钢-混组合结构课件(讲义)

建筑工程学院 土木工程专业本科课程教学
《钢－混凝土组合结构》
第6章 型钢混凝土柱
主 讲： 陈 建 锋 2019.10
1
钢—混凝土组合柱的分类
柱
混凝土包钢— 型钢混凝土
本
章
内
容
钢包混凝土—
钢管混凝土
2
第6章 型钢混凝土柱
从设计角度
依据
轴压柱：正截面计算仅一种方法，简单！ 偏压柱：对应2个规程，有2种方法！各有特点！
长柱的承载力低于相同条件下的短柱承载力，可 采用型钢混凝土柱的稳定系数来考虑这一因素。该 稳定系数值随着长细比的增大而减小，可根据表 6.3.1确定。
6.3.2 承载力计算公式
N 0 .9(fcA c fy'A s' fs'A s s)
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§6.4 型钢混凝土偏压柱正截面承载力计算
6.4.1．试验研究分析 1. 受拉破坏（大偏心受压破坏）
偏心距较大时，荷载作用下拉区裂缝不断增宽、变长，受拉钢 筋与型钢的受拉翼缘相继屈服；此时，受压边缘混凝土尚未达到极 限压应变，荷载可继续增加，一直加荷到受压区混凝土达到极限压 应变，且逐渐压碎剥落时，柱子宣告破坏。
在破坏时，受压区的受压钢筋与型钢受压的翼缘一般均能达到 屈服强度。型钢的腹板，不论受压还是受拉，一般都是部分屈服， 部分没有屈服。
M a w[1 2(21)2(21)]tw h 02fa
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式中 tw、 fa －型钢的腹板厚度和抗拉强度设计值；

、
1

2
－
型
钢
腹
板
顶
面
、
底
面
至
柱
截
面

的一种结构形式。
特点
02
具有较高的承载能力和抗震性能，适用于高层建筑和大跨度跨
越的结构。
应用场景
03
广泛应用于高层建筑、大型工业厂房、大跨度跨越的桥梁和大
型场馆等建筑结构中。
设计原则与步骤
设计原则
遵循安全、经济、适用和耐久的原则，确保结构在各种工况下的 安全性和稳定性。
设计步骤
进行结构分析、承载能力计算、变形和稳定性分析、构造措施和 施工图绘制等步骤。
板型组合结构
概述
板型组合结构是由混凝土板和钢面板通过粘结剂或连接件组合而 成的一种结构形式。
特点
具有较好的抗弯和抗剪性能，适用于承受较大荷载的楼板和屋面板 。
应用场景
广泛应用于高层建筑、大跨度跨越的桥梁和大型工业厂房等建筑结 构中。
框架型组合结构
概述
01
框架型组合结构是由混凝土框架和钢框架通过连接件组合而成
详细描述
钢混凝土组合结构在桥梁工程中广泛应用，其高承载力和耐久性好的特点使其成为大型桥梁的主要结构形式之一 。通过将钢结构和混凝土结构的优点结合，可以实现桥梁跨度大、自重轻、承载能力强等优点，提高桥梁的稳定 性和安全性。
高层建筑中的应用
总结词
抗震性能好、施工速度快、经济效益高
详细描述
钢混凝土组合结构在高层建筑中应用广泛，其抗震性能好、施工速度快、经济效益高等优点使其成为 高层建筑的主要结构形式之一。通过采用钢骨混凝土或钢板混凝土等组合结构形式，可以实现高层建 筑的稳定性和安全性，提高建筑的承载能力和使用寿命。
良好的耐久性
混凝土对气候变化、化学侵蚀和物理作用具有一 定的耐久性。
塑性和硬化
混凝土在浇注后逐渐硬化，并具有较好的塑性， 可以根据需要进行造型和施工。

