钢管混凝土结构.ppt

,钢与混凝土组合结构,Steel-Concrete Composite Structures,重庆大学 土木工程学院秦文正,1.赵鸿铁著，组合结构设计原理，科学出版社，20052.聂建国等，钢-混凝土组合结构，建筑工业出版社，2005,教材,一、钢与混凝土组合结构（1）压型钢板与混凝土组合结构（2）钢与混凝土组合梁（3）型钢混凝土结构（4）梁柱连接（5）钢管混凝土结构（6）外包钢混凝土结构二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,提纲,钢材：良好的抗拉和延性,混凝土：优良的抗压强度和较大的刚度，混凝土的存在的提高了钢材的整体屈曲和局部屈曲性能,钢-混凝土组合结构：良好的强度、刚度、延性及良好的耗能能力,一、钢与混凝土组合结构,由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体，共同受力、协调变形的结构，称为组合构件。,钢与混凝土组合结构是其中较为常见的一种，也是土木工程领域日益广泛采用的一种结构体系，为此，本课程将详细讲述这种组合结构的构造和设计。,一、钢与混凝土组合结构,钢与混凝土组合结构,一、钢与混凝土组合结构,五大类,一、钢与混凝土组合结构,组合板,组合梁,组合柱,钢管混凝土,组合墙,1.压型钢板与混凝土组合板,定义,在各种形式凹凸肋或各种形式槽纹的压型钢板上浇注混凝土而形成的组合板，依靠,凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起。,压型钢板与混凝土组合板的形式,压型钢板-混凝土组合板由压型钢板、混凝土板、抗剪连接件等三部分组成，如图所示。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。这种楼盖主要应用于高层钢结构建筑中，结构性能较好，综合经济效益优于其他组合楼盖。,压型钢板与混凝土组合楼板兴起于20世纪九十年代，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。由于此种结构的大量使用，带动了相关理论的研究。压型钢板的形式：（1）闭口形槽口的压型钢板；（2）开口形槽口压型钢板，在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹（3）开口形槽口压型钢板，在其翼缘上另焊附加钢筋（4）支撑在钢梁上的压型钢板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,1.压型钢板与混凝土组合板,优点,压型钢板可以作为现浇混凝土的永久模板。这样就省掉了施工中安装和拆除模板等工序，从而节省了时间和劳动力。,当压型钢板安装好以后将可以作为施工平台使用。同时由于不必使用临时支撑，也不影响下一层施工平面的工作。压型钢板可以作为楼板的底筋使用，减少了安装板筋的工作量。根据压型钢板的不同截面形状，最多可以减少30的楼板混凝土用量。减少的楼板自重又可以相应的减少梁、柱和基础的尺寸，提高了结构的整体性能。,1.压型钢板与混凝土组合板,优点,压型钢板的肋部可以放置水电管线，从而使结构层与管线合为一体，间接地加大了层高或降低了建筑高度，给建筑设计带来灵活性。,在施工阶段，压型钢板可作为钢梁的连续侧向支撑，提高了钢梁的整体稳定承载力；在使用阶段，提高了钢梁的整体稳定性和上翼缘的局部稳定性。以上几个优点都可以相当大程度地缩短施工时间，取得良好的经济效益。,2.钢与混凝土组合梁,定义,将型钢梁与混凝土翼板通过抗剪连接件相连在一起形成一个整体共同工作的组合梁。,混凝土板可以是现浇混凝土板，也可以是预制混凝土板、压型钢板混凝土组合板或预应力混凝土板。钢梁可以用轧制或焊接钢梁。钢梁形式有工字钢、槽钢或箱形钢梁。混凝土板与钢梁之间用剪切连接件连接，使混凝土板作为梁的翼缘与钢梁组合在一起，整体共同作用形成组合T形梁。,2.钢与混凝土组合梁,带板托的组合梁,无板托的组合梁,组合梁的形式,钢与混凝土组合梁由钢梁、钢筋混凝土板以及两者之间的剪切连接件组成。工程中常采用不对称组合梁，主要有以下几种形式：（1）三块不同厚度与宽度的钢板焊接而成；（2）将大型工字钢割去宽厚的上翼缘加焊宽度较小的钢板（3）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；（4）蜂窝梁（见下图）。