1、 2012 2013 学年 第 2 学期课 程 论 文钢 结 构 理 论题 目：钢-混凝土组合结构综述班 级： 结构工程姓 名： 张彦红学 号： 2012000394上课教师： 雷劲松钢结构理论课程论文 2012-2013 学年第 2 学期2钢-混凝土组合结构综述张彦红（学号： 2012000394 年级： 2012 级 专业： 结构工程 摘 要：本文介绍了钢与混凝土组合结构的连接, 并分别介绍了压型钢板与混凝土组合板、钢与混凝土组合梁、型 钢混凝土结构、 钢 管混凝土 结构各自的特性和构造要求 , 可供设计和研究人员参考。 对钢- 混凝土组合梁的长期变形问题和钢筋混凝土短梁变形进行了分析的讨
2、论，指出我国现行规范关于组合梁计算偏小，并建立了计算公式，反映了混凝土徐变系数大小的影响，同时还 考虑了混凝土 对变形的影响。公式意义明确，形式简单，应用方便。关键词：钢-混凝土组合结构；受弯；徐 变；收缩 A Summary of Steel and Concrete Composite StructureZhang Yan-hong (College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Structural Engineering 2012 )Abstr
3、act：Connection of steel and concrete composite structure were introduced in this paper, and pressed steel and concrete composite slab are introduced respectively, steel and concrete composite beam, steel reinforced concrete structure, concrete filled steel tube structure of their respective features
4、 and structural requirements, to provide a reference for the design and research personnel. Long-term deformation of steel and concrete composite beams and reinforced concrete short beams deformation are analyzed and discussion, pointed out that the current specification about small finite element c
5、alculation, and established the calculation formula, reflect the influence of concrete creep coefficient, while also considering the concrete impact on deformation. Formula meaning clear, simple in form, easy application.Key words：steel and concrete composite structure; The bending; creep; shrinkage
6、引 言组合结构有时称作混合结构，两者又统称为复合结构。组合结构的定义有不同的描述，在土木工程范围内组合结构应该是由两种或两种以上结构材料组成，并且材料之间能以某种方式有效传递内力，以整体的形式产生抗力的结构。这里不包括虽由两种或两种以上结构材料组成，但却是各自单独发挥作用、简单叠加、单独承受荷载的结构。钢与混凝土组合结构主要叙述钢与混凝土组合而成的组合结构, 不包括一般钢筋混凝土结构。50 多年来组合结构的研究与应用得到迅速发展，至今已成为一种公认的新的结构体系。其与传统的四大结构，既钢结构、木结构、砌体结构和钢筋混凝土结构并列，并扩展成为五大结构。在土木工程中采用的组合结构主要有：压型钢板与
7、混凝土组合板、钢与混凝土板组合在一起的组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和外包钢混凝土结构等五大类。1 剪切连接组合结构是由两种材料共同工作，两种不同性能的材料组合成一体，发挥各自的长处,其关键在于“组合” 。只有将两种不同性能的材料组合成一体才能显示其优越性。这种组合作用，主要是依靠两种不同材料之间的可靠连接。连接必须能有效的传递混凝土与钢材之间的剪力，同时能有效抵抗使两者分离的“掀起力” ， 才能使混凝土与钢材组合成整体, 共同工作。剪切连接件的形式可以分为两大类：即柔性连接件（带头栓钉、斜钢筋、环形钢筋以及带直角弯钩的短钢筋等）和刚性连接件（块式连接件） 。在正常试用阶段，组合梁中的
