常见混合结构及组合结构设计研究

摘要:随着经济的快速发展,城市中高层建筑越老越多。建筑结构体系是指结构抵抗外部作用的结构构件组成方式。本文重点介绍常用的混合结构体系和组合结构体系,以及压型钢板组合楼板设计方法。

关键词:混合结构 组合结构 压型钢板组合楼板

随着建筑科学和技术的发展,人们对建筑结构的特性有了进一步的了解,相继诞生了许多新的结构体系。这些结构体系使用方便,受力更加合理,既经济又便于施工。混合结构体系和组合结构体系就是其中典型的代表。

一、常见的混合结构体系

1.混凝土墙-钢框架体系

混凝土墙-钢框架体系中,混凝土墙分成预制和现浇两种。混凝土墙-钢框架体系中,钢框架是主要的承重构件,混凝土墙是主要的抗侧力构件。由于预制混凝土墙-钢框架体系是通过在框架间配置一定数量的预制钢筋混凝土墙板所组成的,所以水平荷载引起的倾覆力矩主要由钢框架和钢筋混凝土墙板所形成的联合体来承担。在现挠混凝土墙-钢框架体系中,现浇混凝土墙具有较大水平截面,而且沿高度是连续分布的,因而具有较大的抗侧移刚度。在水平力作用下,钢筋混凝土墙承担大部分水平剪力和倾覆力矩,框架部分承拉由于变形协调所分配的小部分水平剪力。

2.混凝土芯筒-钢框架体系

“混凝土芯筒-钢框架”结构体系,是指出钢筋混凝土芯筒及铰接或刚接钢框架所组成的混合结构体系。

3.混凝土框筒-钢框架体系

“混凝土框筒-钢框架”体系,是指由的混凝土框筒和内部钢框架所组成的混合结构体系。这种体系主要是靠钢筋混凝上外框筒抵抗水平荷载,内部钢框架仅需承担竖向荷载。钢柱可以按轴心受压构件计算,使截面尺寸达到最小值。外框筒也可以起到围护作用,省去了外墙板及安装工作量。在施工方面,内部钢框架的安装和外圈钢筋混凝土框筒的绕酒,可以交锗进行,从而避免厂劳力密集型的施工作业。

4.混凝上墙―钢框筒体系

“混凝土墙-钢框筒”结构体系是指由钢框筒和嵌置于钢框架间的预制钢筋混凝土墙板所组成的混合结构体系。钢框筒是一个空间结构,在水平荷载作用下,它的整体抗弯能力甚强。但用于抵抗较大的地震作用时,两腹板框架在楼层地震剪力作用下将产生较大的整体剪切变形,从而降低了框筒作为空间结构的抗推效果。对于高烈度的情况,一般通过沿房屋的纵向和横向设置一定数量的钢筋混凝土抗震墙的办法,来减小外框筒的水平地震剪力。即利用外钢框筒承拉地震引起的倾覆力矩,而地震剪力大部分由钢筋混凝土抗震墙承担。它是一种高效的空间抗推结构体系。

5.混凝土芯筒-钢框筒体系

“混凝土芯筒-钢框筒”结构体系是指由现浇钢筋混凝土芯筒和外圈钢框筒所组成的混合结构体系。该体系的典型布置内部利用中心的竖向服务井,做成钢筋混凝土实腹心筒,外筒采用钢框筒。整个体系在水平荷载的作用下,水平剪力大部分由内部钢筋混凝土芯筒承担,倾覆力矩大部分由钢框筒承担。由于钢筋混凝土抗震培在水平荷载作用下的变形呈弯曲型,而钢框筒里密切型,通过楼板协同工作后,会使结构的受力更均匀。由于芯筒比较瘦高,故墙体的弯曲应力较大,容易出现水平裂缝。通常解决的办法是在混凝土墙内设H形钢,形成暗柱来增加墙体的抗弯能力。对于总层数超过50层、楼层平面为圆形或矩形、当楼面采用核心式建筑布置方案时,可以采用这种结构体系。

二、常见的组合结构体系

1.型钢混凝土结构体系

型钢混凝上结构(SRC结构)又称钢骨混凝土结构,也叫劲性钢筋混凝土结构。它是指梁、柱、墙等杆件或构件,以型钢为骨架、外包钢筋混凝土所形成的组合结构。型钢混凝土结构具有如下的特点:1)钢筋混凝土与型钢形成整体,共同受力;2)钢筋混凝土不仅企刚度和强度上发挥作用,而且可以对型钢起防锈和防火的作用,增强了耐久性,同时节省了经常性的维护费用;3)与全钢结构相比,可节约钢材1/3左右;4)施工时,型钢骨架可作为临时支架承担上面若干层的施工荷载,也可作为下面楼层浇灌混凝土的操作平台.造价比全钢结构降低较多。

