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钢骨混凝土结构的概况及优缺点
编辑:深圳市金利亚钢结构有限公司   时间:2020-06-06

钢骨混凝土结构的概况及优缺点

  由混凝上包裹型钢做成的结构被称为型钢混凝土结构。它的特征是在型钢结构的外面有一层混凝土的外壳。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。我国过去也采用劲性钢筋混凝土这个名称。

  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。实腹式型钢可由型钢或钢板焊成,常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成。由型钢混凝土柱和梁可以组成型钢混凝土框架。框架梁可以采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁。在高层建筑中,型钢混凝土框架中可以设置钢筋混凝土剪力墙,在剪力墙中也可以设置型钢支撑或者型钢桁架,或在剪力墙中设置薄钢板,这样就组成了各种型式的型钢混凝土剪力墙。型钢混凝土剪力墙的抗剪能力和延性比钢筋混凝土剪力墙好,可以在超高层建筑中发挥作用。

  型钢混凝土与钢筋混凝土框架相比较具有一系列的优点:

  1.型钢混凝土的型钢可不受含钢率的限制,其承载能力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件的承载能力一倍以上;可以减小构件的截面,对于高层建筑,可以增加使用面积和楼层静高。

  2.型钢混凝土结构的施工工期比钢筋混凝土结构的工期大为缩短。型钢混凝土中的型钢在混凝土浇灌前已形成钢结构,具有相当大的承载能力,能够承受构件自重和施工时的活荷载,并可将模板悬挂在型钢上,而不必为模板设置支柱,因而减少了支模板的劳动力和材料。型钢混凝土多层和高层建筑不必等待混凝土达到一定强度就可继续施工上层。施工中不需架立临时支柱,可留出设备安装的工作面,让土建和安装设备的工序实行平行流水作业。

  3.型钢混凝土结构的延性比钢筋混凝土结构明显提高,尤其是实腹式的构件。因此在大地震中此种结构呈现出优良的抗震性能。日本抗震规范规定高度超过45m的建筑物不得使用钢筋混凝土结构。而型钢混凝土结构则不受此限制。

  4.型钢混凝土框架较钢框架在耐久性、耐火度等方面均胜一筹。

  我国在50年代就从前苏联引进了劲性钢筋混凝土结构;六十年代以后,由于片面强调节约钢材,型钢混凝土结构就难于推广应用;八十年代以后,型钢混凝土又一次在我国兴起。日本为我国设计的北京国际贸中心、香格里拉饭店和京广大厦等超高层建筑的底部几层都是型钢混凝土结构。我国在八十年代中期开始兴起对型钢混凝土结构研究的热潮。在上海、重庆等城市也建成了这种类型的建筑物,但型钢混凝土结构在我国的应用还刚刚开始,其建筑面积还不到建筑总面积的千分之一。七外包钢混凝土结构的概况及优缺点外包钢混凝土结构(以下简称外包钢结构)是外部配型钢的混凝土结构。是在克服装配式钢筋混凝土结构某些缺点的基础上发展起来的,仿效钢结构的构造方式,是钢与混凝土组合结构的一种新型式。外包钢结构由外包型钢的杆件拼装而成。杆件中受力主筋由角钢代替并设置在杆件四角,角钢的外表面与混凝土表面取平,或稍突出混凝土表面0.5—1.5mm.横向箍筋与角钢焊接成骨架,为了满足箍筋的保护层厚度的要求,可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接。

  外包钢混凝土结构主要有以下几点优点:

  1.构造简单:外包钢结构取消了钢筋混凝土结构中的纵向柔性钢筋以及预埋件,构造简单,有利于混凝土的捣实,也有利于采用高标号混凝土,减小杆件截面,便于构件规格化,简化设计和施工。

  2.连接方便:外包钢结构的特点就在于能够利用它的可焊性,杆件的连接可采用钢板焊接的干式接头。管道等的支吊架也可以直接与外包角钢连接。和装配式钢筋混凝土结构相比,可以避免大最钢筋剖口焊和接头的二次浇灌混凝土等工作。