8、钢梁通常出于弹性工作阶段，缓凝土压区的压应力与应变的关系虽然不保持完全线组合构件中混凝土与钢的连接应视构件的形式与受力性能采取不同的方式，但应力求连接构造简单、传力直接、施工方便。例如对于混凝土与压型钢板组合板，主要是依靠在压型钢板上压制凹凸的纵肋与槽纹起到混凝土与压型钢板的连接作用。压型钢板的纵肋，不仅能增强粘结作用，而且能提高板材的局部刚度。混凝土与压型钢板的界面上具有足够的抗纵向剪切能力是组合板具有完全的“组合效应”的关键。因此连接件的抗纵向剪切必须计算；剪力连接件的抗拔能力计算比较复杂，而且一般构件“掀起力”较纵向剪力小的多，所以除特殊要求的构件外，组合板的抗拔力主要靠压型钢板压制的花
9、纹形式及构造措施来保证，如设附加横向钢筋来保证，则不进行计算。2 压型钢板与混凝土组合楼板3压型钢板与混凝土组合楼板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构。最初在欧美和日本等国应用，近20年来我国也大量应用于工业与民用建筑中。它既可用作楼面也可作屋面；既可用于工业建筑，也可用于民用建筑与公共建筑。尤其在高层建筑中大量使用。压型钢板按其在组合楼板中的作用可分为三类：第一类，以压型钢板作为楼板的主要承重构件，混凝土只是作为楼板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用；第二类，压型钢板只作为浇筑混凝土的永久性模板，并作为施工时的操作平台；第三类考虑组合作用的压型钢板混凝土组合楼板。第一类与第
10、二类属于非组合楼板。压型钢板与混凝土组合楼板的优点：1）由于压型钢板作为浇注混凝土的模板，节省了大量木模板及其支撑；2）由于压型钢板非常轻便，因此堆放、运输及安装都非常方便；3）压型钢板在使用阶段，因其和混凝土的组合作用，还可代替受拉钢筋。因此减少了钢筋的制作与安装工作；4）由压型钢板组合楼板的几何形状所决定，组合楼板具有较大的刚度，且省去了许多受拉区混凝土(因为在混凝土结构的承载能力计算中不考虑混凝土的受拉作用)，使组合楼板的自重减轻；5）便于敷设通信、电力、采暖等管线；6）由于压型钢板作为浇注混凝土的模板直接支承于钢梁上，而且为各种工种作业提供了宽广的工作平台，大大加快了施工进度，缩短了工
11、期；7）压型钢板可直接作顶棚；8）与木模板相比，压型钢板组合楼板施工时，减少了发生火灾的可能性。3 型钢混凝土组合结构型钢混凝土结构是把型钢置入钢筋混凝土中，使型钢、钢筋（纵筋和箍筋） 、混凝土三种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种作用。它是钢- 混凝土组合结构的一种形式，其截面组成特征是型钢钢筋混凝土的钢材全部被包在混凝土内部，型钢与钢筋骨架的外面有一层混凝土外（外包钢钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构的型钢是外露的） 。型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外, 还广泛使用焊接型钢，此外还配合使用钢筋和钢箍。型钢混凝土梁和柱是最基本的构件，型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。型钢混凝土结构广
12、泛的被采用于高层及高耸结构、地震区的建筑物和构筑物、承受大荷载的结构、大跨结构等。型钢混凝土构件有以下优点：1）承载能力高；2）变形能力和延性好；与钢筋混凝土结构和钢结构相比，型钢钢筋混凝土的变形能力和延性比钢筋混凝土的好， 比钢结构刚度大且不易失稳。3）经济效果好，适合我国国情；与钢结构相比，型钢混凝土结构用钢量大幅度减少。资料表明，型钢混凝土全框架结构较之钢框架结构可减少钢材用量50%或者更多一些。与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构虽然用钢量有所增加，但有更好的适用性，即减少构件体积, 增大使用空间，节省混凝土用量，减轻地基荷载，节省模板和支撑，可免除构件中的预埋件，有更好的抗震性能等，
