高层建筑结构第10章-钢与混凝土混合结构设计-课件.ppt

1、10.1混合结构体系与结构布置混合结构体系与结构布置10.2混合结构的计算分析混合结构的计算分析10.3型钢混凝土构件设计型钢混凝土构件设计1第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计10.4钢管混凝土构件设计钢管混凝土构件设计第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计 混合结构体系是近年来在国内迅速发展起来的 一种新型结构体系,主要用于高层及超高层建筑结构。与混凝土结构相比,其在降低结构自重、减少结构断面尺寸、改善结构受力性能、加快施工进度等方面具有明显的优势;与纯钢结构相比,其又具有防火性能好、综合用钢量小、风荷载作用舒适度好的特点。10.1 10.

2、1 混合结构体系与结构布置混合结构体系与结构布置 第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计（1 1）混合框架结构）混合框架结构（2 2）混合框架）混合框架- -核心筒结构核心筒结构 (3) (3)混合筒中筒结构混合筒中筒结构第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计10.2 10.2 混合结构体系混合结构体系第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计

3、 (1) 混合框架结构 框架结构的主要形式有型钢混凝土柱与组合梁或型钢混凝土柱与钢梁形成的框架结构等。框架结构梁柱全部刚接，整体刚度均匀，但抗侧刚度较小，一般仅适用于2030层的高层建筑。n实例：北京长富宫饭店，地上25层，地下3层，高88m，地下部分至2层为型钢混凝土结构，上部为钢框架结构。北京长富宫中心北京长富宫中心框架结构框架结构 26层，90.85m，89年建成。400080008000800080008000400040005800400058006200最经济的层数为10层最适宜的层数为11-13层第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计 (2) 框架-核芯筒

4、结构 外框架-核芯筒结构以钢筋混凝土核芯筒为主承受侧向荷载，再配合布置各种形式的外框架，建筑造型丰富、平面布置灵活。n实例:上海瑞金大厦平面，27层，由型钢混凝土及普通钢筋混凝土内筒、型钢混凝土框架组成。第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计 (3) 混合筒中筒结构 混合筒中筒结构是指筒中筒结构中的部分或全部筒体采用钢骨混凝土筒体的结构，分为钢外筒-钢筋混凝土核心筒和型钢混凝土外筒-钢筋混凝土核心筒。 第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计10.1.2 10.1.2 混合结构布置混合结

5、构布置 一般原则：一般原则：l混合结构房屋平面的外形宜简单规则：混合结构房屋平面的外形宜简单规则：宜采用方形、矩形、宜采用方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形多边形、圆形、椭圆形等规则等规则对称的平面；对称的平面；尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合；尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合；建筑的开间、进深宜统一；建筑的开间、进深宜统一；筒中筒结构体系中，当外围钢框架柱筒中筒结构体系中，当外围钢框架柱采用采用H形形截面截面时，宜将柱截面强轴方向布置在外围筒体平面内；时，宜将柱截面强轴方向布置在外围筒体平面内；角柱宜采用十字形、方形或圆形截面；角柱宜采用十字形、方形或圆形截面；楼盖主梁不宜搁置

6、在核心筒或内筒的连梁上。楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。l混合结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件混合结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件截面宜由下至上逐渐减少，无突变。截面宜由下至上逐渐减少，无突变。混合结构的外围框架柱沿高度宜采用同类结构构件；混合结构的外围框架柱沿高度宜采用同类结构构件；当采用不当采用不同类型和材料的构件时，应设置过渡层。同类型和材料的构件时，应设置过渡层。对于刚度突变的楼层，如转换层、加强层、空旷的顶层、顶部对于刚度突变的楼层，如转换层、加强层、空旷的顶层、顶部突出部分、型钢混凝土框架与钢框架的交接层及邻近楼层，应突出部分、型钢混凝土框架与钢框架

7、的交接层及邻近楼层，应采取可靠的过渡加强措施。采取可靠的过渡加强措施。钢框架部分设置支撑时，宜采用偏心支撑和耗能支撑，支撑宜钢框架部分设置支撑时，宜采用偏心支撑和耗能支撑，支撑宜连续布置，且在相互垂直的两个方向均宜布置，并相互交接；连续布置，且在相互垂直的两个方向均宜布置，并相互交接；支撑框架在地下部分宜延伸至基础。支撑框架在地下部分宜延伸至基础。l混合结构中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接；混合结构中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接；楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接可采用刚接楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接可采用刚接或铰接。或铰接。l楼盖体系应具有良好的水平刚度和整体

