鋼筋混凝土組合結構第一節(jié)

鋼-混凝土組合結構概論預制鋼筋混凝土板組合樓蓋其連接構造如圖1.1.2所示，預制混凝土板支承于鋼梁上。為了抵抗混凝土板和鋼梁之間的縱向剪力，在鋼梁上應焊有抗剪連接件，在板的邊緣應有槽口以便連接件穿過，用細石混凝土澆灌槽口與板間縫隙，并采取措施保證板與鋼梁以及板與板之間的可靠連接。這類組合樓蓋的缺點是傳遞水平力的能力較差，樓板施工時影響鋼結構的吊裝。鋼-混凝土疊合板樓蓋混凝土疊合板翼緣由預制板和后澆混凝土層構成，預制板既作為模板，又作為樓板的一部分參與樓蓋受力。圖1.1.3為采用混凝土疊合板的組合屋面梁。近年來，鋼-混凝土疊合板組合樓蓋結構成功地應用于火力發(fā)電廠主廠房等工程，技術經(jīng)濟效益和社會效益比較顯著。壓型鋼板-混凝土板組合樓蓋壓型鋼板-混凝土板組合樓蓋由壓型鋼板-混凝土板、抗剪連接件和鋼梁三部分組成，如圖1.1.4所示?？辜暨B接件承受混凝土樓板和鋼梁交界面的縱向剪力，抵抗相對滑移，以保證二者共同工作。這種樓蓋主要應用于高層鋼結構建筑中，結構性能較好，綜合經(jīng)濟效益優(yōu)于其他組合樓蓋。外包鋼混凝土組合結構

外包鋼混凝土結構是指外部配鋼的鋼筋混凝土結構，簡稱外包鋼結構。應用較多的是四角配置角鋼的鋼筋混凝土結構，角鋼的外表面與混凝土表面取平或稍突出表面0.5-1.5mm。橫向箍筋與角鋼焊接成骨架，為了滿足箍筋保護層的要求，可將箍筋兩端墩成球狀再與角鋼內(nèi)側(cè)焊接。組合結構中鋼材與混凝土材料的共同工作機理，是由二者之間的粘結力、抗剪連接件及鋼材對混凝土的約束作用實現(xiàn)的。壓型鋼板與混凝土組合樓板的共同工作，主要依靠鋼板上壓制的齒槽、穿過壓型鋼板焊在鋼梁上的抗剪連接件或焊在壓型鋼板端部的橫向鋼筋的作用。鋼-混凝土組合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪連接件形成。所以，抗剪連接件設計是工程關鍵之一，計算和構造都應滿足規(guī)定的要求。型鋼混凝土結構的共同工作則主要依靠箍筋的約束作用，有時也設置抗剪連接件。鋼管混凝土結構的共同工作主要依靠鋼管與混凝土的相互約束、層間橫隔板等形成。二.組合結構的共同工作

第二節(jié)鋼-混凝土組合板

一、組合梁板的基本原理非組合梁。由混凝土板和鋼梁組成的樓蓋結構中，若二者交界面處沒有連接措施，則在豎向荷載作用下，混凝土板截面和鋼梁截面的彎曲變形相互獨，各自有中和軸。若忽略摩擦力，交界面上僅有豎向壓力，二者之間必定發(fā)生相對水平滑移錯動。所以，其受彎承載力M=M1+M2

組合梁。如果在鋼梁上翼緣設置足夠的抗剪連接件并伸入混凝土板形成整體，阻止板和鋼梁之間的相對滑移，使二者的彎曲變形協(xié)調(diào)，共同承擔荷載的作用，則稱為組合梁。在荷載作用下，組合梁截面僅有一個中和軸，混凝土板主要承受壓力，鋼梁主要承受拉力。與非組合梁相比，組合梁的中和軸高度和內(nèi)力臂增大，其受彎承載力顯著提高。組合梁的截面高度大，因而剛度也大。

掀起作用。一般在板梁交界面上的豎向分布力為壓力。當荷載作用于鋼梁上時，交界面上豎向分布力為拉力，將引起板、梁的分離。組合梁中這種上下層分離的趨勢稱為掀起作用。由于掀起力遠小于交界面上的剪切力，而且抗剪連接件的形狀具有一定的抗掀起作用，在設計中一般不進行抗掀起計算。

