，虽然受力比较合理，主材的配钢量可减少，但是剪力件的数量很多，也消耗相当一部分钢材。尤其栓钉的焊接工作量很大，施工不方便。方法二，在承载能力计算中考虑粘结滑移的影响，由于在加荷的后期存在着明显的粘结滑移，使承载能力有所降低。在保证一定承载能力的情况下，不设栓钉的梁所需的配钢量比完全剪切连接梁有所增加。虽然型钢主件用量增加，但是却省去了大量栓钉的用钢，总的用钢量并

33、不多，而且省去了焊接施工费用，经济效益明显。对于空腹式角钢骨架的型钢混凝土构件，虽然有纵向粘结裂缝，但是其粘结状况明显比实腹式型钢构件好，对承载能力基本没有影响。这主要是因为竖、斜腹杆都为角钢焊接，因此在计算空腹式配钢的型钢混凝土构件时，可不考虑粘结滑移的影响。对于无剪力件的配实腹式型钢的型钢混凝土梁，在荷载达到极限荷载的80%以前，型钢与混凝土基本能共同工作，粘结滑移影响不明显。当荷载超过极限荷载的80%以后，粘结滑移明显，此时已经不符合平截面假定，因此在承载能力计算中必须考虑粘结滑移的影响。4.2.1试验研究配空腹角钢骨架的型钢混凝土构件比钢筋混凝土构件的延性大有改善。4.2.2配实腹钢的

34、型钢混凝土梁正截面承载能力计算1.基本假定(1) 梁受力后，截面应变仍然符合平截面假定（修正平截面）。(2) 破坏时，梁受压区边缘的混凝土极限压应变。(3) 达到极限状态时，混凝土受压区的应力图形可取为矩形分布。其中，受压区高度为，x0为实际受压区高度。(4) 达到极限状态时，不考虑混凝土受拉区参加工作。2.矩形截面梁的计算型钢混凝土梁正截面强度计算时，根据中和轴位置不同，分为三种情况：第一种，中和轴在型钢腹板中通过；第二种，中和轴不通过型钢；第三种，中和轴恰好在型钢受压翼缘中通过。由受压区高度x和型钢上翼缘至受压区边缘的距离，可判别属于那种情况。型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构及钢结构设计不同

35、，不是根据内力计算出钢筋面积或型钢面积，然后选择配筋或型钢的大小，而是梁断面确定后，先配置型钢，然后验算其承载能力是否满足。对于配钢的形式与型钢的尺寸应当尽量优化，在保证安全的前提小，尽量配得构件受力合理而且经济。3.T形截面梁的计算T形、工字形及倒L形截面梁的计算是类似的，受压区的翼缘计算宽度的取值有相应的规定。计算时，也要分三种情况进行。4.2.3配角钢骨架的型钢混凝土梁的正截面承载能力计算根据配角钢骨架的型钢混凝土梁的受弯试验分析，可以得出如下规律：(1) 配筋钢骨架的型钢混凝土梁其中配的是由角钢焊成的空间封闭桁架。它对核心混凝土有较好的约束，使核心混凝土的极限压缩变形及抗压强度均有所提

36、高。(2) 由于角钢骨架的弦杆之间用焊接的直腹杆与斜腹杆连接，这些腹杆本身也起着剪切连接件的作用，所以虽然梁在破坏前也出现纵向粘结裂缝，甚至有的破坏时也产生混凝土保护层剥落现象，但总的粘结性能明显好于配实腹钢的型钢混凝土梁柱，在配角钢骨家的型钢混凝土梁中，粘结问题不是影响承载能力的突出问题。直至破坏前，可以认为型钢骨架与混凝土共同工作，平截面假定仍能适用。(3) 由于角钢骨架对核心混凝土的约束作用，使核心混凝土的抗压强度及极限压缩变形有所提高，因此虽然也产生一些粘结滑移，但总体来说梁的受弯承载能力与相当数量配筋的钢筋混凝土梁相比，不仅没有降低，而且还有所提高。(4) 将角钢焊接成整体的空间骨架

37、，对核心混凝土起到良好的约束作用，因此在加荷后期，即使混凝土保护层有所剥落，但核心混凝土仍然保持很好的整体。再加上角钢骨架的空间整体性较好，所以即使在达到最大荷载以后，空间钢骨架和核心混凝土仍能一起支承继续工作。因此，型钢混凝土梁的后期变形能力和延性明显比普通钢筋混凝土梁好。(5) 裂缝产生后，开展到受拉角钢翼缘处即受到受拉角钢的阻止，因此在加荷的很长阶段，几乎是整个使用阶段，裂缝开展“停滞”。角钢焊接成整体桁架，本身具有较大的空间刚度。同时空间骨架对核心混凝土的良好约束也提高了核心混凝土的刚度。由于这些原因，所以配角钢骨架的型钢混凝土梁比相同截面、相当配筋的钢筋混凝土梁，刚度明显提高，尤其在

