组合梁设计.ppt
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1、山东科技大学钢结构工程研究所 王 来钢-混凝土组合结构1第三章 钢与混凝土组合梁 3.1 概述一、组合梁概述 组合梁即在钢梁上铺设混凝土板,可用于楼盖、屋盖、也可用于工业建筑中的操作平台,在桥梁工程的路面中同样有广泛应用。组合梁主要用于跨度大、荷载大,或者整体承重结构为钢结构的厂房、高层建筑或桥梁结构等。对于一般使用钢梁混凝土板的结构中,混凝土板只是作为楼面、屋面、平台板或桥面。对钢梁来说混凝土板只是其荷载(图)。如果使两者结合在一起,混凝土板与钢梁共同工作,则混凝土板可作为梁的翼缘而成为梁的一部分,发挥比钢梁更大的作用,无论强度和刚度都大大提高了(图)。两者的组合作用是靠焊在钢梁上,浇筑在混
2、凝土板中的剪切连接件来实现的。剪切连接件的种类与计算如第一章所述。2非组合梁截面应力组合梁截面应力3 二、组合梁的优点 当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时,宜按钢-混凝土组合梁结构设计。钢-混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件。(1)组合梁截面中混凝土主要受压,钢梁受拉,充分发挥材料特性,承载力高。承载力相同时,比非组合梁节约钢材达15%-25%。(2)混凝土板参加梁的工作,梁的刚度增大。刚度要求相同时,采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%-30%。组合梁用于高层建筑,不仅降低楼层结构高度,且显著减轻对地基的荷载。(3)组合梁的翼缘板较宽大,提高了钢梁的侧向刚度
3、,提高了稳定性。改善了钢梁受压区的受力状态,增强抗疲劳性能。(4)可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载,无需设置支撑,加快施工速度。(5)抗震性能好。(6)在钢梁上便于焊接托架或牛腿,供支撑室内管线用,不需埋设预埋件。4 钢-混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混凝土。解决钢材锈蚀问题:采用低合金钢材,这种钢材表面锈蚀后可形成保护层,阻断锈蚀继续向内部发展;采用高质量的防锈蚀油漆。三、钢梁的截面形式 组合梁中钢梁的截面形式多样,如图所示。组合梁中钢梁的截面形式5工字钢梁在跨度小、荷载轻的组合梁中,一般采用小型工字钢;荷载较大时,可在工字钢下翼缘加焊一块钢
4、板条,形成不对称工字形截面;跨度大时,也可采用焊接成型的不对称工字钢。工字钢可通过抗剪连接件与混凝土板组合,也可将上翼缘埋入混凝土板中,此时不需设抗剪连接件。箱形钢梁适用于公路和铁路桥梁及大跨度重载大梁。轻钢桁架梁及普通钢桁架梁轻钢桁架用角钢做上弦,用圆钢做下弦及腹杆;普通钢桁架的杆件采用双角钢或单角钢。桁架上弦用抗剪连接件与混凝土板组合,或将桁架上弦节点伸入混凝土板中与混凝土板的连接件,以减小上弦杆型钢的截面尺寸。蜂窝式梁将工字钢沿腹板纵向割成锯齿形的两着,然后错开对齐焊接凸出部分,形成腹部有六角形开孔的蜂窝式梁,不仅节省钢材,还增大了梁的承载力和刚度。形成蜂窝状孔之后便于管线穿过。桁架梁和
5、蜂窝式梁适用于跨度较大、荷载较轻的多层建筑。设备管线可穿过梁的空腹处,不需另占楼层空间。6用槽钢制作的组合梁边梁工字形加强下翼缘钢梁7 工字钢处于梁的受拉区,主要是下翼缘起受力作用,上翼缘处于中和轴附近,不能发挥主要受力作用,而主要是起与混凝土板的连接作用,因而往往应用上翼缘小下翼缘大的不对称工字钢。不对称工字钢的制作一般有如下三种焊接方式(如图a.b.c):a.三块钢板;b.T字钢与钢板;c.二个大小不同T字钢对接。混凝土板可以是普通钢筋混凝土板,也可以是轻骨料混凝土、预应力混凝土及压型钢板与混凝土组合板。8 钢筋混凝土板与钢梁连接处,一般设置板托。板托一般有如下作用:(1)扩大梁与板的承压
6、面积,防止混凝土板局部承压破坏;(2)提高了板在支承处(梁)的截面高度,因而提高了板的抗冲切能力;(3)使组合梁的截面高度增大,因此承载能力与刚度大大提高。因此在可能情况下应尽量设置板托,如图所示。有板托的组合梁9 如前述组合梁的组合作用主要是依靠剪切连接件,根据剪力件的配置多少分两类:(1)完全剪切连接:即在极限弯矩作用下所产生的纵向剪力,完全由所配剪力件承担。(2)部分剪切连接:剪力件所承担的总剪力小于极限弯矩下产生的纵向剪力。部分剪切连接组合梁适用于下列三种情况:(1)组合梁上各截面的弯矩达不到其极限弯矩的情况。组合梁的截面高度与钢梁的板件厚度不取决于截面所需的抗弯强度,而是主要取决于截
