钢混组合结构 型钢混凝土梁.pptx
1从设计角度从设计角度依据建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）冶金部行业标准钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97）平截面假定基础上的平截面假定基础上的极限平衡法极限平衡法一般叠加法、简单叠加法一般叠加法、简单叠加法第第5 5章章 型钢混凝土型钢混凝土梁梁 方法一方法一方法二方法二第1页/共85页2钢混凝土组合结构钢混凝土组合结构涉及的主要规范涉及的主要规范 钢结构设计规范GB50017-2003 钢混钢混凝土组合凝土组合结构结构 钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28：90 圆圆 矩形钢管混凝土结构设计与施工规程CECS159：2004 方方 梁 板 柱 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001钢骨混凝土结构设计规程YB9082-97钢混凝土组合结构设计规范DL/T5085-1999钢混凝土组合结构楼盖设计与施工规程YB9238-92钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-2006 CECS 230-2008 高层建筑钢混凝土混合结构设计规程型钢混凝土型钢混凝土梁梁 第2页/共85页3型钢混凝土组合梁型钢混凝土组合梁设计内容设计内容设计内容方法一方法二平截面假定基础上的极限平衡法正截面抗弯斜截面抗剪挠度验算裂缝宽度验算一般叠加法、简单叠加法（JGJ138-2001）（YB9082-97）（YB9082-2006）对应标准混凝土梁的理论第3页/共85页4 型钢混凝土梁是在混凝土中主要配置轧制或焊接的型钢，其次配有适量的纵筋和箍筋。这种结构形式的梁，我们把它称为型钢混凝土梁。5.1 概 述 第4页/共85页5第5页/共85页6 型钢混凝土梁配置的型钢形式分为实腹式型钢和空腹式型钢两大类。见图5.1，本章主要介绍实腹式型钢梁。由于在混凝土中配置了型钢，型钢混凝土梁的承载力，刚度大大提高，因而大大减小了梁的截面尺寸，增加了房间净空，即降低了房屋的层高与总高度，使其更适用于大跨，高层及超高层建筑中。型钢混凝土梁不仅强度高，刚度大，而且有良好的延性和耗能性能，尤其适合于抗震区的建筑。5.1 5.1 概 述第6页/共85页7 1.含钢率 含钢率是指型钢混凝土梁内的型钢截面面积与梁全截面面积的比值。梁中的型钢含钢率宜大于4%，较为合理的含钢率为5%8%。2.型钢的级别、形式及保护层厚度 型钢混凝土梁中的型钢宜采用Q235或Q345钢 5.2 5.2 型钢混凝土梁的构造要求第7页/共85页8 (1)(1)钢混凝土梁中型钢的型式宜采用对称截面的、充满型、宽翼缘的实腹式型钢。充满型是指型钢受压翼缘位于梁截面的受压区内，受拉翼缘位于梁截面的受拉翼缘内。(2)(2)型钢可采用轧制的或由钢板焊成的工字型钢或H型钢，见图a；为了便于剪力墙竖向钢筋或管道的通过也可采用双槽钢连接而成的截面形式，见图b 第8页/共85页9(3)(3)实腹式型钢的翼缘和腹板宽厚比限值：表(4)4)型钢混凝土梁内的型钢板件(钢板)厚度不宜小于6 6 (5)5)型钢混凝土梁的保护层厚度不宜小于100100第9页/共85页101.型钢上设置的抗剪连接件,宜采用栓钉,不得采用短钢筋代替栓钉.2.型钢混凝土梁中需要设置栓钉的部位,可按弹性方法,计算型钢翼缘外表面处的剪应力,相应于该剪应力的剪力,全部由栓钉承担.3.栓钉应符合国家标准GB10433圆柱头焊钉的规定4.型钢上设置的抗剪栓钉直径规格，宜选用19，或22，其长度不宜小于4倍栓钉直径。5.栓钉的间距不宜小于6倍的栓钉直径。第10页/共85页111 1.