型钢混凝土梁设计课件

型钢混凝土梁设计,指导教师： 张鹏鹏 学 生：樊华 学 号：132081402044,主要内容,第一节 基本概念 第二节 型钢混凝土梁受力性能和破坏形态及截面应力分析 第三节 型钢混凝土梁正截面承载力计算 第四节 型钢混凝土梁斜截面承载力计算 第五节 型钢混凝土梁裂缝和变形验算,第一节 基本概念,1、型钢混凝土组合构件的概念 2、型钢混凝土构件的配置形式 3、型钢混凝土组合结构的特点 4，型钢混凝土组合结构的分类 5、型钢混凝土组合结构的计算方法,1、型钢混凝土组合构件的概念,型钢混凝土组合构件是一种由核心部分的型钢（section steel），外部的钢筋（reinforcing steel bar）和混凝土（concrete）三种材料组成能协同工作的组合构件。,2、型钢配置形式,3、型钢混凝土组合结构的特点,(1)与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构的特点： 变形能力强、抗震性能好。 钢筋混凝土结构由于混凝土材料的脆性特性，特别是当同一层的柱刚度相差较大、负担剪力不均衡或是当结构存在较大的偏心扭转时，构件容易发生剪切破坏，结构的延性较差。型钢混凝土由于型钢的存在，构件延性得到很大的改善。 在截面尺寸相同的条件下，可以合理配置较多的钢材。 超高层建筑底层柱的轴力很大，当采用钢筋混凝土构件时，为了满足规范对轴压比的要求，柱截面尺寸通常很大、而这类短柱的延性往往很差。如果采用型钢混凝土构件，就可以大大提高含钢率，使柱子的承载能力与变形能力显著提高。,3、型钢混凝土组合结构的特点,当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时，采用型钢混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。 在施工时，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，并可承受模板的重量。如果再利用压型钢板作为钢筋混凝土楼板的模板的话，可以大大节省模板工作量。 由于在构件中同时存在型钢与钢筋，浇筑混凝土比较困难。 用钢量大，建设费用较高。型纲混凝土结构的用钢量为80-180，其中型钢占总用钢量的2050。,3、型钢混凝土组合结构的特点,(2)与纯钢结构相比，型钢混凝土结构的特点 混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，经济性较好，可节省钢材。 结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，结构的水平位移易满足要求。 混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生，如果结构构件设计合理，就能保证很好的延性。 使用的型钢规格较小、钢板厚度较薄，比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。 结构自重较大，施工复杂程度较高。,4，型钢混凝土组合结构的分类,型钢混凝土组合结构分为两类： 第一类是全部构件均采用型钢混凝土。 第二类是部分构件采用型钢混凝土，即柱，剪力墙采用型钢混凝土构件，而框架梁采用钢梁或钢筋混凝土梁。,5、型钢混凝土组合结构的计算方法,目前，大致可以归纳为如下三种方法： （1）基于试验与数值计算经验公式的计算方法。这种计算方法是以钢结构计算理论为基础，考虑混凝土对型钢刚度的提高作用，按钢结构稳定理论计算。适用于含钢率较大的情况。 （2）基于钢筋混凝土的计算方法。这种方法假定构件内的型钢与混凝土形成一个整体，变形一致，从而采用钢筋混凝土构件的有关计算理论。 （3）承载力叠加法。这种方法是一种简单的叠加法，没有考虑钢与混凝土间的粘结力及型钢与混凝土间的约束与支撑作用。,5、型钢混凝土组合结构的计算方法,在我国主要有两种： 一种计算方法是以概率理论为基础的极限状态设计法。