– 抗剪连接件的纵向水平受剪承载力能够保证梁的 最大受弯承载力充分发挥；
•
部分抗剪连接：
– 抗剪连接件少于完全抗剪连接需要的数量时； – 实际工程中，具有良好的经济效益
50
第五节 组合梁的承载力 • 组合梁设计内容：
– – – – – – – 受弯承载力计算 受剪承载力计算 抗剪连接件的数量和分布 混凝土翼缘板及其板托纵向截面受剪承载力计算 变形计算 负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算 构造设计
• 连续板
•
lp：荷载作用点至组合板支座的较近距离
19
4 bem = bm + l p [1 − (l p / l )] 3
第二节 压型钢板－混凝土组合板 2.1 内力分析的几个问题
(1)局部荷载的作用 2）受剪计算：
bem = bm + l p [1 − (l p / l )]
20
第二节 压型钢板－混凝土组合板 2.1 内力分析的几个问题
7
第一节 基本原理
1.3 计算方法 • 弹性理论方法：即工程力学方法
– 适用于组合梁、组合板构件的施工阶段计算 – 组合板承载力计算、直接动力荷载及变形 – 需换算截面（应变协调、总内力不变）
• 塑性理论方法：考虑截面塑性变形发展
– 适用于计算承受静力荷载或间接动力荷载组 合梁的承载力 – 需考虑内力重分布
12
第二节 压型钢板－混凝土组合板 1 组合板的构造要求
• 总厚度不应小于90mm，翼缘以上混凝土hc 不应小于50mm • 混凝土强度不宜低于C20，骨料尺寸不应 大于0.4hc、肋的1/3和30mm三者中较小值 • 应布置分布筋，起到分布集中荷载的作用。 两个方向的配筋率不应小于0.2％ • 简支板的支座上应配置构造负弯矩钢筋， 以控制裂缝宽度。

高层建筑
研究将组合梁应用于轨道交通中，提高轨道结构的耐久性和稳定性。
轨道交通
03
循环经济
建立循环经济的生产模式，实现资源的有效利用和废弃物的减量化、资源化。
01
环保材料的应用
优先选择可再生、可回收的环保材料，降低生产过程中的环境污染。
02
节能减排技术
推广应用节能减排技术，降低组合梁生产过程中的能耗和排放。
混凝土的抗压性能
钢和混凝土通过组合，可以充分发挥各自的优点，提高梁的整体承载能力和稳定性。
组合效应
根据梁的跨度、荷载等条件，选择合适的截面形式和尺寸，以实现最佳的承载能力和稳定性。
优化截面
在设计中应考虑环境因素对组合梁的影响，如温度变化、腐蚀等。
考虑环境因素
组合梁的施工应满足相关规范和要求，确保施工质量。
环境适应性测试的结果可用于评估组合梁在不同环境下的耐久性和适应性，为工程应用提供依据。
CHAPTER
钢与混凝土组合梁的应用实例
06
钢与混凝土组合梁在桥梁工程中应用广泛，如高速公路、铁路和城市交通中的高架桥、立交桥等。
钢与混凝土组合梁具有较高的承载力和稳定性，能够满足桥梁跨度大、荷载重的要求。
钢与混凝土组合梁的施工周期短，对环境影响小，具有较好的经济效益和社会效益。
对钢梁进行防腐处理，以提高其耐久性。
连接件制造
使用合适的材料和工艺，制造出符合设计要求的连接件。
连接件设计
根据组合梁的结构特点和设计要求，设计合理的连接件。
连接件安装
将连接件安装在钢梁和混凝土之间，确保组合梁的结构稳定性和承载能力。
CHAPTER
钢与混凝土组合梁的性能测试与评估
05
测试方法通常采用循环加载试验，对试件施加一定幅值的荷载，循环一定次数后观察其损伤和疲劳寿命。

组合结构的案例分析
伦敦塔桥
伦敦塔桥是一座著名的组合 结构桥梁，结合了钢结构和 混凝土结构，成为伦敦的地 标之一。
台北101大楼
台北101大楼是一座世界知 名的组合结构摩天大楼，结 合了钢结构和混凝土结构， 以其出色的抗震性能而闻名。
鸟巢体育场
鸟巢体育场是一座标志性的 组合结构体育场馆，结合了 钢结构和混凝土结构，创造 了震撼人心的设计效果。
《钢混凝土组合结构》 PPT课件
这份PPT课件将介绍钢混凝土组合结构的定义、构成、优点、应用领域、设 计原则以及一些经典案例分析。让我们一起探索它的魅力吧！
概述
钢混凝土组合结构，简称组合结构，是一种结构工程技术，结合了钢结构和混凝土结构的优点，用于建筑物的 承重和支撑。
组合结构的定义
组合结构是指由钢结构和混凝土结构两种材料组合而成的复合结构，它们共 同作用，充分发挥各自的优点，以达到更好的工程效果。
组合结构可满足大跨度和 高层建筑的需求，灵活且 可扩展。
混凝土结构具有优秀的耐 火性能，能够提供建筑物 的消防安全。
Hale Waihona Puke 组合结构的应用领域桥梁
组合结构广泛应用于大跨度桥梁 的设计和建造，具有出色的承载 能力和耐久性。
摩天大楼
组合结构在摩天大楼中得到广泛 应用，可满足高层建筑的需求， 并提供优异的抗震性能。
体育场馆
组合结构在体育场馆中得到广泛 应用，可实现大空间、大跨度的 结构设计。
组合结构的设计原则
1
结构优化
通过结构优化设计，实现材料的最佳组合，提高结构的性能和效益。
2
设计协调
钢结构和混凝土结构的设计需要相互协调，确保二者的紧密衔接和协同工作。
3