型钢混凝土梁中的纵向受力钢筋宜采用HRB335HRB335与HRB400HRB400级热轧钢 筋。2 2.纵向受拉钢筋的配筋率宜大于0.3%0.3%。3 3.梁的受拉侧和受压侧纵向钢筋配置均不宜超过两排，且第二排只能在梁的两侧设置钢筋，以免影响梁底部混凝土浇筑的密实性 4 4.直径不宜小于1616，间距不应大于200200,纵筋以及与型钢骨架之间的净距不应小于3030,和1.51.5d d（d d为钢筋的最大直径）。5 5.梁的截面高度hw450hw450时，应在梁的两侧面，沿高度每隔200200设置一根直径不小于1010的纵向钢筋，且腰筋与型钢之间宜配置拉结钢筋，以增强钢筋骨架对混凝土的约束作用，并防止因混凝土收缩引起的梁侧面裂缝。纵向受力钢筋第11页/共85页121.梁端第一肢箍筋应设置在距柱边不大于50处，非加密区的箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。2.在梁的箍筋加密区段内，宜配置复合箍筋，且符合国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2010的规定。3.箍筋加密区长度，箍筋最大间距和箍筋最小直径应满足表的要求。第12页/共85页134.箍筋的配箍率满足如下要求：非抗震设计：svsv=0.24f=0.24ft t/f/fyvyv 抗震设计：对于抗震等级为一级时，svsv0.30 0.30 f ft t/f/fyvyv 对于抗震等级为二极时，sv sv 0.28 0.28 f ft t/f/fyvyv 对于抗震等级为三级时，svsv0.26 0.26 f ft t/f/fy y 第13页/共85页14 1.型钢混凝土梁的截面宽度不应小于300mm，主要是为了浇筑混凝土方便。2.为了确保梁的抗扭和侧向稳定，梁截面高度不宜大于其截面宽度的4倍，且不宜大于梁净跨的1/4。混凝土强度等级 型钢混凝土梁混凝土强度等级不宜低于C30。第14页/共85页15在oa段弹性阶段，M-f曲线为直线；在abab段，首先在纯弯段开始出现裂缝；大约加载到极限荷载的50%左时，裂缝基本上出齐，该阶段中的型钢和纵向受拉钢筋的受力仍处于弹性阶段5.3 5.3 型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算第15页/共85页16bc段：此时截面刚度大大降低，M-f曲线明显弯曲。继续加载到极限荷载80%时，型钢受压翼缘出现水平粘结裂缝，型钢上翼缘达到受压屈服，仅有腹板中部的一部分截面尚处于弹性受力状态。此时梁的截面刚度已很小，受压区混凝土的应力发展显著加快，M-f曲线接近水平线。第16页/共85页17cd段：当荷载加到极限荷载时，断续的水平粘结裂缝贯通，受压区混凝土保护层剥落，受压区混凝土被压碎，型钢混凝土梁宣告破坏。de段：此阶段梁的受弯承载力主要依靠型钢维持，变形可以持续发展很长一段时间，延性性能比钢筋混凝土梁好。第17页/共85页18 通过实验发现，型钢混凝土梁达到最大承载力之前，梁中的型钢截面的应变分布与混凝土截面的应变分布基本上协调一致，中和轴重合，且接近于直线分布 结果表明，型钢与混凝土的粘结作用在受到最大荷载之前一般不会破坏。二者能够很好的共同作用，因此，可假定型钢混凝土梁中型钢与混凝土的应变符合平截面假定。试验研究分析第18页/共85页191.型钢混凝土梁正截面承载力计计算算方方法法一一（平截面假定基础上的极限平衡法）对于配置充满型、实腹式型钢混凝土梁，其正截面受弯承载力计算，其行业标准JGJ1382001型钢混凝土组合结构技术规程给出了如下计算方法。型钢混凝土梁正截面承载力计算第19页/共85页20(1)基本假定 1）截面应变保持平面 2）不考虑混凝土的抗拉强度 3）受压边缘混凝土极限压应变cucu取0.0030.003，相应的最大应力取混凝土轴心抗压强度设计值1 1f fc c 。