  3.使用灵活:外包角钢和箍筋焊成骨架后,本身就有一定强度和刚度,在施工过程中可用来直接支承模板,承受一定的施工荷载。这样施工方便、速度快,又节约了材料。

  4.抗剪强度提高:双面配置角钢的杆件,极限抗剪强度与钢筋混凝土结构相比提高22%左右。

  5.延性提高:剪切破坏的外包钢杆件,具有很好的变形能力,剪切延性系数和条件相同的钢筋混凝上结构相比要提高一倍以上。二、钢骨混凝土结构钢骨混凝土构件可应用于多、高层建筑及一般构筑物中,目前在我国主要应用于高层建筑中。

  (一)钢骨混凝土结构的特性

  钢骨混凝土构件是指钢骨与外包钢筋混凝土共同承受荷载的梁、柱、墙构件。实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能,空腹式钢骨混凝土构件的抗震性能与普通钢筋混凝土构件基本相同。

  目前在抗震结构中多采用实腹式钢骨混凝土构件。实腹式钢骨通常采用由钢板焊接拼制成或直接轧制而成的工字形、口字形、十字形截面。

  与钢结构相比,钢骨混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲.提高构件的整体刚度,改善钢构件出平面扭转屈曲性能,使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构,一般可比纯钢结构节约钢材达50%以上。外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。钢骨混凝土结构比钢结构具有更大的刚度和阻尼,有利于控制结构的变形和振动。钢骨混凝土结构与钢筋混凝土结构相比,由于配置了钢骨,使构件的承载力大大提高,减小梁、柱截面,尤其是抗剪承载力提高和延性加大,可显著改善抗震性能。钢骨架本身具有一定承载能力,可以利用它承受施工阶段荷载,将模板悬挂在钢骨架上,省去支模,有利于流水作业.缩短施工工期。钢骨混凝土结构的缺点是既要求钢构件制造及安装,又要求支模、绑钢筋、浇筑混凝土;施工工序增加。

  在钢骨混凝土构件中,钢骨与混凝土能否共同工作是构件设计理论的基础。试验表明,当钢骨翼缘位于截面受压区.且配置一定数量钢筋和钢箍,钢骨与外包混凝土能保持较好地共同工作,截面应变分布基本上符合平戴面假定。但试验也表明,除了要设置足够箍筋,以约束混凝土,增强其粘结力外.在某些内力传递较大的部位.如柱脚、构件类型转换部位等.还要设置栓钉,防止钢骨与混凝土之间的相对滑移。

  (二)钢骨混凝土结构的特性

  1.结构类型和构件布置钢骨混凝土构件可适用于全部采用钢骨混凝土构件的钢骨混凝土结构。也可适用于与其他类型(钢或钢筋混凝土)抗侧力结构组成的混合结构中。而且不论什么结构体系,如框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、框架-支撑、简中简、巨型框架等。其中的梁、柱、墙等构件均可采用钢骨混凝土构件。在多数情况下高层建筑中只在少数层或局部区域中采用钢骨混凝土构件。

  结构可自下向上采用不同的结构材料,如混凝土→钢骨混凝土→钢,或钢骨混凝土→混凝土等。即可在不同的抗侧力单元中分别采用钢骨混凝土、钢或钢筋混凝土结构,也可在同一抗侧力结构中梁、柱(或墙)分别采用不同材料。

  钢骨混凝土剪力墙可采用有边框剪力墙及无边框剪力墙两种形式。无边框钢骨混凝土剪力墙由设置于暗注中的钢骨与钢筋混凝土剪力墙组成.可用于剪力墙及核心筒结构。钢骨混凝土应用于高层建筑,抗震设防的结构应特别注意结构在平面以及沿高度的刚度均匀。

  2.抗风与抗震有钢骨混凝士构件的高层建筑结构在进行抗风及抗震设计时,包括以下内容: (1)风荷载计算;(2)地震作用计算;(3)侧移控制;(4)风振控制等。

  钢骨混凝土构件的断面较钢筋混凝土构件小,但组成抗侧力结构的刚变不一定小。可以认为钢骨混凝土结构的阻尼比、刚变、混凝土开裂等性能均与钢筋混凝土结构接近。

  在混合结构中.主要抗侧力构件为钢结构的建筑,抗风及抗震验算宜按现行标准(高层民用建筑钢结构技术规程)进行。主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构或钢骨混凝土结构的建筑,抗风及抗震验算宜按现行标准(钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程)进行计算。一般情况下,以钢骨混凝土抗侧力结构为主的结构宜按钢筋混凝土结构的侧移限制设计。