,2.钢与混凝土组合梁,组合梁中的剪切连接件 剪切连接件的作用（1）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（2）抵抗使砼板与钢梁具有分离趋势的“掀起力”,2.钢与混凝土组合梁,2.钢与混凝土组合梁,常州市龙城大桥,龙城大桥是常州市龙城跨运河大桥。主桥采取自锚式悬索斜拉协作体系，主梁采用箱形结构，主跨跨中部分采用混凝土钢结合梁，其余部分采用预应力混凝土箱梁。,2.钢与混凝土组合梁,中铁大桥局的建设者在上海长江大桥上架设钢混凝土组合梁,优点,节省钢材，降低造价。增加了预制环节，为现场施工争取了时间。,使混凝土受压，钢梁主要是受拉与受剪，受力合理强度与刚度显著提高，充分利用了混凝土的有利作用。并且由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合连接在一起，很大程度上避免了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳的弱点。,2.钢与混凝土组合梁,3.型钢混凝土结构,定义,型钢混凝土结构又称钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构，是在混凝土,根据配钢形式的不同，型钢混凝土结构可以分为实腹式配钢和空腹式配钢。,中主要配置型钢、并配有一定纵向钢筋和箍筋的结构。,承载力高、构件截面较小、可降低结构层高；利用型钢的承载力减少模板工程量、缩短工期；结构延性好、抗震性能优良；耐久性和防火性能均明显优于钢结构。,型钢混凝土结构除了用于框架结构、剪力墙结构外，也可制作拱和壳体，在桥梁和原子能反应堆保护壳等工程中使用。,3.型钢混凝土结构,3.型钢混凝土结构,型钢混凝土构件截面形式,3.型钢混凝土结构,北京国贸三期,3.型钢混凝土结构,南通国际会议中心项目总高度（含避雷针）275米，混凝土结构高度208米，钢结构塔顶高度254米，地下2层，地上55层，裙楼5层，总建筑面积12万平米，地上建筑面积11万平米。结构形式为核心筒加型钢混凝土柱结构,由中国建筑上海设计研究院设计。,3.型钢混凝土结构,大连期货广场为双子楼建筑，每栋建筑面积21.1万平方米，地上53层，地下3层，高约232米。结构体系为剪力墙核心筒-钢框架混合结构，全玻璃幕墙。,3.型钢混凝土结构,中银大厦整座大楼采用由八片平面支撑和五根型钢混凝土柱所组成的混合结构“大型立体支撑体系”。,3.型钢混凝土结构,优点,在混凝土中配置的是型钢，这些型钢可以是轧制的也可以是焊接的。一般在大型建筑中经常配置焊接型钢，可以根据构件截面大小、受力特点，考虑到受力的合理性，灵活的选择焊接型钢各个板件宽度与厚度。型钢混凝土结构不仅强度、刚度明显增加，而且延性获得很大的提高，从而成为一种抗震性能很好的结构，所有尤其适用于地震区。比起钢结构建筑，采用型钢混凝土结构节省了大量钢材，降低了造价，而且避免了钢结构建筑防锈、防腐蚀、防火性能差，需要经常性维护等弱点。,型钢混凝土组合结构,4.钢筋混凝土梁型钢混凝土柱的连接,一般柱中型钢在节点中贯通，梁中型钢在柱型钢两侧断开，并与柱型钢翼缘用焊接或螺栓连接。对于窄粱，梁中型钢可在柱型钢内侧穿过，但施工比较复杂。在节点中柱型钢翼缘两侧之间，分别在梁型钢上、下翼缘水平处各设一道足够强的柱加劲肋，以保证梁翼缘的拉力可靠地传递到节点，并防止柱型钢翼缘板发生局部弯曲。为了便于浇灌节点核心区的混凝土，加劲肋可以不是通长的，仅在柱型钢翼缘处局部设置,型钢混凝土组合结构,4.型钢混凝土梁型钢混凝土柱的连接,对于型钢混凝土柱型钢梁的情况，钢梁在型钢混凝土柱的两侧断开，型钢混凝土柱内型钢与型钢梁的连接应采用刚性连接，且钢梁翼缘与柱内型钢翼缘应采用全熔透焊缝连接；梁腹板与柱宜采用摩擦型高强螺栓连接，悬臂梁段与柱应采用全焊缝连接,型钢混凝土组合结构,4.型钢梁型钢混凝土柱的连接,连接型钢混凝土梁和钢筋混凝土柱的节点，一般梁中型钢可在节点中通过，梁筋也保持贯通，而柱筋则在梁型钢翼缘两侧及翼缘中通过,型钢混凝土组合结构,4.