《钢-混凝土组合结构》第5章 型钢混凝土梁.ppt
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1、1,建筑工程学院,钢混凝土组合结构,土木工程专业本科课程教学,第5章 型钢混凝土梁,2013.10,主 讲: 陈 建 锋,2,钢混凝土组合梁的分类,梁,钢包混凝土,混凝土包钢型钢混凝土,拉区钢 压区混凝土,本章内容,3,从设计角度,依据,建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ138-2001),冶金部行业标准钢骨混凝土结构设计规程(YB9082-97),平截面假定基础上的极限平衡法,一般叠加法、简单叠加法,第5章 型钢混凝土梁,方法一,方法二,4,钢混凝土组合结构涉及的主要规范,钢结构设计规范GB50017-2003,钢混凝土组合结构,钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28:90
2、圆,矩形钢管混凝土结构设计与施工规程CECS159:2004 方,梁,板,柱,型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001,钢骨混凝土结构设计规程YB9082-97,钢混凝土组合结构设计规范DL/T5085-1999,钢混凝土组合结构楼盖设计与施工规程YB9238-92,钢骨混凝土结构设计规程YB 9082-2006,CECS 230-2008 高层建筑钢混凝土混合结构设计规程,型钢混凝土梁,5,型钢混凝土组合梁设计内容,设计内容,方法一,方法二,平截面假定基础上的极限平衡法,正截面抗弯 斜截面抗剪 挠度验算 裂缝宽度验算,一般叠加法、简单叠加法,(JGJ138-2001),(YB9082
3、-97) (YB9082-2006),对应标准,混凝土梁的理论,6,型钢混凝土梁是在混凝土中主要配置轧制或焊接的型钢,其次配有适量的纵筋和箍筋。这种结构形式的梁,我们把它称为型钢混凝土梁。,5.1 概 述,7,8,型钢混凝土梁配置的型钢形式分为实腹式型钢和空腹式型钢两大类。见图5.1,本章主要介绍实腹式型钢梁。 由于在混凝土中配置了型钢,型钢混凝土梁的承载力,刚度大大提高,因而大大减小了梁的截面尺寸,增加了房间净空,即降低了房屋的层高与总高度,使其更适用于大跨,高层及超高层建筑中。 型钢混凝土梁不仅强度高,刚度大,而且有良好的延性和耗能性能,尤其适合于抗震区的建筑。,5.1 概 述,9,5.2
4、.1 型钢 1. 含钢率 含钢率是指型钢混凝土梁内的型钢截面面积与梁全截面面积的比值。梁中的型钢含钢率宜大于4%,较为合理的含钢率为5%8%。 2. 型钢的级别、形式及保护层厚度 型钢混凝土梁中的型钢宜采用Q235或Q345钢,5.2 型钢混凝土梁的构造要求,10,(1) 钢混凝土梁中型钢的型式宜采用对称截面的、充满型、宽翼缘的实腹式型钢。充满型是指型钢受压翼缘位于梁截面的受压区内,受拉翼缘位于梁截面的受拉翼缘内。 (2)型钢可采用轧制的或由钢板焊成的工字型钢或H型钢,见图5.2.1a;为了便于剪力墙竖向钢筋或管道的通过也可采用双槽钢连接而成的截面形式,见图5.2.1b ,11,(3)实腹式型
5、钢的翼缘和腹板宽厚比限值:表5.2.1 (4)型钢混凝土梁内的型钢板件(钢板)厚度不宜小于6 (5)型钢混凝土梁的保护层厚度不宜小于100,12,1.型钢上设置的抗剪连接件,宜采用栓钉,不得采用短 钢筋代替栓钉. 2.型钢混凝土梁中需要设置栓钉的部位,可按弹性方 法,计算型钢翼缘外表面处的剪应力,相应于该剪应 力的剪力,全部由栓钉承担. 3.栓钉应符合国家标准GB10433圆柱头焊钉的 规定 4.型钢上设置的抗剪栓钉直径规格,宜选用19, 或22,其长度不宜小于4倍栓钉直径。 5.栓钉的间距不宜小于6倍的栓钉直径。,5.2.2 栓钉,13,1.型钢混凝土梁中的纵向受力钢筋宜采用HRB335与H