38、使用阶段效果更为显著。(6) 由于梁中角钢配在梁断面的四角，可以不需另配构造钢筋与钢箍，受力性能良好。由于粘结滑移不突出，因此混凝土保护层的厚度可以比配实腹钢的型钢混凝土梁小，和普通钢筋混凝土梁相当。由10个配角钢根据试验分析，得出：(1) 在配钢量合适的情况下，达到承载能力极限状态时，受拉型钢与受压型钢均能屈服。(2) 平均应变平截面假定仍可适用。(3) 达到极限状态时，不考虑混凝土的受拉作用。(4) 达到极限状态时，混凝土受压应力图形可以折算为矩形应力图形。应力值取fcm，极限压应变取0.0033。(5) 由于型钢骨架对核心混凝土的约束作用，使得构件承载能力提高。4.3型钢混凝土梁斜截面承

39、载能力分析4.3.1 试验研究试验结果表明，除剪跨比较大（）的梁为弯曲控制外，其余梁均为剪切破坏。剪切破坏的形式分为三类。1. 剪切斜压破坏：当剪跨比较小时（）2. 剪切粘结破坏：剪跨比较小时3. 弯剪破坏（剪压破坏）：剪跨比较大时（），弯曲应力影响增加。4.3.2 影响梁抗剪能力的因素1. 剪跨比影响剪跨比的变化实际反映了弯、剪作用的相关关系。试验研究表明，剪跨比的大小影响到剪切破坏形态。当剪跨比很小时，一般发生剪切斜压破坏；剪跨比较小时，发生剪切粘结破坏；当剪跨比比较大时，弯矩起主要作用，正应力成为影响构件强度的主要因素，一般发生弯曲破坏。2. 加载方式均布荷载作用下的不同跨高比的型钢混凝

40、土的剪切试验表明：跨高比对混凝土的抗剪能力以及型钢的抗剪能力均影响不大。但集中荷载作用下型钢混凝土梁的抗剪能力比均布荷载作用下的抗剪能力有所降低。3. 混凝土强度等级不管剪力作用下梁以何种形态破坏，混凝土的强度等级都直接影响到混凝土所承担的剪力，而且混凝土所承担的剪力基本上与强度等级成线性关系。4. 含钢率与型钢强度在一定范围内，随着含钢率的增加，型钢混凝土的抗剪能力提高。含钢率较大，由型钢承担的剪力较大，而且在含钢量较大的梁中，被约束的混凝土较多，因此对提高混凝土的强度与变形能力都是有利的。5. 宽度比型钢翼缘的宽度bf与梁宽b之比对型钢混凝土梁的破坏形态与抗剪强度有一定影响。当bf/b较大

41、时，型钢约束的混凝土相对较多，对于提高梁的抗剪强度与变形能力是有利的。但另一方面，当bf/b大到一定程度，较易产生沿型钢上下翼缘的粘结劈裂破坏，这又是不利的。因此型钢翼缘应当适当加大。6. 型钢翼缘的保护层在型钢外围配置钢箍，会增加对型钢外围混凝土的约束，有着明显的效果。7. 含箍率配实腹型钢的型钢混凝土梁中配置一定数量的钢箍是必要的。一方面钢箍本身承担一部分剪力，另一方面钢箍对于约束混凝土的变形起着重要作用，从而使梁的强度与变形能力都得到改善。4.3.3 配实腹式型钢梁的抗剪承载能力计算试验表明，达到极限状态时，型钢腹板首先达到屈服强度，而后斜压杆混凝土被压碎而破坏。梁的抗剪承载力可统一表达

42、成： ：剪切斜压破坏可假定为拉杆拱作用机理。Vc为混凝土抗力项，包括了剪压区混凝土承担的剪力、骨料的咬合力、型钢翼缘与纵筋销栓力以及型钢与箍筋对混凝土的约束的有利影响等；Vsw为型钢腹板承担的剪力；Vsv为与斜裂缝相交的钢箍承当的剪力。4.3.4 配角钢骨架梁的抗剪承载能力计算试验表明，型钢混凝土梁的抗剪能力并不低于相同配箍量的钢筋混凝土。配角钢骨架梁的抗剪承载能力可按下式进行： （均布荷载作用） （集中荷载作用）4.4型钢混凝土梁的刚度变形计算4.4.1变形特点及影响因素通过试验发现，与钢筋混凝土梁相比，型钢混凝土梁的荷载变形曲线有两个显著特点：1. 当型钢混凝土梁达到开裂荷载后，在M-f曲