另一种计算方法是承载力叠加计算法。它是将型钢与混凝土分开来计算，然后叠加。,第二节 型钢混凝土梁受力性能和破坏形态及截面应力分析,1，型钢混凝土梁的受力性能和破坏形态。 2，型钢与混凝土的共同作用,1，型钢混凝土梁的受力性能和破坏形态。,研究结果表明，设有剪力连接件的实腹式型钢混凝土梁在达到极限承载力之前，型钢与混凝土基本能够共同工作。型钢与混凝土的粘结力一般不会怕坏。所以可以认为这种实腹式型钢混凝土梁截面中的型钢与混凝土的应变符合平截面假定（plane cross-section assumption）。 随着荷载的增加，型钢腹板与翼缘之间的核心混凝土受到型钢的约束，裂缝发展到型钢下翼缘附近，裂缝不随荷载增加而发展，出现裂缝发展停滞现象。 当加载到80%左右的极限荷载，受压翼缘高度处出现水平的粘结裂缝，随着荷载的增加，保护层脱落，受压区混凝土压碎构件破坏。（受压区型钢保护层越小，粘结断裂破坏越明显）,2，型钢与混凝土的共同作用,因为在型钢混凝土组合结构中，型钢的表面积和截面面积之比值较小，且表面平整，粘结强度较小，二者之间容易产生滑移，所以为了确保型钢与混凝土的共同作用，应采取以下三种措施： （1）采用充满型实腹型钢混凝土梁 （2）在型钢上翼缘处设置抗剪连接件 （3）配置必要的纵向钢筋和箍筋,第三节 型钢混凝土梁正截面承载力计算,1，基本假定 2，正截面抗弯承载力计算,1，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。,2，正截面抗弯承载力计算,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。,2，正截面抗弯承载力计算,根据上述的基本假定，我们利用平衡条件:,2，正截面抗弯承载力计算,可得基本方程： （1）非抗震设计 弯矩的平衡方程 水平力的平衡方程,2，正截面抗弯承载力计算,（2）抗震设计,2，正截面抗弯承载力计算,当 ， 时：,2，正截面抗弯承载力计算,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；,2，正截面抗弯承载力计算,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： 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：,2，正截面抗弯承载力计算,值可按平截面假定推导出： 抗震设计时，x应满足以下要求： 一级框架梁： 二，三级框架：,第四节 型钢混凝土梁斜截面承载力计算,1，型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的受剪性能差异 2，斜截面破坏形态 3，影响型钢混凝土梁斜截面受剪性能的因素 4，型钢混凝土梁斜截面的抗剪承载能力计算方法 5，抗剪承载能力计算,1，型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的受剪性能差异,（1）斜裂缝出现时。实腹式型钢具有较大的抗剪刚度，而且在梁中腹板是连续分布的，对斜裂缝的开展起着较好的抑制作用。 （2）斜裂缝出现后，型钢腹板对混凝土的拉压变形起到有效的约束作用。 （3）剪压破坏的梁是因为剪压区混凝土的破坏而达到极限承载力，与钢筋混凝土梁斜截面受剪的脆性破坏特征截然不同。,2，斜截面破坏形态,破坏形态主要有三种类型：,2，斜截面破坏形态,（1）斜压破坏 剪跨比1.5且含钢率较小的情况 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,2，斜截面破坏形态,（3）剪切粘结破坏 不配箍筋或箍筋很少、且剪跨比较大的情况 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 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,2，斜截面破坏形态,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。