二.完全抗剪連接和部分抗剪連接

根據(jù)抗剪連接件的布置、數(shù)量和受剪承載力，可把組合梁分為完全抗剪連接組合梁和部分抗剪連接組合梁兩類。完全抗剪連接：即使在梁產(chǎn)生彎曲破壞的最不利截面處再增加連接件的數(shù)量，梁的受彎承載力也不再增加時的抗剪連接設計。部分抗剪連接：抗剪連接件的數(shù)量少于完全抗剪連接所需要的數(shù)量時。在實際工程中，在滿足設計要求的情況下，采用部分抗剪連接可以取得較好的經(jīng)濟效益。三.壓型鋼板-混凝土組合板的優(yōu)點非組合板。若僅考慮把壓型鋼板作為澆注混凝土時的永久性模板使用，則壓型鋼板只需要滿足施工階段的承載力和變形要求。施工完成后，全部使用荷載由混凝土板承受。其設計方法與鋼筋混凝土板相同，對壓型鋼板的截面構造也無特殊要求。組合板。若壓型鋼板除在施工階段作為模板使用外，在使用階段還作為混凝土板的受力鋼筋或部分受力鋼筋，與混凝土共同工作承擔使用荷載。此時，為保證混凝土與壓型鋼板的共同工作，在壓型鋼板表面需設置抗剪齒槽或者采取開孔洞、焊接短鋼筋、橫向鋼筋等措施，以抵抗交界面的縱向剪力和豎向撳起力。此外，還要考慮對板的防火性能和耐久性能的要求。常見的壓型鋼板和混凝土的組合形式見圖。

組合板的總厚度不應小于90mm，壓型鋼板翼緣以上混凝土的厚度不應小于50mm。混凝土強度等級不宜低于C20，骨料尺寸不應大于0.4hc、壓型鋼板肋平均寬度的1/3和30mm三者中的較小值。組合板中應設置分布鋼筋網(wǎng)，以承受收縮和溫度應力，提高火災時的安全性，并起到分布集中荷載的作用。分布鋼筋兩個方向的配筋率均不宜少于0.002。在有較大集中荷地區(qū)段和開洞周圍應配置附加鋼筋。當防火等級較高時，可配置附加縱向受拉鋼筋。簡支板的支座上部應配置構造負彎矩鋼筋，以控制裂縫寬度。負彎矩鋼筋的配筋率不小于0.002，其截斷點距支承邊的長度不小于l/4（l為板的跨度），且每米不少于5根。懸臂板和連續(xù)板的支座負彎矩區(qū)段應配置縱向受拉鋼筋，其計算與一般鋼筋混凝土板相同，但要考慮截面中由于壓型鋼板有波槽在受壓區(qū)所形成的缺口。受壓區(qū)鋼板的受壓屈曲，計算時忽略不計。四.壓型鋼板-混凝土組合板的構造要求

組合板在鋼梁上的支承長度不應小于75mm，其中，壓型鋼板的支承長度不小于50mm，（圖

(a),(c)）。支承于混凝土構件上時，組合板的支承長度不應小于100mm，壓型鋼板的支承長度不應小于75mm（圖

(b),(d)）。連續(xù)板或搭接板在鋼梁上的最小支承長度為75mm，支承于混凝土構件上時則為100mm（圖

(e),(f)）。

壓型鋼板與鋼梁的連接采用圓柱頭栓釘，栓釘穿透壓型鋼板或?qū)摪宥瞬坷邏浩胶蠛附佑阡摿荷希▓D）。栓釘直徑一般為：板跨度l<3m時，取13-16mm；板跨l=3-6m時，取16-19mm。栓釘應高出壓型鋼板上翼緣35mm以上。組合板中，栓釘僅作為壓型鋼板與混凝土交界面上的抗剪能力儲備，不必計算。2.水平剪力的傳遞形式

依靠壓型鋼板的縱向波槽；依靠壓型鋼板上的壓痕、小洞或沖成的孔眼；依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋；設置于端部的錨固件，其中端部錨固件要求在任何情形下都應當設置。

3.組合樓板的設計

荷載：永久荷載和使用階段的可變荷載驗算內(nèi)容：強度和變形變形驗算的力學模型：單向彎曲簡支板承載力驗算的力學模型：按壓型鋼板上混凝土的厚薄確定計算模型驗算包括：正截面抗彎承載力、抗沖剪承載力和斜截面抗剪承載力適筋板和超筋板。隨彎矩的增大，組合板中壓型鋼板從受拉邊開始屈服，并發(fā)展到整個高度，然后受壓邊緣混凝土達到極限壓應變而壓碎破壞，這種板為適筋板。當板厚相對較小、含鋼率較大時，受壓區(qū)混凝土將先于鋼板屈服而達到極限壓應變，壓碎破壞，這種板為超筋板。有時超筋板難以避免，因為壓型鋼板的面積和尺寸選擇還取決于施工階段的受力情況。