13、且建筑结构的综合效益优于钢筋混凝土结构。4）简化现场施工。4 钢管混凝土结构钢管混凝土结构是在型钢混凝土结构、配螺旋箍混凝土结构以及钢管结构的基础上发展起来的。钢管混凝土是指钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。工程中常用的几种截面形式有圆形、正方形和矩形。一般在混凝土中再不配纵向钢筋与钢箍。实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力；二是外加荷载仅作用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，既所谓的钢管约束混凝土柱。钢管混凝土的基本原理是：一方面借助内
14、填混凝土增强钢管壁的稳定性，另一方面借助钢管对核心混凝土的套箍(约束) 作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形能力。总之，通过钢管和混凝土组合而成的钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点, 而且能够充分发挥二者的优点, 这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。钢管混凝土结构由于其受力性能及结构特点使其具有以下的优点：1）受力合理，能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件的承载能力大大提高；2）具有良好的塑性性能, 良好的抗疲劳、耐冲击性能;3）施工简单，缩短工期；4）获得了很好的经济效果；与钢结构相比，节约了大量钢材。大量工程实践表明：采用钢管混凝土的承
15、压构件比普通钢筋混凝土承压构件约可节约混凝土50 %，减轻结构自重50 % 左右，钢材用量略高或约略相等；和钢结构相比，可节约钢材50 %左右。5）具有良好的抗震性能(良好的延性 )用于高层建筑的柱子时，可以作到不限制轴压比而控制长细比。6）具有美好的造型与最小的受风面积；7）耐火性能较好；由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间有相互贡献、协同互补、共同工作的特点，这种结构具有较好的耐火性能。与钢结构相比，一般可节约2/ 3 防火涂料，因而降低工程造价。钢结构理论课程论文 2012-2013 学年第 2 学期45 钢与混凝土组合梁5.1 钢-混凝土组合梁简述组合梁由钢梁、钢筋混凝土板及两者
16、之间的剪切连接件组成。剪切连接件的可靠连接作用是混凝土板与钢梁是否能组合成一个整体，共同工作的关键。剪切连接件的主要作用是抵抗混凝土板与钢梁叠合面上的纵向剪力，使板与梁之间不能自由滑移。同时剪切连接件也必须能抵抗使混凝土板与钢梁具有分离趋势的“掀起力” 。组合梁根据混凝土板与钢梁的组合连接程度可分为完全剪切连接组合梁和部分剪切连接组合梁，简称为完全组合梁与部分组合梁。所谓完全组合梁是指组合梁中配有足够数量的剪切连接件，在组合梁截面的极限弯矩作用下所产生的纵向剪力，完全可以由所配的剪力连接件承担。部分组合梁是指剪力剪切连接件所能承担的剪力小于在截面的极限弯矩作用下所产生的纵向剪力（目前关于部分剪
17、切连接组合梁的计算方法仅适用于跨度不超过20m、以承受静力荷载为主且没有太大集中荷载的等截面梁的情况） 。钢筋混凝土板与钢梁接触处，经常设置板托，扩大板与梁接触处的承压面积，增加了板在梁支承处的截面高度，以使板的抗剪与抗冲切能力提高。同时，因为梁的截面高度增加了，因此组合梁的承载能力与刚度进一步提高，极为有利，在组合梁的设计中，在可能的情况下应考虑设置板托。钢与混凝土组合梁首先从截面组成上充分发挥了混凝土与型钢材料各自的特点，除此以外，与普通钢筋混凝土梁相比，具有以下优点：1）将钢筋混凝土板与钢梁组合成整体，使钢筋混凝土板成为组合梁的一部分（翼缘） ，因此比按非组合梁考虑，承载能力显著提高；2
18、）钢筋混凝土板组合成为全梁的一部分，因此在同样大小钢梁的情况下，组合梁比非组合梁竖向刚度明显提高；3）混凝土处于受压区（正弯矩区段） ，钢梁主要处于受拉区，两种不同材料都能充分发挥各自的长处，受力合理，节约材料；4）由于处于受压区的钢筋混凝土板刚度较大，对避免钢梁的整体与局部失稳有明显的作用；5）降低梁高与房屋总高；6）组合梁可大量节约钢材以致降低工程造价；此外，根据工程实例，组合梁用于吊车梁及桥梁等结构中，比钢梁的抗疲劳性能及抗冲击性能有所改善。5.2 长期荷载作用下钢-混凝土组合梁变形计算在正常试用阶段，组合梁中的钢梁通常出于弹性工作阶段，缓凝土压区的压应力与应变的关系虽然不保持完全线性，