  3.结构设计与计算在结构设计时,对结构内力及位移进行的分析都是在弹性范围内,可分别参照高层钢结构或钢筋混凝土结构计算的一般原理及基本假设进行计算。

  在进行结构整体内力和变形分析时,钢骨混凝土构件的刚度按下列方法确定:

  (1)在钢骨混凝土梁柱构件中,钢骨比钢筋含钢率大,对构件刚度的影响不能忽略,可采用叠加方法计算钢骨混凝土梁、柱构件的刚度,轴向刚度、抗弯刚度和抗剪刚度可采用钢骨部分刚度与钢筋混凝土部分的刚度之和。

  (2)在剪力墙中,一般无边框剪力墙配置的钢骨相对较小,与剪力墙整个截面的面积与惯性矩相比,它占的比例较小,为简化计算可以忽略。

  而有边框剪力墙中,往往边框柱内钢骨含钢率较大,它处于剪力墙两端,因此采用将钢骨折算为等效混凝土面积、按工字形面积计算其轴向及抗弯刚度。

  在设计混合结构时,按照不同设防烈度对钢骨混凝土构件及钢构件进行设计,结构中的钢筋混凝土构件,可根据具体的结构体系,选择结构中的钢筋混凝土构件的抗震等级,并满足相应的抗震设计要求。承载力验算时,钢骨混凝土构件的承载力抗震调整系数rRE是参照混凝土构件系数制定的。

  (三)钢骨混凝土梁柱节点构造

  框架梁柱节点核心区设计时应保证传为明确,安全可靠,施工方便。节点核心区不允许有过大的局部变形。梁、柱内力通过节点传递,节点工作的安全可靠,是保证结构正常工作的前提。近年来,国内外学者对型钢混凝土节点进行了许多试验研究,提出了各种理论分析与实用计算方法。根据梁、柱型式不同,其节点大致有以下几种类型。

  1.钢骨混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接

  (1)配角钢桁架的梁、柱节点一般柱宽梁窄的情况,梁中型钢可在柱型钢内侧穿过。

  (2)配实腹工字钢(或H型钢)的梁柱节点一般柱中型钢在节点中贯通,梁中型钢在柱型钢两侧断开,并与柱型钢翼缘用焊接或螺栓连接。在节点中柱型钢翼缘之间,分别在梁型钢上下翼缘水平处各设一道足够刚强的柱加劲肋,以保证梁翼缘的拉力可靠地传递到节点,并防止柱型钢翼缘板发生局部弯曲。

  2.钢骨混凝土梁—钢筋混凝土柱的连接梁中型钢可在节点中通过,而柱筋则在梁型钢翼缘两侧及翼缘中通过,保持贯通。若柱筋在梁翼缘中穿过,梁翼缘因柱筋穿孔而被削弱,因此对梁翼缘应予加强。使其不低于未削弱时梁型钢的抗弯能力。

  3.钢筋混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接梁筋在柱两侧断开,但应与柱翼缘可靠焊接,并在柱型钢翼缘之间,梁筋水平处设置足够刚强的加劲肋。为便于浇灌节点核心区的混凝土,加劲肋可以不是通长的,仅在柱型钢翼缘处局部设置。大多数情况下,节点区仅靠型钢抗剪其强度已足够,否则可增加节点区的加劲板来增强抗剪能力。型钢混凝土框架的中间节点,有纵向梁的约束,提高抗剪能力,允许在节点范围内不配置箍筋,有利简化施工。

  4.钢梁—钢骨混凝土柱的连接节点区钢骨部分的连接构造应与钢结构的节点连接要求相一致。在柱钢骨内梁翼缘水平位置处应设置加劲肋,其构造应便于混凝土浇灌,并保证混凝土密实。


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