型钢混凝土梁钢筋混凝土柱的连接,对于型钢柱型钢混凝土梁的情况，柱中型钢可在节点中通过，梁型钢在柱两侧断开，但应与翼缘可靠地连接，其中包括梁翼缘和腹板与柱全为焊接、全为螺栓连接或二者都采用等措施。做法可参考型钢混凝土梁与型钢混凝土柱节点的连接。,型钢混凝土组合结构,4.型钢混凝土梁型钢柱的连接,5.钢管混凝土结构,定义,钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土而形成的结构。,在钢管内可以配置钢筋，也可以只填充混凝土。按截面形式的不同，可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土结构。,5.钢管混凝土结构,圆钢管混凝土,方钢管混凝土,矩形钢管混凝土,钢管混凝土截面形式,5.钢管混凝土结构,5.钢管混凝土结构,钢管混凝土节点形式,5.钢管混凝土结构,（1）圆钢管混凝土柱的特点：利用钢管约束混凝土，将混凝土由单向受压转变为三向受压。钢管混凝土结构充分发挥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，所以受力合理，大大节省材料。由于其是圆形截面，而且断面高度较小，所以在受弯矩作用时显然并无优越可言，而且是不利的，因此常常将其作为高层建筑中的下面数层的柱是最合适的。圆钢管混凝土结构的最大弱点是圆形截面的柱与矩形截面的梁连接比较复杂，是推广圆钢管混凝土结构的一大障碍。,5.钢管混凝土结构,(2)方钢管混凝土柱的特点：克服了圆钢管混凝土柱的一些缺点。可以用作偏心受压柱，房屋的外观较好；连接面为平面，节点构造比较简单；方钢管构成封闭截面，自身刚度较大；由于钢材都分布于截面外边，抗弯承载力较高；钢板为连续配置，提高了对混凝土的约束作用，故构件的延性比钢筋混凝土结构明显提高；省去模板，方便施工。,5.钢管混凝土结构,位于深南中路与华强北路交汇处，是目前世界最高的钢管混凝土结构大厦，是深圳市跨世纪的标志性建筑。总高355.8米，总建筑层79层，总建筑面积达17万平方米。赛格观光位于赛格广场的71、72层，登高临望，深圳和香港的都市风貌尽收眼底，犹如一幅美丽的画卷。“赛格电子市场”是世界规模最大的电子交易市场。,5.钢管混凝土结构,天津津塔工程位于天津市和平区大沽北路与兴安路交口西北侧，总建筑面积约为34.6万平方米，由一幢75层高的办公楼及一幢30层高的公寓楼组成。地下四层，办公楼结构体系为钢管混凝土柱框架+核心筒钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧体系组合结构，公寓楼结构体系为钢筋混凝土+剪力墙体系。檐高为336.9米。,5.钢管混凝土结构,162层，高度为818米的“迪拜塔”需要一个坚实的基础，以支持重量可能超过500，000吨的地面以上建筑。“迪拜塔”建造在一个3.7米厚的三角形结构的基座上，这个三角形基座由192根直径为1.5米的钢管桩或支柱缸体支持。这些钢管桩或支柱缸体深入地下50米。,5.钢管混凝土结构,南宁永和大桥位于南宁市，横跨邕江，北连中华路，南接南建路，主孔净跨径为335.40m，是迄今为止的世界上最大跨度的下承式有推力钢管混凝土拱桥。,5.钢管混凝土结构,连徐高速公路京杭运河特大桥全长2577米，为三跨自锚式空间曲线钢管混凝土拱桥，是当时国内跨径最大的提篮式钢管混凝土拱桥，2001年12月建成，荣获“詹天佑土木工程大奖”。,5.钢管混凝土结构,丫髻沙大桥,位于广州市环城高速公路，跨越珠江主航道，是一座特大型钢管混凝土拱桥。全长1084米，主桥上部结构为3跨钢管混凝土中承式桁架肋系杆拱，跨越珠江主副航道、丫髻沙岛，跨径达360米，为当时世界同类桥梁第一。,钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式如图所示。,钢管混凝土结构桥梁结构,5.钢管混凝土结构,钢管混凝土拱肋结构 截面形式,四川省旺苍东河大桥,图为钢管混凝土拱肋的截面形式。1990年，钢管混凝土技术首次成功应用于跨度115m的四川省旺苍东河大桥。,1.承载力高 钢管混凝土强度提高的原因，主要是构件受压时，由于钢管和混凝土的泊松系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊松系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松系数大约由0.2增大到0.5以后仍继续增大。