• 取受压区混凝土的应力分布为等效矩形应力图， 型钢的应力图按全塑性假定简化为双矩形应力图， 同时又考虑到其误差，计算中型钢的设计强度乘 以折减系数（0.9）。
第二节 型钢混凝土框架梁
30
2、正截面受弯承载力 2.3 以平截面假定为基础的计算方法： （1）基本假定： 1）截面应变分布符合平截面假定，型钢与混凝土之
14
• 优点：
第一节 一般要求和结构的整体作用
1）含钢率不受限制，承载力高，刚度大
可以减小构件截面，增加建筑物使用面 积和楼层高度；
与钢结构框架相比，节省钢材50％
2）结构可以二次受力
施工阶段的第一阶段荷载
与硬化混凝土共同承担使用荷载
可以有效减小梁的变形和裂缝宽度。
第一节 一般要求和结构的整体作用 15
6
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。
7
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
• 仍可以假定梁截面中型钢与混凝土的应变符 合平截面假定。
第二节 型钢混凝土框架梁
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2、正截面受弯承载力 2.1 梁的受弯性能： • 型钢偏置:
▫ 交界面处可能发生相对滑移 ▫ 接近破坏时交界面附近将产生较大的纵向裂缝 ▫ 混凝土压碎高度较大，延性较差 ▫ 应设置足够数量的抗剪连接件。

振动台试验原理
中国建筑科学研究院振动台参数
台面尺寸 最大载重量
6×6 m 60 t (600kN)
最大位移
± 150 mm （横向），±250 mm（纵向），±100 mm（竖向）
最大速度
±1000mm/s（横向），±1250mm/s（纵向），±800mm/s（竖向）
最大满载加速度
最大倾覆力矩 最大偏心
2、原理：从试件上各测点所测到的加速度响应时程 信号经积分变换获得相对振动台台面运动的位移响 应时程和相对下层测点的层间位移响应时程。由振 动台台面的加速度测点，所获得位移时程为振动台 台面的绝对位移，其它位移均为层间相对位移
钢混组合结构抗震性能试验课件
动力特性
方向
阶数
实测周 期（s）
计算周期（s）
g g
0.6 0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
-1 -1.2
0
man made w ave
5
10
15
20
25
30
35
40
45
second
人工 波
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
-1 0
El centro
5
10
15
20
25
30
35
40
• 加速度
Y
12
-0.4176
11
-0.3394
0.3810 0.3141
二阶 0.1885 0.1753 0.1686 楼层10 9 8
-0.2866 -0.2548 -0.2328
0.2947 0.2875 0.2302

第二章 钢－混凝土组合梁
71年欧洲成立组合结构委员会； 81年制定了组合结构规范。 钢－混凝土组合梁在我国的应用从建国初期就开始了。 60年代开始，组合结构被推广应用到民用建筑。 70年代末，北京、上海等地建造的高层、超高层建筑中，都采 用过组合梁楼盖。 91年南浦大桥和93年杨浦大桥，加劲梁采用钢－混凝土组合梁 结构。
代入材料力学公式求得的应力是钢截面应力；砼翼板的真实应力为
同一点假想钢截面应力的 1 / nE 倍。
第二章 钢－混凝土组合梁
3. 短期荷载效应（永久作用+可变频遇值）设计时组合梁换算截 面的几何特征值
换算截面几何特征值，应按换算截面重心轴位于砼翼板下及翼板 内两种情况分别计算。
第二章 钢－混凝土组合梁
第二章 钢－混凝土组合梁
二、组合梁的换算截面 1. 组合梁桥面板的有效宽度
弯曲变形时，翼板纵向压应力沿宽度分布不均匀。设计中把砼翼板参 与钢梁工作的宽度限制在一定范围，称为翼板的计算宽度。 计算宽度范围内的压应力假定是均匀分布。理论上与钢筋砼梁的计算 宽度是一致的。
第二章 钢－混凝土组合梁
混凝土板计算宽度采用下列三种 宽度中的最小者： 1）梁计算跨径的1/3； 2）相邻两梁轴线间的距离S； 3）承托的宽度（如无承托时，则 为钢梁上翼板宽度）加12倍的板 厚，即 b1 12hd 。
钢管桁架腹杆 节点的构造
组合桁架桥—钢桁梁(无上弦杆)+混凝土桥面板
Vaihingen Viadukt桥(德国)
节点的构造
组合桁架桥—钢桁梁(有上弦杆)+混凝土桥面板
Lully高架桥 (瑞士) 29.93m+21×42.75m+29.93m
组合桁架桥—钢桁架梁(有上弦杆)+混凝土桥面板