43、线上没有明显转折点，产生了裂缝开展“停滞”现象，这种“停滞”现象维持到受拉钢筋和型钢屈服以前，一旦钢筋与型钢屈服，裂缝迅速发展，高度急剧上升；2. 型钢混凝土使用阶段刚度降低较小，比较接近于线性关系。影响因素：1. 腹板的存在不仅使梁的承载力提高，同时对梁的刚度有明显影响。2. 梁的含钢率对梁的刚度也有明显的影响，3. 凡是影响钢筋混凝土梁及钢梁刚度变形的因素，例如，截面尺寸、混凝土强度等级、纵筋的多少、荷载作用时间等均会影响到梁的刚度与变形。4.4.2刚度计算型钢混凝土的刚度可看成三部分的组合：为荷载短期效应作用下型钢混凝土的刚度；为梁中钢筋混凝土部分的刚度；为型钢部分的刚度；为被型钢约束的

44、混凝土“刚心”部分的刚度。计算型钢混凝土梁的刚度有如下假定：(2) 型钢混凝土梁在使用荷载阶段符合平截面假定；(2) 在使用荷载阶段，钢筋、型钢和混凝土均在弹性范围内工作；(3) 裂缝截面不考虑受拉混凝土的作用。4.5型钢混凝土梁的裂缝计算4.5.1抗裂度验算抗裂弯矩可表示为：4.5.2裂缝宽度计算裂缝分析时作假定如下：(1) 使用阶段截面应变符合平截面假定(2) 使用阶段钢筋、型钢和混凝土均在弹性范围内工作(3) 开裂截面不考虑受拉混凝土的工作(4) 非开裂截面受拉区混凝土应力均匀分布根据一般裂缝理论，裂缝间距与宽度不仅与粘结滑移有关，还与截面应力梯度有关，因此与保护层的厚度有关，进过推导，

45、并通过试验回归，可得裂缝的平均间距模式为：有了平均裂缝间距，就可以求出钢筋在水平处的平均裂缝宽度：和型钢下翼缘水平处的平均裂缝宽度：，而钢筋应变：，型钢应变：代回就积分可得平均裂缝宽度： 利用一个“扩大系数”，进而可求得最大裂缝宽度：和。通过试验回归分析，可得“扩大系数”为：。4.6型钢混凝土柱的正截面承载能力4.6.1轴心受压柱根据轴向力的位置不同，也可分为轴心受压柱和偏心受压柱。与普通钢筋混凝土轴心受压柱相似：轴心受压型钢混凝土柱在加荷初期型钢、钢筋和混凝土都能较好共同工作。变形是协调的。随着荷载的增大，沿柱纵向产生裂缝。荷载继续增加，纵向裂缝逐渐贯通，分成若干小柱发生劈裂破坏。在合适的配

46、筋情况下，型钢和纵向钢筋能达到受压屈服。当加荷到极限荷载的80%以上，型钢与混凝土的粘结滑移明显，有明显的纵向裂缝。无论轴心压还是偏心受压柱，由于混凝土对型钢的约束，为发现型钢有局部屈曲的现象，因此在设计时可不考虑，轴心受压柱的正截面强度计算公式为：式中，fc为混凝土的轴心受压强度设计值；Ac为混凝土的净截面积；Ass为型钢的有效净截面面积，即应扣除因空洞削弱的不部分；As为纵向受压钢筋的截面积；fy为纵向钢筋的抗压强度设计值；fs为型钢的抗压强度设计值，为型钢混凝土柱的稳定系数。4.6.2配实腹型钢偏心受压柱的试验研究型钢受拉翼缘先屈服，后受压区混凝土被压碎而破坏，定义为大偏心受压破坏。拉压

47、破坏（大偏心受压破坏）：当加荷到一定程度，柱受拉侧混凝土开裂，出现基本与柱轴线垂直的横向裂缝。荷载继续增大，受拉钢筋与型钢受拉翼缘相继屈服。此时受压边缘混凝土未达到极限压应变，荷载仍可继续增加，一直加荷至受压混凝土达到了极限压应变，逐渐压碎剥落，柱破坏。此时，受压较大边的钢筋与型钢翼缘也都能屈服。受压破坏（小偏心受压破坏）：当加荷到一定程度，受压区混凝土边缘或受压较大边混凝土边缘压应变达到极限压应变，混凝土压溃，柱破坏。此时一般来说受压较大边的钢筋和型钢翼缘都屈服，而距轴压力较远一侧的混凝土及钢筋、型钢可能受压，也可能受拉，但是该侧的钢筋和型钢均未达到屈服。当混凝土受压边缘纤维的应变达到极限压应变同时，型钢受拉翼缘也达到型钢的屈服应变，即应力达到屈服极限，是受压和受拉破坏的界限，称为界限