,3，影响型钢混凝土梁斜截面受剪性能的因素,（1）剪跨比 剪跨比（2.5）时，梁的承载力往往由弯曲应力控制，一般发生弯曲破坏 型钢混凝土梁不会发生斜拉破坏，型钢腹板可以有效阻止斜拉裂缝的产生。 均布荷载下，型钢混凝土梁的斜裂缝靠近支座，型钢腹板中正应力相对较小，承载力主要由剪应力控制，型钢腹板的受力基本上接近纯剪。,3，影响型钢混凝土梁斜截面受剪性能的因素,（2）型钢腹板含钢率 含钢率：Aw/bh0 由于型钢腹板的刚度较大，斜裂缝出现前，其剪应变与混凝土的基本一致。斜裂缝出现后，由于型钢对腹部的混凝土有约束作用，梁的抗剪刚度降低不多； 型钢腹板屈服后，对混凝土的约束丧失，梁的抗剪刚度降低较快，变形增大。但其极限变形远大于混凝土梁，表现出较好的延性性能。,3，影响型钢混凝土梁斜截面受剪性能的因素,（3）配箍率 配箍率：svAsv/bs 裂缝出现前，箍筋的应力很小，基本不起作用； 设计合理的适筋梁，剪压破坏时，箍筋基本屈服； 箍筋的约束作用还能有效防止型钢翼缘与混凝土交界面的剪切破坏,3，影响型钢混凝土梁斜截面受剪性能的因素,（4）型钢翼缘宽度与梁宽度比bf /b 型钢翼缘对梁腹部混凝土具有约束作用，能提高梁的承载力和变形能力； 但是，如果比值过大，使梁侧混凝土保护层厚度过小，容易产生剪切粘结破坏 （5）混凝土强度等级 一般，混凝土部分受剪承载力随混凝土强度提高而提高； 剪跨比一定时，抗剪承载力随混凝土强度提高 剪跨比较小时，增长率较大 剪跨比较大时，增长率较小,4，型钢混凝土梁斜截面的抗剪承载能力计算方法,分为以下三种： （1）将腹板看作连续分布的箍筋，采用混凝土梁的计算方法。 含钢量小时，基本符合实际 2）剪力分配计算方法 荷载的反复作用型钢与混凝土之间的粘结作用丧失，剪力由型钢部分和钢筋混凝土部分一起承担。 计算较复杂，不易准确,4，型钢混凝土梁斜截面的抗剪承载能力计算方法,（3）叠加方法 用型钢部分与钢筋混凝土部分受剪承载力之和作为型钢混凝土构件的受剪承载力。 我国采用此种方法,5，抗剪承载能力计算,抗剪承载能力的计算公式： 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： 2)与斜裂缝相交的箍筋承担的受剪承载力可表示为：,1)混凝土部分的受剪承载力可表示 为：,5，抗剪承载能力计算,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，基本上可取型钢纯剪状态时的剪切屈服强度,5，抗剪承载能力计算,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：,5，抗剪承载能力计算,则承载力计算公式： 非抗震设计 均布荷载作用下： 集中荷载作用下：,抗震设计： 均布荷载作用下： 集中荷载作用下：,5，抗剪承载能力计算,截面适用条件： 非抗震设计 抗震设计 为了避免型钢含量过小，要求满足,第五节 型钢混凝土梁裂缝和变形验算,1，为什么要控制裂缝宽度 2，裂缝控制的两个基本问题 3，型钢混凝土梁裂缝宽度的计算 4，型钢混凝土梁裂缝宽度的验算与裂缝控制值 5，型钢混凝土梁的刚度与变形计算,1，为什么要控制裂缝宽度,控制裂缝宽度的理由是，过大的裂缝会引起混凝土中型钢和钢筋的严重锈蚀，降低构件的耐久性，从而使结构的承载能力降低；同时，过宽的裂缝会损坏结构的外观，给人们心理上造成不安全感。,2，裂缝控制的两个基本问题,裂缝控制的两个基本问题： 裂缝宽度的计算和达到正常使用极限状态时的裂缝宽度限值。 正常使用极限状态的一个问题是型钢混凝土梁的裂缝控制，另一个问题是型钢混凝土梁的刚度和变形计算。,3，型钢混凝土梁裂缝宽度的计算,型钢混凝土受弯构件裂缝宽度计算的基本假定： （1）使用阶段截面应变符合平截面假定。 （2）钢筋，型钢和混凝土开裂前均在弹性范围内工作。 （3）开裂截面不考虑混凝土的受拉作用。 （4）非