相對界限受壓區(qū)高度和界限配筋率為：

一、組合梁的優(yōu)點當樓層采用鋼筋混凝土板和鋼梁時，宜按鋼-混凝土組合梁結構設計。鋼-混凝土組合梁是指通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連成整體的橫向承重構件。第三節(jié)

鋼-混凝土組合梁

鋼-混凝土組合梁的主要缺陷是鋼材易于銹蝕及防火性能不如鋼筋混凝土。解決鋼材銹蝕問題：①采用低合金鋼材，這種鋼材表面銹蝕后可形成保護層，阻斷銹蝕繼續(xù)向內(nèi)部發(fā)展；②采用高質(zhì)量的防銹蝕油漆。

二、鋼梁的截面形式組合梁中鋼梁的截面形式多樣，如圖所示。組合梁中鋼梁的截面形式

三、組合梁的構造要求

1.截面尺寸簡支組合梁的高跨比為1/18-1/12，一般取1/15?；炷涟搴裢ǔＨ〗孛娓叨鹊?/3左右，一般采用100mm，120mm，140mm，160mm；荷載特別大的平臺結構或橋梁結構的混凝土板厚可采用180mm，200mm甚至300mm。采用壓型鋼板的組合樓蓋中，壓型鋼板的凸肋頂面至混凝土板頂面的距離不小于50mm。鋼梁的截面高度ha不宜于截面總高度h的1/2.5。為保證組合梁腹板的局部穩(wěn)定性，可按《鋼結構設計規(guī)范》要求設置加勁肋。

組合梁邊梁混凝土翼緣板的構造應滿足圖示要求。有托板時，伸出長度不應小于hc2；無托板時，應同時滿足伸出鋼梁中心線不小于150mm、伸出鋼梁翼緣邊不小于50mm的要求。組合梁邊梁混凝土翼緣板的構造2．板托板托頂部的寬度與高度hc2之比應不小于1.5，且板托的高度不宜大于混凝土板厚度hc1的1.5倍；板托的外形應滿足圖所示的構造要求，板托邊緣距連接件外側(cè)的距離不得小于40mm，板托外表輪廓應在自連接件根部算起的45°仰角之外。3．主次梁連接平接連接方式;疊接連接方式

。

四、抗剪連接件抗抗剪連接件的形狀：既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。常用的抗剪連接件類型：栓釘、槽鋼、彎筋以及方鋼、T形鋼連接件等。宜優(yōu)先采用栓釘連接件，因其施工方便快速，受力性能好，單位承載力用鋼量最少。其次是槽鋼連接件。連接件的布置需注意與縱向剪力方向的關系，以有利于抵抗連接件被掀起，避免混凝土發(fā)生劈裂?？辜暨B接件剪力-滑移曲線。圖為栓釘、槽鋼、T形鋼連接件的剪力-滑移曲線。由圖可知，栓釘和槽鋼等連接件的剛度較小，變形能力較大，這類連接稱為柔性連接件；T形鋼連接件的剛度較大，變形能力較小，稱為剛性連接件，目前已很少采用。五.組合梁受彎承載力

組合梁設計的內(nèi)容應包括：受彎承載力計算、受剪承載力計算、抗剪連接件的數(shù)量和布置、混凝土翼緣板及其板托縱向界面受剪承載力計算、變形驗算、負彎矩區(qū)段內(nèi)混凝土翼緣板的最大裂縫寬度驗算以及構造設計。

1.組合梁正截面的受力性能從開始加荷到破壞，組合梁正截面經(jīng)歷彈性、彈塑性和塑性三個受力階段。組合梁的恒載—撓度曲線

加荷到破壞荷載90%以上時，混凝土翼緣板相對于鋼梁發(fā)生較大的掀起變形，連接件的水平變形較大。若橫向鋼筋不足，板頂面沿鋼梁軸線附近出現(xiàn)縱向裂縫（圖(a)），削弱了混凝土與鋼梁的共同工作，此時鋼梁的屈服范圍已發(fā)展到一定的高度，受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生塑性變形，撓度迅速增大，組合梁進入塑性階段，直到破壞（圖(b)）。