这时钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力，这样钢管和混凝土都处在三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和1.72.0倍。,5.钢管混凝土结构-优点,2.延性好据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的23，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善。,5.钢管混凝土结构-优点,3.抗震性能优越 抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。则钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。,5.钢管混凝土结构-优点,3.抗震性能优越 此外，高层建筑中和钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析，高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1312。地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。这将意味着结构构件截面尺寸的进一步减小。同时基础的负荷也相应减少，由此降低了基础造价。,5.钢管混凝土结构-优点,4.施工方便 钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响。该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。,5.钢管混凝土结构-优点,5.防火耐火性能好 钢管混凝土的耐火性比钢结构好，由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1323甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。,5.钢管混凝土结构-优点,6.耐腐蚀性强 钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用比钢结构节省。,5.钢管混凝土结构-优点,6.外包钢混凝土结构,定义,亦简称外包钢结构，指在混凝土构件外部配置钢板或角钢的结构。,它可以满足大中型工业厂房内固定各类管道线路而不需设置预埋件，也可以可以用于已有建筑物的加固改造。,外包钢混凝土结构是指外部配钢的钢筋混凝土结构，简称外包钢结构。应用较多的是四角配置角钢的钢筋混凝土结构，角钢的外表面与混凝土表面取平或稍突出表面。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋保护层的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接。,外包钢构件,6.外包钢混凝土结构,外包钢混凝土结构构造简单，连接方便，使用灵活，用于一般工业厂房框架和排架结构，目前在电力以及石油工业部门的应用较多。角钢对混凝土的约束作用，有利于提高抗剪承载力和延性性能。,6.外包钢混凝土结构,6.外包钢混凝土结构,6.外包钢混凝土结构,外包钢加固柱,6.外包钢混凝土结构,柱包钢,6.外包钢混凝土结构,外包钢加固混凝土梁,6.外包钢混凝土结构,外包钢加固混凝土板,钢与混凝土组合结构，已经广泛地应用于实际工程中！,组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作机理，是由二者之间的粘结力、抗剪连接件及钢材对混凝土的约束作用实现的。压型钢板与混凝土组合楼板的共同工作，主要依靠钢板上压制的齿槽、穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件或焊在压型钢板端部的横向钢筋的作用。钢-混凝土组合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪连接件形成。