6、RB400级热轧钢 筋。 2.纵向受拉钢筋的配筋率宜大于0.3%。 3.梁的受拉侧和受压侧纵向钢筋配置均不宜超过两排,且第二排只能在梁的两侧设置钢筋,以免影响梁底部混凝土浇筑的密实性 4.直径不宜小于16,间距不应大于200,纵筋以及与型钢骨架之间的净距不应小于30,和1.5d(d为钢筋的最大直径)。 5.梁的截面高度hw450时,应在梁的两侧面,沿高度每隔200设置一根直径不小于10的纵向钢筋,且腰筋与型钢之间宜配置拉结钢筋,以增强钢筋骨架对混凝土的约束作用,并防止因混凝土收缩引起的梁侧面裂缝。,5.2.3 纵向受力钢筋,14,1. 梁端第一肢箍筋应设置在距柱边不大于50处,非加密区的箍筋最
7、大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。 2. 在梁的箍筋加密区段内,宜配置复合箍筋,且符合国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2010的规定。 3. 箍筋加密区长度,箍筋最大间距和箍筋最小直径应满足表5.2.2的要求。,5.2.4 箍筋,15,4 .箍筋的配箍率满足如下要求: 非抗震设计: sv=0.24ft/fyv 抗震设计: 对于抗震等级为一级时,sv0.30 ft/fyv 对于抗震等级为二极时,sv 0.28 ft/fyv 对于抗震等级为三级时,sv0.26 ft/fy,16,5.2.5 截面尺寸 1. 型钢混凝土梁的截面宽度不应小于300mm,主要是为了浇筑混凝土方便。 2. 为了
8、确保梁的抗扭和侧向稳定,梁截面高度不宜大于其截面宽度的4倍,且不宜大于梁净跨的1/4。 5.2.6 混凝土强度等级 型钢混凝土梁混凝土强度等级不宜低于C30。,17,在oa段弹性阶段 , M-f曲线为直线 ;在ab段,首先在纯弯段开始出现裂缝;大约加载到极限荷载的50%左时,裂缝基本上出齐,该阶段中的型钢和纵向受拉钢筋的受力仍处于弹性阶段,5.3 型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算,5.3.1 试验研究分析,18,bc段: 此时截面刚度大大降低,M-f曲线明显弯曲。继续加载到极限荷载80%时,型钢受压翼缘出现水平粘结裂缝,型钢上翼缘达到受压屈服,仅有腹板中部的一部分截面尚处于弹性受力状态。此时梁
9、的截面刚度已很小,受压区混凝土的应力发展显著加快,M-f曲线接近水平线。,19,cd段: 当荷载加到极限荷载时,断续的水平粘结裂缝贯通,受压区混凝土保护层剥落,受压区混凝土被压碎,型钢混凝土梁宣告破坏。 de段: 此阶段梁的受弯承载力主要依靠型钢维持,变形可以持续发展很长一段时间,延性性能比钢筋混凝土梁好。,20,通过实验发现,型钢混凝土梁达到最大承载力之前,梁中的型钢截面的应变分布与混凝土截面的应变分布基本上协调一致,中和轴重合,且接近于直线分布 结果表明,型钢与混凝土的粘结作用在受到最大荷载之前一般不会破坏。二者能够很好的共同作用,因此,可假定型钢混凝土梁中型钢与混凝土的应变符合平截面假定
10、。,5.3.1 试验研究分析,21,1.型钢混凝土梁正截面承载力计算方法一 (平截面假定基础上的极限平衡法) 对于配置充满型、实腹式型钢混凝土梁,其正截面 受弯承载力计算,其行业标准JGJ1382001型钢混凝 土组合结构技术规程给出了如下计算方法。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,22,(1)基本假定 1)截面应变保持平面 2)不考虑混凝土的抗拉强度 3)受压边缘混凝土极限压应变cu取0.003,相应的 最大应力取混凝土轴心抗压强度设计值1fc 。 4)受压区混凝土的应力图形简化为等效矩形,其高 度取按平截面假定的中和轴高度乘以系数1 。 5)型钢腹板的拉压应力图形均为梯形。在设计
11、计算 时,简化为等效的矩形应力图形。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,23,6)纵向钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模 量的乘积,但不大于设计值。受拉钢筋和型钢受拉 翼缘的极限拉应变su取0.01 (2)计算原则 把型钢翼缘作为纵向受力钢筋的一部分,并在下面的平衡方程式中分别增加了型钢腹板受弯承载力项Maw和型钢腹板轴向力承载项Naw的确定,它是通过对型钢腹板应力分布积分,再做一定的简化求出来的。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,24,(3)承载力计算 1)计算简图 型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算简图见下图,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,25,2)计算公式 当