組合梁正截面受力的實測應變分布?？梢钥闯?，在鋼梁下翼緣達到屈服應變以前，截面應變分布基本上符合平截面假定。實測混凝土翼緣板相對于鋼梁的縱向水平滑移。表明，在鋼梁的下翼緣屈服以前，鋼梁與混凝土翼緣板之間的相對滑移較小，試驗表明，連接件的水平滑移對組合梁極限承載力的影響很小，計算承載力時可以忽略，但對變形的影響則不能忽略。而且縱向剪力在各連接件中產(chǎn)生重分布，使各連接件承愛的剪力超于均勻。

實測混凝土翼緣板沿梁長的掀起變形。在跨中加載點附近，掀起值很小；由跨中向支座延伸，掀起值不斷增大，約距支座處l0/10處（l0為計算跨度）為最大。六.組合梁縱向界面受剪承載力

混凝土翼緣板及其托板的縱向最不利受剪界面有兩種類型：一是穿過整個板厚的豎向受剪界面a-a；二是圍繞抗剪連接件周邊的受剪界面b-b（無板托）和c-c（有板托）。1.各種抗剪連接件的構造要求（1）栓釘連接件栓釘是采用自動栓釘焊接機焊接于鋼梁翼緣上的，各個方向具有相同的強度和剛度，不影響混凝土板中鋼筋的布置。栓釘連接件的公稱直徑有8mm，10mm，13mm，16mm，19mm及22mm，常用的為后四種。栓釘沿梁軸線方向的間距不應小于焊桿直徑的6倍；垂直于梁軸線方向的間距不應小于焊桿直徑的4倍。七.抗剪連接件設計（2）槽鋼連接件當栓釘?shù)目辜裟芰Σ粷M足要求或者不具備栓釘焊接設備時，可采用槽鋼連接件（圖）。槽鋼連接件一般采用Q235鋼軋制的[8、[10、[12等小型槽鋼，其長度不能超過鋼梁翼緣寬度減去50mm后的值。槽鋼連接件翼緣肢尖方向應與混凝土板中水平剪應力的方向一致，并僅在槽剛下翼緣根部和趾部（即垂直于鋼梁的方向）與鋼梁焊接，角焊尺寸根據(jù)計算確定，但不小于5mm。為減少鋼梁上翼緣的焊接變形，平行于鋼梁的方向不需施焊。

槽鋼連接件（3）彎筋連接件彎筋連接件一般采用直徑不小于12mm的HPB235級鋼筋，彎起角度宜為45°，彎折方向應與板中縱向水平剪應力的方向一致，并成對設置。沿梁軸線方向的間距不小于0.7hc1，（hc1為混凝土板厚度），且不大于2hc1；彎筋連接件的長度不小于其直徑的30倍，從彎起點算起的長度不小于直徑的25倍，其中，水平段的長度不小于其直徑的10倍（光面鋼筋應加彎鋼）。彎筋連接件與鋼梁連接的雙側(cè)焊縫長度為4d（HRB335級鋼筋）或5d（HPB235級鋼筋）。

2.抗剪連接的破壞形態(tài)（1）連接件受剪受拉破壞混凝土強度等級比較高時，連接件的承載力與混凝土無關，取決于連接件的類型及材質(zhì)。這種破壞也包括焊縫破壞。（2）連接件附近混凝土破壞栓釘連接件的承壓應力在底部最大，沿高度逐漸減小，當接近頂部時承壓應力開始反向。前方根部混凝土的局部受壓破碎或劈裂。3.單個抗剪連接件承載力

栓釘連接件組合梁中的栓釘連接件主要承受側(cè)壓力，一般情況下掀起作用在栓釘中產(chǎn)生的拉力很小，可以忽略不計，因此栓釘承載力可按純剪受力模型計算。當栓釘中的拉力不可忽略時，可按拉、剪組合作用計算。

栓釘除承受剪切作用外，其根部混凝土承受局部壓力，因此混凝土的強度和變形對栓釘受剪承載力也有影響。當混凝土立方體強度fcu<35N/mm2時，單根栓釘?shù)氖芗舫休d力與栓釘截面積、混凝土軸心抗壓強度和彈性模量有關。當混凝土強度fcu≥35N/mm2時，栓釘?shù)淖畲笫芗舫休d力取決于檢釘?shù)目辜裟芰?。八組合梁的變形計算

1.換算截面法混凝土板的換算寬度按下列公式計算：計算荷載效應標準組合下的撓度時計算荷載效應準永久組合下的撓度時

正常使用階段組合梁的變形計算采用彈性理論，要求分別按荷載效應標準組合值、荷載效應準永久組合值（考慮長期荷載作用下混凝土徐變、收縮的影響）計算