4 4）受压区混凝土的应力图形简化为等效矩形，其高度取按平截面假定的中和轴高度乘以系数1 1 。5 5）型钢腹板的拉压应力图形均为梯形。在设计计算时，简化为等效的矩形应力图形。第20页/共85页21 6）纵向钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于设计值。受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变susu取0.010.01（2 2）计算原则 把型钢翼缘作为纵向受力钢筋的一部分，并在下面的平衡方程式中分别增加了型钢腹板受弯承载力项MawMaw和型钢腹板轴向力承载项NawNaw的确定，它是通过对型钢腹板应力分布积分，再做一定的简化求出来的。第21页/共85页22（3 3）承载力计算 1 1）计算简图 型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算简图见下图 第22页/共85页232）计算公式当 ，时 第23页/共85页24式中 -相对受压区高度 -相对界限受压区高度 -分别为型钢腹板的上端、下端至梁截面混凝土受压区上边缘距离与的比值；-型钢腹板承受的轴向合力 -型钢腹板承受的轴向合力对于型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的距；第24页/共85页253)3)公式适用条件 为了保证型钢混凝土梁发生破坏时，先是型钢下翼缘和纵向受拉钢筋屈服，然后受压区混凝土被压碎，具有良好的塑性变形性能。截面受压区高度应满足：为了保证型钢混凝土梁的型钢上翼缘和纵向受压钢筋在破坏前达到屈服；截面受压区高度应满足：第25页/共85页26 值可按平截面假定推导出：2 2型钢混凝土梁正截面承载力计计算算方方法法二二（叠加法、简单叠加法）对于型钢混凝土梁正截面受弯承载力验算，行业标准YB9082-97YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程给出了如下计算方法。第26页/共85页27（1 1）一般叠加计算方法 1 1）表达式 对于型钢混凝土梁正截面承载力计算的一般叠加法的表达式为：式中 钢骨混凝土梁的弯矩设计值；梁中钢骨部分的受弯承载力及钢筋混凝土部分的受弯承载力 第27页/共85页28 2）计算步骤 需要通过多次试算，才能取得正确结果。（2）简单叠加法 对于钢骨为双轴对称的充满型实腹型钢，即钢骨截面形心与钢筋混凝土截面的形心重合时，如图，型钢混凝土梁的正截面受弯承载力可按下列方法计算。第28页/共85页29第29页/共85页301）计算公式式中 型钢混凝土梁弯矩设计值。梁内钢骨部分的受弯承载力；梁内钢筋混凝土部分的受弯承载力；2）钢骨的受弯承载力 型钢混凝土梁内钢骨的受弯承载力Mssby，按下式计算：第30页/共85页31式中 钢骨截面的弹性抵抗矩；钢骨截面塑性发展系数，对工字形截面的钢骨 钢骨材料的抗压、抗拉强度设计值；3 3）钢筋混凝土部分受弯承载力 a.型钢混凝土梁的钢筋混凝土部分，见图，其受弯承载力按下列公式计算：第31页/共85页32 第32页/共85页33b.型钢混凝土梁钢筋混凝土部分受压区高度x，应符合下列要求：梁截面的有效高度，即受拉钢筋截面面积形心到梁截面受压区外边缘的距离；梁截面混凝土受压区扣除其中钢骨截面面积后的等效宽度。第33页/共85页34 对于钢骨为充满型、非对称、实腹型的型钢混凝土梁，即梁受压区的钢骨翼缘宽度小于梁受拉区的钢骨翼缘宽度，其正截面承载力仍可按简单叠加法关于对称截面钢骨的计算方法。只不过此时可将受拉翼缘大于受压翼缘的钢骨截面面积，作为型钢梁钢筋混凝土部分的外加受拉钢筋就行。正截面承载力计算第34页/共85页35 第35页/共85页363.3.几种计算方法结果的比较(1)(1)一般叠加法的计算结果，与理论计算方法（平截面假定基础上极限平衡法）吻合较好，但多数情况下计算结果偏于安全。