8、性。楼盖体系应具有良好的水平刚度和整体性。表表10-1n1、弹性分析时，宜考虑钢梁与现浇混凝土楼板的共同、弹性分析时，宜考虑钢梁与现浇混凝土楼板的共同作用，梁的刚度可取钢梁刚度的作用，梁的刚度可取钢梁刚度的1.52.0倍，但应保证倍，但应保证钢梁与楼板有可靠连接。弹塑性分析时，可不考虑楼板钢梁与楼板有可靠连接。弹塑性分析时，可不考虑楼板与梁的共同作用。与梁的共同作用。n2、结构弹性阶段的内力和位移计算时构件刚度取值结构弹性阶段的内力和位移计算时构件刚度取值型钢混凝土构件、钢管混凝土柱的刚度：型钢混凝土构件、钢管混凝土柱的刚度： 10.2 10.2 混合结构的计算分析混合结构的计算分析无端柱型钢

9、混凝土剪力墙可近似按相同截面的混凝土剪力墙计无端柱型钢混凝土剪力墙可近似按相同截面的混凝土剪力墙计算其轴向、抗弯和抗剪刚度算其轴向、抗弯和抗剪刚度不计端部型钢对截面刚度的提不计端部型钢对截面刚度的提高作用；高作用；有端柱型钢混凝土剪力墙可有端柱型钢混凝土剪力墙可按按H形混凝土截面计算其轴向和抗形混凝土截面计算其轴向和抗弯刚度，端柱内型钢可折算为等效混凝土面积计入弯刚度，端柱内型钢可折算为等效混凝土面积计入H形截面的形截面的翼缘面积，墙的抗剪刚度可不计入型钢作用；翼缘面积，墙的抗剪刚度可不计入型钢作用；钢板混凝土剪力墙可将钢板折算为等效混凝土面积计算其轴向、钢板混凝土剪力墙可将钢板折算为等效混凝

10、土面积计算其轴向、抗弯和抗剪刚度。抗弯和抗剪刚度。n3、竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土(钢钢管混凝土管混凝土)柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、徐变、沉降及施工调整等因素的影响徐变、沉降及施工调整等因素的影响.n4、混合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为、混合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为0.04。风荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取风荷载作用下楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取为为

11、0.020.04 。 10.3 10.3 型钢混凝土构件设计型钢混凝土构件设计10.3 10.3 型钢混凝土构件设计型钢混凝土构件设计基本假定1）截面应变分布符合平截面假定，型钢与混凝土之间无相对滑移；2）不考虑混凝土抗拉强度；3）取受压边缘混凝土极限压应变0.003，相应的最大压应力取混凝土轴心受压强度设计值；4）型钢腹板的应力图取为拉、压梯形应力图形。设计计算时，简化为等效矩形应力；5）钢筋应力等于其应变与弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值。n由于充满型型钢混凝土框架梁是以适筋梁破坏作为其抗弯承载力的极限状态，所以我们在设计和计算中要确保受拉钢筋和型钢翼缘首先屈服，然后受压翼缘屈服，直至

12、最后受压混凝土压碎，整个充满型型钢混凝土框架梁才达到抗弯承载力而破坏。根据上述的基本假定，我们利用平衡条件:0, 0 xMn可得基本方程：n（1）非抗震设计n弯矩的平衡方程n水平力的平衡方程awaafassycMahAfahAfxhbxfM)()()2(000101awafasyafasycNAfAfAfAfbxfn（2）抗震设计)()()2(10001awaafassycREMahAfahAfxhbxfM01awafasyafasycNAfAfAfAfbxfn当 ， 时：n xh1011xh1021awawfhtN0211)(2awawfhtM20211212221)1(2)()(21 为了

13、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： 为了保证梁的破坏形态为型钢下翼缘和受拉纵向钢筋先屈服，然后受压区混凝土被压碎，截面相对受压区应满足：fatax0hxbn 值可按平截面假定推导出：值可按平截面假定推导出：n抗震设计时，抗震设计时，x x应满足以下要求：应满足以下要求：n一级框架梁：一级框架梁：n二，三级框架：二，三级框架： b025. 0hx saybEff003.0211035. 0hxn破坏形态主要有三种类型：（a）斜压破坏n剪跨比1.5且含钢率较小的情况n斜裂缝端部剪压区混凝土在正应力和剪应力的共同作用下被压碎（3）剪切粘结破坏n不配箍筋