12、 , 时,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,26,式中 -相对受压区高度 -相对界限受压区高度 -分别为型钢腹板的上端、下端至梁截面混凝土 受压区上边缘距离与的比值; -型钢腹板承受的轴向合力 -型钢腹板承受的轴向合力对于型钢受拉翼缘 和纵向受拉钢筋合力点的距;,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,27,3)公式适用条件 为了保证型钢混凝土梁发生破坏时,先是型钢下翼缘和纵向受拉钢筋屈服,然后受压区混凝土被压碎,具有良好的塑性变形性能。截面受压区高度应满足: 为了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:,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力
13、计算,28,值可按平截面假定推导出: 2型钢混凝土梁正截面承载力计算方法二(叠加法、简单叠加法) 对于型钢混凝土梁正截面受弯承载力验算,行业标 准YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程给出了如下计 算方法。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,29,(1)一般叠加计算方法 1)表达式 对于型钢混凝土梁正截面承载力计算的一般叠加法 的表达式为: 式中 钢骨混凝土梁的弯矩设计值; 梁中钢骨部分的受弯承载力及钢筋混凝土 部分的受弯承载力,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,30,2)计算步骤 需要通过多次试算,才能取得正确结果。 (2)简单叠加法 对于钢骨为双轴对称的充满型实腹型钢,即
14、钢 骨截面形心与钢筋混凝土截面的形心重合时,如图 5.3.4,型钢混凝土梁的正截面受弯承载力可按下列 方法计算。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,31,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,32,1)计算公式 式中 型钢混凝土梁弯矩设计值。 梁内钢骨部分的受弯承载力; 梁内钢筋混凝土部分的受弯承载力; 2)钢骨的受弯承载力 型钢混凝土梁内钢骨的受弯承载力Mssby,按下式计算:,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,33,式中 钢骨截面的弹性抵抗矩; 钢骨截面塑性发展系数,对工字形截面的钢 骨 钢骨材料的抗压、抗拉强度设计值; 3)钢筋混凝土部分受弯承载力 a.型钢混凝土梁的
15、钢筋混凝土部分,见图5.3.5,其 受弯承载力按下列公式计算:,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,34,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,35,b. 型钢混凝土梁钢筋混凝土部分受压区高度x, 应符合下列要求: 梁截面的有效高度,即受拉钢筋截 面面积形心到梁截面受压区外边缘 的距离; 梁截面混凝土受压区扣除其中钢骨 截面面积后的等效宽度。,5.3.2 型钢混凝土梁正截面承载力计算,36,对于钢骨为充满型、非对称、实腹型的型钢混凝土梁,即梁受压区的钢骨翼缘宽度小于梁受拉区的钢骨翼缘宽度,见图5.3.6,其正截面承载力仍可按简单叠加法关于对称截面钢骨的计算方法。只不过此时可将受拉翼缘
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