上述两种方法的计算过程均比较繁琐。（2 2）简单叠加法与一般叠加法相比较，计算过程简单，但计算结果偏于保守。对于钢骨为对称配置的情况，简单叠加法与一般叠加法计算结果相差不是太大。第36页/共85页37 例题例题5-15-1 某型钢混凝土梁截面尺寸为,混凝土强度等级 型钢采用 钢，其型号为热轧型 钢 纵向钢筋 梁支座承受的负弯矩为 第37页/共85页38解1.型钢截面的受弯承载力 2.钢筋混凝土部分的弯距设计值 第38页/共85页39 3.3.截面的有效高度 假定采用4 4根钢筋，两排布置，即也可采用 4.4.求纵向受拉钢筋 为计算方便，可不考虑受压区钢筋，若要考虑，就要按构造要求假定受压钢筋的根数，第39页/共85页40 直径和面积。或者是梁跨中的受力钢筋伸入支座后，把它看成受压钢筋.第40页/共85页41选用 4 d18 5.假定此题目已配两根受压钢筋，直径为,再在梁侧面各配置 根的构造钢筋，见图。例5-2 同例题5-1，用平截面假定的极限平衡法确定梁 的纵筋，见图。解 为方便计算，不考虑受压区所配置的受压钢筋，即取为零。1.计算界限相对受压区高度 第41页/共85页422.有效高度 由于1 根18，2根18，第42页/共85页43则 也可采用近似方法直接求；第43页/共85页44 由于型钢翼缘的截面面积较大，就认为受拉区的形心在受拉翼缘截面形心处。3.3.判别 假定 第44页/共85页45则 由平衡方程 及 第45页/共85页46解之得 第46页/共85页47故假定成立 又 符合条件 第47页/共85页48由平衡方程由于解之得 按构造要求，选用直径不低于1616的钢筋4根通过对例题5-1和例题5-2的分析。用平截面假定基础上的极限平衡法计算比较复杂（并且还先假定了为零）但能较好反映钢材与混凝土的共同工作能力。简单叠加法计算简单，但用钢量增加。第48页/共85页49 试验研究表明，实腹式型钢梁斜截面的破坏与钢筋混凝土梁的斜截面破坏还是有较大差别的。根据其剪切破坏的形态不同分为三种类型：斜压破坏、剪压破坏和剪切粘结5.4 5.4 型钢混凝土梁斜截面抗剪承载力计算第49页/共85页50（a）斜压破坏 (b)剪压破坏 (c)剪切粘结破坏1.斜压破坏 发生条件：破坏特征：当加载至混凝土开裂后，型钢的腹板承担着斜裂缝截面上混凝土转移过来的剪应力，同时，对混凝土拉、压变形起到有效的约束作用。第50页/共85页51所以，混凝土的斜压短柱不可能在型钢屈服前达到极限压应变而压碎。只有在型钢屈服后，这种约束作用才丧失，抗剪能力不断下降变形增大，最后，因混凝土斜压短柱被压碎而宣告梁破坏，见图（a）。2.剪压破坏 发生条件：，且梁的含钢率较小时的情况下，发生剪压破坏 第51页/共85页52破坏特征：首先出现垂直的弯曲裂缝。随着荷载的继续增加，剪跨区段的弯曲裂缝发展到型钢翼缘处，由于受到刚度较大的型钢约束，裂缝发展缓慢，当荷载进一步增大时，剪力也不断增大，梁腹部在剪应力和弯曲应力共同作用下产生的主拉应力，使垂直弯曲裂缝发展为弯剪斜裂缝，并指向加载点。此时，斜裂缝处的混凝土退出工作，主拉应力由型钢来承担。当接近极限荷载时，型钢发生剪切屈服，与斜裂缝相交的箍筋也屈服，剪压区的混凝土达到弯剪复合应力作用下的强度被压碎而宣告破坏，见图（b）第52页/共85页533.剪切粘结破坏 当配箍较少且剪跨比较大时的情况下，发生剪切粘结破坏。型钢与混凝土的粘结力要比钢筋与混凝土的粘结力差的多，因此，在剪跨比较大情况下，当荷载加到一定值时，型钢上、下翼缘附近产生劈裂裂缝，并沿型钢翼缘水平方向发展，最终导致混凝土保护层剥落。型钢混凝土梁宣告破坏。见图（c）。第53页/共85页54 影响型钢混凝土梁斜截面承载力的主要因素有：剪跨比、型钢腹板的含钢率及型钢强度、配箍率及箍筋强度、型钢翼缘宽度与梁宽度之比以及混凝土的强度等级。除此之外还有加载方式，型钢混凝土保护层厚度等。