长，荷载－变形曲线基 本呈水平趋势发展，此
时组合梁的工作已进入
塑性工作阶段。
35
1 组合梁正截面受力性能
图3 组合梁截面实测应变图
36
2 组合梁交接面的滑移特征
37
2 组合梁交接面的滑移特征
2、影响组合梁交接面上滑移的因素 （ 1 ）由图4 可以看出，在荷载作用初期，荷载－ 滑移曲线明显呈线性关系，当荷载达到极限荷载的 70%时，滑移增长速度明显大于荷载的增长速度。 （2）连接件的刚度对滑移分布有着重要的影响。 （3）混凝土的强度对组合梁交接面上滑移有一定 的影响。
2.3 主、次梁的连接
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§ 3 组合梁试验结果分析
1 组合梁正截面受力性能 由试验结果知；从加荷到破坏，组合梁 正截面经历弹性、弹塑性和塑性三个受力阶 段，见图1
塑性 弹塑性 A 弹性
B
30
31
简支组合梁破坏形态
32
连续组合梁破坏形态
33
1
1、弹性阶段
组合梁正截面受力性能
在荷载作用初期，组合梁整体工作性能良好，荷载－变形曲 线基本上呈线性增长，当荷载达极限荷载的50%左右时，钢梁的 下翼缘开始屈服，而钢梁其它部分还有还处于弹性工作状态
从而使这两种不同性能的材料得到合理的利用。
7
1.1 钢-混凝土组合梁的组成
钢与混凝土组合梁截面由钢梁、翼板 ( 或加 板托）和抗剪连接件等组成，见图1.1。
8
9
1、翼缘板
（1）现浇钢筋混凝土翼缘板，见图1.2
10
（2）预制钢筋混凝土翼缘板，见图1.3
11
（3）压型钢板翼缘板（见图1.4）
12
25
3、混凝土板的有效宽度
26

• 1.4.2倾斜型预压式钢-混结合段设计 • 本桥设计中采用内法兰预压式实现钢塔与混凝土塔座连接的方案 。钢架塔A段与塔座间采用施加高强螺栓预压力和设置钢混连接段的 模式进行。连接时，首先进行刚架塔A段与塔座预埋钢板的连接，采 用连接螺母接长高强螺栓后，浇筑刚架塔内钢混段混凝土，最后在钢 混段顶锚固板进行接长高强螺杆的紧固。高强螺栓和螺杆均为 10.9SM24高强螺栓和螺杆，设计预紧力为225kN，均采用定扭矩扳手 施工。
• 3.1材料本构关系及屈服准则 • 3.1.1钢的本构关系及屈服准则 • 对于Q235钢、Q345钢等土木工程中常用的低碳钢，钢材的应力应变（σ-ε）关系曲线一般可分为弹性阶段（oa）、弹塑性阶段（ab） 、塑性阶段（bc）、强化阶段（cd）和二次塑流（de）等五个阶段。 钢材实际应力-应变关系曲线如图所示。
• 1.5研究现状及存在问题 • 随着社会的发展，科技的进步，桥梁造型变化日新月异，混合结 构不光运用于大跨径斜拉桥、梁桥和拱桥建设中。为了达到优美而独 特的环境效果，大量设计新颖的结构形式不断涌现。尽管现代计算理 论方法已经能够分析桥梁结构复杂的应力问题，但是计算结果与实际 结果存在一定的差异。 • 目前，国内外对钢-混结合段研究的文献资料大多数是针对混合 梁斜拉桥和梁桥进行的，其结合部位的结构构造、应力分布以及传力 机制与三角刚架悬吊连续梁桥有着很大的不同，难以直接推广运用， 只能用作设计的参考和借鉴。尤其是本项目采用内法兰预压式实现钢 塔与混凝土塔座连接的方案，并且采用预压高强螺栓进行连接。因此 需要对其受力性能做出综合分析，并对其合理性做出研究。 • 1.6本文所研究内容 • 1、钢-混凝土结合段结构设计计算方法； • 2、钢-混凝土结合段钢与混凝土的传力机制； • 3、钢-混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形； • 4、钢-混凝土结合段承载能力及破坏模式；