14、或箍筋很少、且剪跨比较大的情况n型钢与混凝土的粘结力极易丧失，传递剪力的能力降低，于是在型钢翼缘外侧的混凝土中产生应力集中n在型钢翼缘附加产生劈裂裂缝，沿型钢翼缘水平方向发展，导致保护层脱落n综上所述，斜压破坏和剪压破坏通过型钢混凝土梁的斜截面受剪计算解决。剪切粘结破坏是通过构造解决，设计中应通过配置必要的构造箍筋，设置抗剪连接件，增加型钢外围混凝土厚度等措施提高型钢混凝土梁抗剪切粘结破坏的能力。n抗剪承载能力的计算公式：n型钢混凝土梁的抗剪承载力由混凝土，型钢和箍筋三者组成：n 2)与斜裂缝相交的箍筋承担的受剪承载力可与斜裂缝相交的箍筋承担的受剪承载力可表示为：表示为：asvcVVVV0bh

15、fVcc0hsAfVsvyvsv 1)混凝土部分的受剪承载力可表示为： 在均布荷载作用下，型钢混凝土梁抗剪达到极在均布荷载作用下，型钢混凝土梁抗剪达到极限状态时，型钢腹板的应力，基本上可取型钢限状态时，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纯剪状态时的剪切屈服强度aaff58. 031wwaahtfV58.0 在集中荷载作用下，型钢的抗剪能力随着剪在集中荷载作用下，型钢的抗剪能力随着剪跨比的增加反而降低，其腹板的抗剪强度为：跨比的增加反而降低，其腹板的抗剪强度为：aaff58. 0wwaahtfV58. 0n则承载力计算公式：n非抗震设计n均布荷载作用下：n集中荷载作用下：ww

16、asvyvccbhtfhsAfbhfV58. 008. 000wwasvyvccbhtfhsAfbhfV58. 05 . 12 . 000n抗震设计：n均布荷载作用下：n集中荷载作用下：)58. 08 . 006. 0(100wwasvyvccREbhtfhsAfbhfV)58. 08 . 05 . 106. 0(100wwasvyvccREbhtfhsAfbhfVn截面适用条件：n非抗震设计n抗震设计n为了避免型钢含量过小，要求满足)36.0(10bhfVccREb10.00bhfhtfcwwa045.0bhfVccb钢管混凝土的特点钢管混凝土的特点 钢管混凝土也称作为钢管套箍混凝土（钢管混

17、凝土也称作为钢管套箍混凝土（Steel Tube-Confined Concrete，或或Concrete-Filled Steel Tube ）,它是在钢管内灌入混凝土而形成的一种它是在钢管内灌入混凝土而形成的一种组合结构。钢管混凝土结构按截面形式的不同可以分为矩形截面、圆形组合结构。钢管混凝土结构按截面形式的不同可以分为矩形截面、圆形截面和多边形截面，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用最为截面和多边形截面，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用最为广泛；实心和空心钢管混凝土。广泛；实心和空心钢管混凝土。 钢管混凝土的基本原理是依靠内填混凝土的支撑作用，使得钢管的钢管混凝土的基本原理

18、是依靠内填混凝土的支撑作用，使得钢管的稳定性增强，同时核心混凝土受到钢管的稳定性增强，同时核心混凝土受到钢管的“约束约束”作用或称之为作用或称之为“套套箍箍”作用，使核心混凝土处于三向受压应力状态作用，使核心混凝土处于三向受压应力状态,延缓混凝土内部纵向延缓混凝土内部纵向微裂缝产生和发展的时间，从而使得核心混凝土具有更强的抗压强度微裂缝产生和发展的时间，从而使得核心混凝土具有更强的抗压强度和抵抗变形能力。和抵抗变形能力。 特点：特点： 1.承载力高承载力高 2.具有良好的塑性和抗震性能具有良好的塑性和抗震性能 3.施工简单，可以大大缩短工期施工简单，可以大大缩短工期 4.钢管混凝土柱的耐火性能

19、好于钢柱钢管混凝土柱的耐火性能好于钢柱 5.可采用高强度混凝土可采用高强度混凝土 钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土柱的工作性能scAAsycckA fA f1.钢管混凝土柱的几个影响参数钢管混凝土柱的几个影响参数(1) 含钢率含钢率(2) 约束效应系数约束效应系数 ccsfAfA一般在一般在0.34.0之间，宜大于等于之间，宜大于等于3.0钢管混凝土规程称为套箍系数（招标）钢管混凝土规程称为套箍系数（招标）(3) 径径厚比或高厚比厚比或高厚比 圆钢管圆钢管 D/t150(235/fy) 方（矩形）钢管方（矩形）钢管 D/t60(235/fy)1/2 (4) 长细比长细比 2. 轴心受压的钢管混