1.1.剪跨比 当梁发生斜压破坏。规程一般是通过控制型钢混凝土梁的截面尺寸来防止。影响型钢混凝土梁斜截面承载力的主要因素第54页/共85页55 斜截面发生剪压破坏。规程一般是通过受剪承载力的验算来防止。若混凝土保护层厚度较小或者箍筋配置不足，也发生剪切粘结破坏，规程一般是通过减小箍筋间距和肢距来防止。的承载力往往是由弯曲应力控制，发生的破坏为弯曲破坏。剪跨比的大小对型钢混凝土梁斜截面受剪承载力大小的影响见图。即受剪承载力随着剪跨比的增加而降低。第55页/共85页56第56页/共85页572.型钢腹板的含钢率及型钢的强度 第57页/共85页583.配箍率及配箍强度 4.4.型钢翼缘宽度与梁宽度的比值（宽度比）5.5.混凝土强度等级 一般地说，随着混凝土强度等级的提高，型钢混凝土梁的斜截面抗剪能力提高。第58页/共85页591.型钢混凝土梁斜截面抗剪能力计算方法一 对于配置充满型、实腹式型钢混凝土梁，其 斜 截 面 受 剪 承 载 力 计 算，其 行 业 标 准JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程给出了如下计算方法：斜截面抗剪能力计算第59页/共85页60(1).承载力计算方法 表达式为 1)1)混凝土部分的受剪承载力可表示为：2)2)与斜裂缝相交的箍筋承担的受剪承载力可表示为：第60页/共85页61 -是与荷载作用形式及剪跨比大小有关的系数；当荷载为均布荷载时，取0.08，取1.0。第61页/共85页62(2).(2).型钢部分的受剪承载力 在均布荷载作用下，型钢混凝土两抗剪达到极限状态时，型钢腹板的应力，基本上可取型钢纯剪状态时的剪切屈服强度则 在集中荷载作用下，型钢的抗剪能力随着剪跨比的增加而降低见图。其腹板的抗剪强度为：第62页/共85页63则 第63页/共85页64(3)(3)承载力计算公式均布荷载作用下：集中荷载作用下：(4)计算公式及适用条件第64页/共85页652.2.型钢混凝土梁斜截面抗剪能力计算方法二计算方法二 对于型钢混凝土梁斜截面抗剪，行业标准YB9082YB90829797钢骨混凝土结构设计规程给出了如下强度验算公式(1).(1).计算公式 第65页/共85页66（2 2）梁中钢骨受剪承载力 (3).(3).梁中钢筋混凝土部分抗剪承载力按下式计算对于均布荷载作用下的矩形、T T形和工形截面梁对于集中荷载作用下的各种截面梁(4).公式适用范围 第66页/共85页67 1.1.对于型钢混凝土梁在正常使用极限状态下的挠度，可根据梁的刚度，采用结构力学的计算方法。2.2.计算等截面梁挠度时，可假定型钢梁的各同号弯矩区段内的刚度相等，其值取各区段内最大弯矩处截面的刚度。5.5 型钢混凝土梁的挠度验算第67页/共85页683.3.梁的挠度应按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响的截面刚度B B进行计算。4.4.若使用上允许型钢混凝土梁在生产制作时预先起烘，检验梁的挠度时，可将计算所得的挠度值减去施工时的起拱值。第68页/共85页691.计算方法（一）(1）计算结果表明，符合平截面假定，梁截面的抗弯刚度可采用钢筋混凝土梁截面的抗弯刚度与型钢截面抗弯刚度叠加的原则来计算。在型钢梁的刚度计算公式中，需要考虑荷载长期作用对挠度影响的增大系数(3(3）行业标准JGJ138-2001JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程规定，当型钢混凝土梁的纵向受拉钢筋配筋率为0.3%0.3%1.51.5时，其荷载效应的标准组合和长期作用影响下的短期刚度和刚度，分别按下式计算：第69页/共85页702.2.计算方法（二）对于钢骨（型钢）截面为对称配置的钢骨（型钢）混凝土梁，行业标准YB9082YB90829797钢骨混凝土结构设计规程给出了如下计算公式。