7、面刚度或板件的局部稳定。(2)组合梁中最大正弯矩截面达到受弯承载能力时,达不到极限弯矩的某些区段。(3)当剪切连接件的设置受构造等原因,不能按完全剪切连接设计时。目前部分剪切连接组合梁的计算方法仅适用于跨度不超过20米,以承受静力荷载为主、且没有太大集中荷载的等截面梁,采用柔性连接件。103.2 组合梁的试验研究 1.组合梁受力的三个阶段 从开始加荷到破坏,组合梁正截面经历弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段。组合梁的荷载挠度曲线 2.组合梁的开裂11 加荷到破坏荷载90%以上时,混凝土翼缘板相对于钢梁发生较大的掀起变形,连接件的水平变形较大。若横向钢筋不足,板顶面沿钢梁轴线附近出现纵向裂缝(图(a
8、)),削弱了混凝土与钢梁的共同工作,此时钢梁的屈服范围已发展到一定的高度,受压区混凝土产生塑性变形,挠度迅速增大,组合梁进入塑性阶段,直到破坏(图(b))。12 组合梁正截面受力的实测应变分布。可以看出,在钢梁下翼缘达到屈服应变以前,截面应变分布基本上符合平截面假定。3.截面的应变 实测混凝土翼缘板相对于钢梁的纵向水平滑移。表明,在钢梁的下翼缘屈服以前,钢梁与混凝土翼缘板之间的相对滑移较小,试验表明,连接件的水平滑移对组合梁极限承载力的影响很小,计算承载力时可以忽略,但对变形的影响则不能忽略。而且纵向剪力在各连接件中产生重分布,使各连接件承爱的剪力超于均匀。4.纵向水平滑移13 实测混凝土翼缘
9、板沿梁长的掀起变形。在跨中加载点附近,掀起值很小;由跨中向支座延伸,掀起值不断增大,约距支座处l0/10 处(l0为计算跨度)为最大。交界面上沿梁长的掀起变形 5.掀起变形14 一、组合梁的构造要求 1.截面尺寸抗弯能力、抗剪能力、刚度的要求:简支组合梁的高跨比为1/18-1/12,一般取1/15。混凝土板厚通常取截面高度的1/3左右,一般采用100mm,120mm,140mm,160mm;荷载特别大的平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用180mm,200mm甚至300mm。采用压型钢板的组合楼盖中,压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离不小于50mm。钢梁的截面高度ha不宜于截面总高度h 的
10、1/2.5。为保证组合梁腹板的局部稳定性,可按钢结构设计规范要求设置加劲肋。3.3 组合梁的构造要求 15组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求。有托板时,伸出长度不应小于hc2;无托板时,应同时满足伸出钢梁中心线不小于150mm、伸出钢梁翼缘边不小于50mm的要求。组合梁边梁混凝土翼缘板的构造2板托16板托顶部的宽度与高度hc2之比应不小于1.5,且板托的高度不宜大于混凝土板厚度hc1的1.5倍;板托的外形应满足图所示的构造要求,板托边缘距连接件外侧的距离不得小于40mm,板托外表轮廓应在自连接件根部算起的45仰角之外。173横向钢筋板内垂直于钢梁的横向钢筋需经计算确定,并符合最小配筋量
11、要求。横向钢筋应沿梁纵向均匀布置,其下部水平段应布置在距钢梁上翼缘50mm的范围内,因为受到连接件的局部压力作用,钢梁上翼缘附近的混凝土较易劈裂,需要配置钢筋予以加强。在混凝土板边缘到最近一排连接件中心e300mm的距离的边梁中,横向钢筋应绕过连接件做成U形筋。以保证其有足够的锚固长度,防止由于连接件引起的混凝土板的纵向劈裂。当使用栓钉连接件时,横向钢筋的直径不应小于0.5d,同时,混凝土板边缘到栓钉中心线的距离应大于6d。底部横向钢筋的间距,不应大于连接件伸出钢筋上方长度的8倍,且不超过600mm。此外,上部横向钢筋应满足混凝土板受力钢筋的构造要求。184主次梁连接 平接连接方式;叠接连接方