20、凝土短柱（轴心受压的钢管混凝土短柱（L/D=33.5） 钢管混凝土短柱的一次钢管混凝土短柱的一次压缩工作曲线分为三个压缩工作曲线分为三个阶段阶段:（1）弹性阶段）弹性阶段 oa（2）弹塑性阶段）弹塑性阶段 ab（3）强化阶段）强化阶段 bc 钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土柱的工作性能 1.0时，核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的提高恰好弥补钢管时，核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的提高恰好弥补钢管因因异号应力场异号应力场使纵向承载力的减小，所以出现了塑性的水平段使纵向承载力的减小，所以出现了塑性的水平段bc。 1.0时，核心混凝土承载力的提高超过了钢管纵向承载力的减小，时，核心混凝土承载力的提高

21、超过了钢管纵向承载力的减小， 出现了曲线上升的强化阶段出现了曲线上升的强化阶段bc。 12，偏心受压构件承载力由，偏心受压构件承载力由稳定稳定决决定时的压力定时的压力N与杆中挠度的关系曲线。与杆中挠度的关系曲线。曲线的最高点是偏压构件稳定承载力曲线的最高点是偏压构件稳定承载力的极限。的极限。 钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土偏心受压构件的工作性能特点：在接近破坏时，外荷钢管混凝土偏心受压构件的工作性能特点：在接近破坏时，外荷载增量很小，而变形发展的很快。载增量很小，而变形发展的很快。和钢构件相比，曲线过和钢构件相比，曲线过B点后平缓的多，说明由于有紧箍力的作点后平缓的多，

22、说明由于有紧箍力的作用，不但提高了核心混凝土的承载力，而且还增加了构件的延性。用，不但提高了核心混凝土的承载力，而且还增加了构件的延性。影响钢管混凝土偏心受压构件承载力的两个重要参数：长细比，影响钢管混凝土偏心受压构件承载力的两个重要参数：长细比，偏心率。偏心率。 钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土柱的工作性能圆钢管混凝土柱的计算和设计圆钢管混凝土柱的计算和设计 圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应，受力性圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应，受力性能比矩形钢管混凝土柱好，相比而言承载力提高最大，能比矩形钢管混凝土柱好，相比而言承载力提高最大，也最经济。也最经济。 钢管混凝土结构设计与施工规

23、程钢管混凝土结构设计与施工规程承载力设计方法承载力设计方法（CECS28:90） 。 1.单肢柱承载力计算单肢柱承载力计算 uNNule0NN0cc(1)Nf Aaacc/f Af AN轴向压力设计值；轴向压力设计值；Nu钢管混凝土单肢柱的承载力设计值；钢管混凝土单肢柱的承载力设计值；N0钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值； 钢管混凝土的套箍指标；钢管混凝土的套箍指标；fc 混凝土的抗压强度设计值；混凝土的抗压强度设计值；Ac 、Aa钢管内混凝土、钢管的横截面面积；钢管内混凝土、钢管的横截面面积；fa 钢管的抗拉，抗压强度设计值；钢管的抗拉，抗压强度设计

24、值； 考虑长细比影响，偏心率影响的承载力折减系数。考虑长细比影响，偏心率影响的承载力折减系数。e、101e0 按轴心受压柱考虑的按轴心受压柱考虑的1值值2. 格构柱的承载力计算格构柱的承载力计算 *uNN*ule0NN *001iiNNNu * 格构柱的整体承载力设计值格构柱的整体承载力设计值N0i 格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值，按公格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值，按公式确定式确定1* ，e* 考虑长细比影响，偏心率影响的整体承载考虑长细比影响，偏心率影响的整体承载力折减系数。力折减系数。在任何情况下都应满足下列条件：在任何情况下都应满足下列条件： 1*e* 0*0* 按轴心受压

25、柱考虑的按轴心受压柱考虑的1*值值 4.钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数对单肢柱 当e0/rc1.55时 当e0/rc 1.55时 e0c1/(1 1.85/)er02/eMNe0c0.4/(/)ere0柱两端轴向压力偏心距较大者；柱两端轴向压力偏心距较大者；rc核心混凝土横截面的半径；核心混凝土横截面的半径；M2柱两端弯矩设计值的较大者；柱两端弯矩设计值的较大者； N轴向压力设计值。轴向压力设计值。5.钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数 对单肢柱：对单肢柱： 144115. 014111时，当时，当比影响的承载力系数钢管混凝土柱考虑长细DLDLDLeeeD钢管的外径；钢管的外径； Le柱子的等效计算长度，按规程公式计算。柱子的等效计算长度，按规程公式计算。6.钢管混凝土柱等效计算长度钢管混凝土柱等效计算长度钢管混凝土柱的等效长度应按下列公式确定： Lekl0 l0= l l0框架柱或杆件的计算长度 l框架柱或杆件的长度 k等效长度系数，按照规程进行计算。 计算长度系数 第第1010章章 钢与混凝土混合结构设计钢与混凝土混合结构设计