第70页/共85页71(1(1）短期抗弯刚度 第71页/共85页725.6 型钢混凝土梁的裂缝验算 型钢混凝土梁的裂缝开展机理，基本上与钢筋混凝土梁类似，但同时要考虑纵向受拉钢筋，型钢受拉翼缘和型钢部分腹板对受拉区混凝土开裂的影响。试验表明：一般型钢混凝土梁当荷载加到极限荷载的1520%时，首先在纯弯段(当然此段弯矩最大)出现裂缝;当荷载加到极限荷载50%左右时，裂缝基本稳定。受拉钢筋应变是影响梁裂缝宽度的主要因素，裂缝宽度的限值应以受拉钢筋高度的裂缝宽度为准。第72页/共85页73 型钢混凝土梁最大裂缝宽度限值，应按荷载标准组合并考虑荷载长期作用影响，使其不超过表5.6.1中规定的限值。第73页/共85页745.6.1 裂缝宽度计算方法（一）行业标准型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ 138-2001)第74页/共85页75式中：第75页/共85页765.6.1 裂缝宽度计算方法（二）行业标准钢骨混凝土结构设计规程(YB 9082-97)1.型钢混凝土梁可能发生的最大裂缝宽度，是根据型钢混凝土梁钢筋混凝土部分所承担的弯矩 ，按钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算，且最大裂缝宽度不超过现行国家标准混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)的规定。此时，将钢骨(型钢)的受拉翼缘作为附加受拉钢筋，以考虑其对裂缝间距的影响。第76页/共85页77 2.对于对称配置的钢骨(型钢)混凝土梁，考虑荷载长期作用 影响及裂缝分布的不均匀性，梁的最大裂缝宽度Wmax按下列公式计算:第77页/共85页78式中：第78页/共85页79本章小结从设计角度从设计角度第79页/共85页80其其 中：中：第80页/共85页81钢混凝土组合梁梁的分类梁钢包混凝土钢包混凝土混凝土包钢混凝土包钢型钢混型钢混凝土凝土拉区拉区钢钢压区压区混凝土混凝土本本章章内内容容本章小结第81页/共85页82从设计角度从设计角度依据建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）冶金部行业标准钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97）方法一方法一平截面假定基础上的平截面假定基础上的极限平衡法极限平衡法方法二方法二一般叠加法、简单叠加法一般叠加法、简单叠加法本章小结第82页/共85页83钢混凝土组合结构钢混凝土组合结构涉及的主要规范涉及的主要规范 钢结构设计规范GB50017-2003 钢混钢混凝土组合凝土组合结构结构 钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28：90 圆圆 矩形钢管混凝土结构设计与施工规程CECS159：2004 方方 梁 板 柱 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001钢骨混凝土结构设计规程YB9082-97钢混凝土组合结构设计规范DL/T5085-1999钢混凝土组合结构楼盖设计与施工规程YB9238-92钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-2006 CECS 230-2008 高层建筑钢混凝土混合结构设计规程型钢混凝土型钢混凝土梁梁 第83页/共85页84型钢混凝土组合梁型钢混凝土组合梁设计内容设计内容设计内容方法一方法二平截面假定基础上的极限平衡法正截面抗弯斜截面抗剪挠度验算裂缝宽度验算一般叠加法、简单叠加法（JGJ138-2001）（YB9082-97）（YB9082-2006）对应标准第84页/共85页85感谢您的观看。第85页/共85页