19、但是压应力仍然处于应力应变曲线的上升段，故可以近似认为沿混凝土板截面高度的压应力呈线性分布。为了建立组合梁长期变形计算公式和简化起见，转采用如下假定：1）钢梁和混凝土在长期荷载作用下均处于弹性工作阶段；2）混凝土的徐变与其初始应变成比例。由于在长期何在作用期间，截面请弯矩保持不变，因此有：cscMNd（1）式中 和 分别表示由于徐变和收缩引起混凝土翼cs缘截面的钢梁截面的附加弯矩，表示如图1所示的附加轴力。表示钢梁截面形心到混凝土翼缘截面形心之间的距离。cd由混凝土徐变和收缩引起的截面附加曲率 为：（2）1cEIsI式中 和 分别为混凝土翼缘和钢梁截面的惯性矩，cIs为钢梁的弹性模量。钢梁底部
20、的附加拉应变 和混凝sE s土翼缘顶部附加压应变 分别为：c2ssMhNEIA（3）01ccshl（4）式中 表示混凝土翼缘上表面的初始应变， 表示混凝0c sh土的收缩应变。从几何关系可以得到截面附加曲率 的表达式：/sc（5）式中h表示组合梁截面高度。从式（3）可得：1cMEI（6）cs（7）将式（7） 、 （8）代入（1）便可得到 的表达式，再将式N（3） 、 （4）及式（6） 、 （7）代入式（5）并加以整理便可得到：0211cshcsdIInAn（8）5式中 ，参考文献 2，令1,/scnnE0101scIAn2Id式（8）简化为：（9）10cshA根据文献3，考虑滑移效应时钢混凝土
21、组合梁的短期曲率或初始曲率 为：s/MB（10）式中折减刚度B的表达式为：(11)/1EI式中EI 表示组合梁弹性换算界面刚度， 表示考虑组合梁钢与混凝土交界面滑移效应的刚度折减系数。因此，长期曲率可以表达为：10s cshMAdEI（12）可以由下式确定：0c0cyI（13）式中 表示弹性中和轴至混凝土板顶的距离。经推到0y可得：002chnAd（14）式中 表示混凝土翼缘厚度。所以式（12）变为：ch1cshlMAdB（15）/llEI（16）考虑混凝土徐变影响时，组合梁的长期刚度折减系数的表达式为：l1.0（17）可根据下式计算5 ：23=0.4-l（18）组合梁的弹性换算截面刚度可以按
22、下式计算：2001/scsEIAdE（19）混凝土徐变系数 和收缩应变 与长期荷载开始作用sh时混凝土的龄期及结构使用环境的相对湿度和温度有关，可以根据文献1 建议的公式进行计算。一般情况下，可取。1.0有了钢-混凝土组合梁的长期变形刚度，就可根据结构力学原理，计算包括混凝土收缩影响在内的长期变形计算公式：（201012t csht ccshMfdxABndxAMdxEI）式中 表示基本结构在单位荷载作用下引起的弯矩。M由于滑移效应引起的刚度折减系数 和徐变引起的刚度折减系数 均与坐标和弯矩无关，所以公式（20）进一步简l化为：1teelshff（21）如果混凝土收缩沿梁长为常数，上式中由混凝
23、土收缩引起的附加挠度 。1shcshfAdMx根据式（20） ，还可以求转角等。式（21）右边第1项表示短期变形或初始变形，第2项表示混凝土徐变引起的附加变形，最后一项表示由混凝土翼缘收缩引起的附加变形。4 结论组合结构充分发挥了钢材与混凝土各自的自身特点和优势，取长补短，组合结构在强度、刚度和延性等方面都比一般的钢筋混凝土结构要好，同时还方便施工，因此组合结构具有广阔的发展前景。由于混凝土的徐变性能，在荷载保持不变的情况下，钢混凝土变形会随时间的增长而发展。同样，混凝土也会产生附加应变。混凝土的徐变影响，没有反映混凝土徐变系数和钢混凝土收缩的影响，而徐变系数的大小与加载时混凝土的龄期和使用环
24、境条件钢结构理论课程论文 2012-2013 学年第 2 学期6等有关。因此有必要对组合梁变形问题以及和混凝土收缩对变形的影响进行研究和分析。对钢-混凝土组合梁的长期变形问题和钢筋混凝土短梁变形进行了分析的讨论，指出我国现行规范关于组合梁计算偏小，并建立了计算公式，反映了混凝土徐变系数大小的影响，同时还考虑了混凝土对变形的影响。参考文献:1 聂建国,沈聚敏。钢筋混凝土梁长期斜裂缝宽度的实验研究J.建筑结构学报,2000,16(3).2 聂建国,沈聚敏.钢筋混凝土在长期荷载作用下的变形J.建筑结构学报,2004,15(5).3 聂建国,沈聚敏,余志武.考虑滑移效应的钢混凝土组合梁变形计算的折减刚度法J.土木工程学报,1995,28(6).4 Asbraf F, Asbcar. Tests of reinforced concreate continuous deep beams J. ACI Struceural Jourmal , Jan Feb 1997,94(1) :3-12 .5 熊进刚,转换层钢筋混凝土短梁受剪性能试验研究D,东南大学,2001.6 王传志,膝智明,钢筋混凝土结构理论Z.北京:中国建筑工业出版社,1995.7 杨绍胤.智能建筑实用技术Z. 北京 :机械工业出版社,2002.