所以，抗剪连接件设计是工程关键之一，计算和构造都应满足规定的要求。型钢混凝土结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用，有时也设置抗剪连接件。钢管混凝土结构的共同工作主要依靠钢管与混凝土的相互约束、层间横隔板等形成。,小结,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,由于组合结构的一系列优点，所以欧美国家及日本等国在20世纪初即开始应用。压型钢板混凝土组合楼板开始应用于欧美国家。组合板的设计计算的关键问题是解决压型钢板与混凝土的组合剪切计算。美国的Porter 和Ekberg教授等首先在实验的基础上，提出了组合面纵向剪切承载能力的计算方法，使得组合板的设计计算理论推进一步，并逐步推广到世界其他国家。冶金部建筑研究总院在对大量国产压型钢板组合板实验研究的基础上，提出了我国自己的计算公式。,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国从20世纪50年代开始，首先在桥梁结构中应用了组合梁，并进行过少量实验。组合梁的计算与应用中的一个关键问题是连接问题。美国、英国等首先用推出实验得出剪切连接件强度计算公式，并纳入英国规范CP110；我国的郑州工学院、哈尔滨建工学院、清华大学等先后开展了研究工作。钢结构设计规范(GBJ17-88)首次将组合梁的设计方法纳入规范。,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,关于型钢混凝土结构的计算理论，国际上主要有三种类型：欧美的计算理论基于钢结构的计算方法，考虑混凝土的作用，在实验基础上将实验曲线进行修正，突出反映在组合柱的计算上。前苏联关于型钢混凝土结构的计算理论是基于钢筋混凝土结构的计算方法，认为型钢与混凝土是完全共同作用的，因此实验证明前苏联计算方法在某些方面偏于不安全。第三种类型是日本建立在叠加理论基础上的方法，认为型钢混凝土结构的承载能力是型钢与混凝土两者承载力的叠加。比较证明，日本的计算方法偏于安全。,本文介绍的计算方法,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国在型钢混凝土结构方面的研究与应用始于20世纪80年代初。西安建筑科技大学、冶金部建筑研究总院等科研单位最早对其进行研究，并于1989年提出了型钢混凝土结构设计建议。1997年主要参考日本规程，原冶金部颁发了行业标准钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97)；2001年又根据我国的研究成果和和设计经验，由建设部颁布了型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ 138-2001）。,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,早在1879年英国就在铁路桥的建设中应用了钢管混凝土结构，随后，美国、法国、前苏联和日本等相继将钢管混凝土结构应用于房屋中，尤其是超高层结构。我国自20世纪60年代开始引入钢管混凝土柱，并广泛应用于工业厂房、高炉和锅炉支架、输（变）电塔架、公路和城市桥梁、以及高层建筑中。原中科院哈尔滨土建研究所、哈尔滨建工学院、中国建筑科学研究院等单位先后开展了较为系统的研究工作。,二、钢与混凝土组合结构的发展与应用,我国至今尚无一部完整的关于组合结构设计的国家规范。但是近几十年，特别近20年来在大量学者的研究成果与应用基础上，各部制订了一些专项规程。这些规程的颁发，一方面推动了组合结构在我国的推广应用，另一方面也说明了目前工程界急切需要一部完整的统一的组合结构设计规范，可供设计遵循。这部规范应当主要建立在我国自己研究成果的基础上，比较成熟、完善，又适合我国国情的规范，它应该是我们工程界的研究、设计、施工人员及有关学者共同完成的一项有意义的任务。,进一深入研究的意义,思考题,1.钢与混凝土结构有什么优点?可以分为哪几大类型?,2.观察你周边的建筑,看看有哪些包含组合结构?分析一下周边建筑采用组合结构的原因?,谢 谢！,