12、式。19二、抗剪连接件抗抗剪连接件的形状:既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。常用的抗剪连接件类型:栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、T形钢连接件等。宜优先采用栓钉连接件,因其施工方便快速,受力性能好,单位承载力用钢量最少。其次是槽钢连接件。连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系,以有利于抵抗连接件被掀起,避免混凝土发生劈裂。20抗剪连接件剪力-滑移曲线。图为栓钉、槽钢、T形钢连接件的剪力-滑移曲线。由图可知,栓钉和槽钢等连接件的刚度较小,变形能力较大,这类连接称为柔性连接件;T形钢连接件的刚度较大,变形能力较小,称为刚性连接件,目前已很少采用。抗剪连接件剪力滑移曲线213.4 组合梁施工阶段计算一.施
13、工时设置临支撑的组合梁施工阶段在钢梁下设置一系列临时支撑,可以近似认为钢梁在施工阶段不产生应力。混凝土硬化达到设计强度的75%后,拆去临时支撑,混凝土板和钢梁自重、使用荷载以及后加的恒载全部由组合梁承担(图(a))。临时支撑的数量应根据施工阶段变形控制要求确定,跨度大于7m时,不少于3个;小于7m时,设置1-2个。这种施工方法可以减小使用阶段组合梁的挠度,但需要有较多的抗剪连接件以抵抗混凝土与钢梁间的滑移。对施工时设置临时支撑的组合梁,可不进行施工阶段验算。组合梁的施工方法 22二.施工时无临支撑的组合梁混凝土硬化前,钢梁、模板和混凝土板的自重以及施工荷载均由钢梁承担;混凝土硬化后,恒载、使用
14、荷载及后加荷载由组合梁承担(图(b))。施工阶段的荷载仅由钢梁承担,故应按钢结构设计规范的要求验算施工阶段钢梁的截面正应力、腹板剪应力、整体稳定及变形。无临时支撑组合梁在使用阶段的挠度较大。这种施工方法常用于混凝土板自重不大的楼盖结构。在施工阶段,当钢梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比不超过钢结构设计规范规定的最大值时,可不进行整体稳定验算。233.5 组合梁的承载力计算一.组合梁受弯承载力 组合梁设计的内容应包括:受弯承载力计算、受剪承载力计算、抗剪连接件的数量和布置、混凝土翼缘板及其板托纵向界面受剪承载力计算、变形验算、负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算以及构造设计。1.计算方法弹性
15、计算理论。早期的钢-混凝土组合梁承载力设计计算方法。把混凝土翼缘板按钢与混凝土的弹性模量比折算成钢材截面,然后按材料力学方法计算截面的最大应力,并使其小于材料的容许应力。这一计算方法不考虑塑性变形发展带来的承载力潜力。适合于重复荷载的组合梁(包括疲劳强度)。24塑性设计方法。考虑梁破坏前塑性变形的发展,更符合组合梁的实际受力情况。但是,按塑性理论计算时,组合梁的塑性变形较大,构件刚度降低很多,容易发生局部压屈,以致材料的强度不能充分发挥,导致承载力的降低。组合梁受弯时塑性中和轴的位置有两种情况。当塑性和轴位于钢梁腹板内时,受压区内的钢梁上翼缘及钢梁腹板有可能产生局部压屈。当塑性中和轴位于混凝土
16、翼缘板内时,钢梁位于截面的受拉区,不会产生局部压屈。为保证计算可靠,按塑性方法计算时应采取措施保证钢梁截面腹板和翼缘足够的刚度,即在达到塑性受弯承载力前,截面能产生足够的塑性转角而不发生局部屈曲。为此,钢结构设计规范规定了按塑性方法设计的板件宽厚比限值,此时截面称为密实截面;否则为纤细截面,应按弹性理论计算。25组合梁板件宽厚比限值截面形式截面形式翼缘翼缘腹板腹板与前项工字形截面的腹板相同与前项工字形截面的腹板相同26混凝土翼缘板的计算宽度be。组合梁截面中,混凝土翼缘板内压应力是通过抗剪连接件传递的。所以,受弯时沿翼缘板宽度方向板内的压应力分布并不均匀,在钢梁轴线附近较大,距轴线较远的板中压
17、应力较小。简化之,计算时取计算宽度be,并假定在be范围内压应力均匀分布。计算宽度be与梁的高跨比、荷载作用形式、翼缘厚度与梁高比值、钢梁间距等有关。上翼板的计算宽度按下式取值:b0板托顶部宽度。当板托倾角450时,应按=450计算板托顶部的宽度;当无板托时,则取钢梁上翼缘的宽度;b1、b2梁外侧和内侧的翼板计算宽度,各取梁跨度的l/6和翼板厚度hc1的6倍中的较小值。此外,b1尚不应超过翼板实际外伸宽度S1;b2不应超过相邻钢梁上翼缘或板托间净距的1/2。当为中间梁时,取b1等于b2。27混凝土翼缘板的计算宽度be282.受弯承载力计算 (1)按塑性理论计算的基本假定混凝土翼缘板与钢梁为完全
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