型钢混凝土结构,除广泛应用于高层建筑地面以上的结构以外,还经常用于高层钢结构的底部转换楼层:一般的高层钢结构房屋基础都采用钢筋混凝土结构,因此刚度较大。如果直接与上部钢结构相接,楼层刚度急剧变化,会引起地震塑性变形集中,同时钢柱与混凝土柱的连接构造复杂。因此常将地上一、二层改用型钢混凝土结构,作为一种过渡。

钢骨混凝上结构的适用范围较广,凡是适用于全钢结构和混凝土-钢混合结构的各种结构体系,型钢混凝土结构均可采用。这种结构体系比全钢结构构造价低,更适合于我国的经济状况。

2.钢管混凝上结构体系

钢管混凝土结构是在钢管中填入混凝土后而形成的。这种结构最宜用作轴心受压构件:其主要特点如下:1)构件的承载力大大提高。当钢管中灌入混凝土形成轴心受压钢管混凝土构件后,钢管保护了混凝土,使它三向受压,延缓了混凝土受压时的纵向开裂,使混凝土的抗压强度提高了。而内部的混凝土却保证了薄壁钢管的局部稳定,两者相互弥补了彼此的弱点,使自己的长处得到了充分的发挥。2)具有良好的塑性和韧性。混凝土的破坏通常属于脆性破坏。核心混凝土在钢管的约束下,不但使用阶段工作对改善了它的弹性性质,而且破坏时已产生很大的塑性变形,由脆性破坏转变为塑性破坏;在基本性质方面起了质的变化,使钢管混凝土表现出良好的塑性和韧性。3)经济效果显著。与钢结构柱子相比可节约钢材50%左右,造价得到了降低、与钢筋混凝土柱相比,它不需要模板,并可节约混凝土50%以上,减轻了结构自重50%以上。4)施工简单、工期短。与普通钢柱相比,构件少,焊缝短,而且柱脚构造简单。近年来国内研究成功了高位抛落无振捣及泵送顶升混凝土施工工艺以后,不但进一步缩短了工期,而且还确保了混凝土的施工质量。由于钢管混凝土具有以上的特点,特别适合我国的经济状况,应用前景广阔。钢管混凝土柱除了用于工业厂房、设备构架、塔杆等以外,还应用于多高层建筑结构中,取得了良好的效果。

三、压型钢板组合楼板设计

无论是钢结构体系,还是混合结构体系或组合结构体系,都可以采用压型钢板组合楼板。这种楼板是在特制的压型钢板上浇筑混凝土而形成的。压型钢板与混凝土之间通过粘结力或其他构造措施组合在一起,充分发挥钢和混凝土两种材料的力学性能。这种楼板的承载力高,刚度大,结构的整体性好。压型钢板可以作为混凝土的模板,从而大大加快了施工的速度,在高层建筑中得到了广泛的应用。

1.压型钢板组合扳的材料

压型钢板采用现行国家标准GB700《碳素结构钢》中规定的牌号为Q215、Q235钢,出厂时应保证压型钢板的抗拉强度、延伸率、屈服点、冷弯及其他元素的含量。

组合板所用压型钢板应采用镀锌卷板,镀锌层两面总计

275g/m2,基板的厚度为0.5-2.0mm。为增加混凝土与压型钢板沿凸肋方向的粘结作用,通常在压型钢板上焊接横向钢筋或制作成凸痕。为确保组合板的抗剪作用,减小混凝土与压型钢板之间的相对滑移,组合板必须设置端部锚固构件,如通过栓钉将压型钢板焊接于支承的钢梁上等。具体的锚固方法与支承组合板的结构体系有关。

2.基本设计原则及设计方法

(1)―般规定及设计原则

组合楼盖的设计方法应采用近似概率理论为基础的极限状态设计方法,按分项系数表达式进行计算。组合板在进行变形计算时。应采用弹性的分析方法,按荷载短期效应组合计算时,混凝土截面除以值换算成钢截面;按荷载长期效应组合计算时,则除以换算为钢截面(为钢材与混凝土的弹性模量之比)。

组合板的设计应考虑两个阶段的不同要求分别计算:1)当压型钢板作为现浇混凝土的底模时,应验算其强度和刚度。若不满足要求,宜考虑设置临时支撑;2)当移去支撑,组合作用开始工作以后,应当在全部荷载作用下验算组合板的强度、刚度和抗剪能力。

压型钢板作为模板计算时,应考虑压型钢板静荷载、湿混凝土静荷载以及施工荷载。

当压型钢板跨中变形大于20mm时,确定混凝土的自重应考虑“坑凹”效应,即因压型钢板变形而使混凝土的厚度增加。在全跨增加混凝土厚度0.7,或增设支撑。

(2)压型钢板组合板的设计方法

压型钢板组合板的设计大体上可以分成三部分,即第一部分施工阶段,压型钢板的强度与变形的验算。因为此时其上所挠的混凝土还没有达到设计强度,钢板与混凝土之间还没有形成组合作用。第二部分为组合板在承载能力极限状态下的承载力计算。第三部分为组合摄在正常使用极限状态下的变形验算。

参考文献:

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