第五章-型钢混凝土结构课件.ppt

1、v第五章第五章 型钢混凝土结构型钢混凝土结构 Steel Reinforced Concrete Steel Reinforced Concrete StructuresStructures 主讲主讲:程安春程安春5.3 型钢混凝土梁斜截面承载能力分析型钢混凝土梁斜截面承载能力分析 5.3.1 试验研究与破坏形态试验研究与破坏形态 型钢混凝土梁的剪切破坏形态一般有三类：型钢混凝土梁的剪切破坏形态一般有三类：1.1.剪切斜压破坏：剪切斜压破坏：一般当剪跨比很小一般当剪跨比很小()()时发生；时发生；2.2.剪切粘结破坏：剪切粘结破坏：这是因为型钢混凝土构件中，型钢与混凝土粘结力差这是因为型钢混凝

2、土构件中，型钢与混凝土粘结力差是其薄弱环节，因此当剪跨比较小时，有时会发生剪切粘结破坏，产生是其薄弱环节，因此当剪跨比较小时，有时会发生剪切粘结破坏，产生 剪切粘结破坏裂缝剪切粘结破坏裂缝 。配置箍筋能增加对混凝土的约束，对防止粘结破坏有利。配置箍筋能增加对混凝土的约束，对防止粘结破坏有利。对受均布荷载的梁，由于梁上有荷载对受均布荷载的梁，由于梁上有荷载“压迫压迫”作用，所以保护层不易作用，所以保护层不易发生粘结剥落。发生粘结剥落。3.3.弯剪破坏（剪压破坏）：弯剪破坏（剪压破坏）：当剪跨比较大时（当剪跨比较大时（）发生剪压破坏，）发生剪压破坏，先由弯矩影响产生垂直裂缝，随剪力增加发展为斜裂缝

3、，最后剪压区混先由弯矩影响产生垂直裂缝，随剪力增加发展为斜裂缝，最后剪压区混凝土压碎而破坏。凝土压碎而破坏。5.3.2 影响梁抗剪能力的因素影响梁抗剪能力的因素1.1.剪跨比：剪跨比：实际反映了弯剪共同作用时，弯矩与剪力作用所实际反映了弯剪共同作用时，弯矩与剪力作用所5.12VhM占比例。占比例。越大说明以弯矩为主，越大说明以弯矩为主，越小说明以剪力为主。越小说明以剪力为主。所以剪跨比不仅影响到构件抗剪强度，而且影响到破坏形态，一般所以剪跨比不仅影响到构件抗剪强度，而且影响到破坏形态，一般 发生剪切斜压破坏，发生剪切斜压破坏，发生剪切粘结破坏，发生剪切粘结破坏，发生弯曲剪切破坏（剪压破坏），发

4、生弯曲剪切破坏（剪压破坏），发生弯曲破坏。发生弯曲破坏。越小（越小（M 影响越小）抗剪强度较高，影响越小）抗剪强度较高，越大（越大（M 影响越大）抗剪影响越大）抗剪强度越低。强度越低。2.2.加载方式：加载方式：均布荷载作用下，粘结力较好，抗剪强度高，同时剪跨比均布荷载作用下，粘结力较好，抗剪强度高，同时剪跨比对其影响不大；集中荷载作用下，抗剪强度较低，同时剪跨比对其影响对其影响不大；集中荷载作用下，抗剪强度较低，同时剪跨比对其影响明显。明显。3.3.混凝土的强度等级：混凝土的强度等级：混凝土强度影响到斜压杆强度，剪压区强度以及混凝土强度影响到斜压杆强度，剪压区强度以及粘结力等。粘结力等。4.

5、4.含钢率与型钢强度：含钢率与型钢强度：含钢率越高，型钢强度越高，抗剪能力越大。含钢率越高，型钢强度越高，抗剪能力越大。5.5.宽度比：宽度比：在一定范围内越大，型钢约束的混凝土相对较多，梁的在一定范围内越大，型钢约束的混凝土相对较多，梁的抗剪强度与变形能力提高。抗剪强度与变形能力提高。6.6.型钢翼缘的保护层：型钢翼缘的保护层：保护层太小，易发生粘结破坏，产生较大滑移。保护层太小，易发生粘结破坏，产生较大滑移。5.10.25.1 0.30.2 0.3bbf/7.7.含箍率：含箍率：钢箍本身承担剪力，且能约束混凝土，因此使抗剪能力提高，钢箍本身承担剪力，且能约束混凝土，因此使抗剪能力提高，因此

6、在配实腹钢的型钢混凝土构件，必须配置必要的钢箍。因此在配实腹钢的型钢混凝土构件，必须配置必要的钢箍。5.3.3 配实腹式型钢的抗剪承载力计算配实腹式型钢的抗剪承载力计算 斜压破坏的型钢混凝土梁，在剪切破坏前大致平行的斜裂缝将剪跨斜压破坏的型钢混凝土梁，在剪切破坏前大致平行的斜裂缝将剪跨区的混凝土分割成若干斜压杆。混凝土和型钢腹板一起参加斜压杆工作。区的混凝土分割成若干斜压杆。混凝土和型钢腹板一起参加斜压杆工作。由于斜压杆主要传递轴向压力，因此全梁犹如一个拱，斜压杆作为传递由于斜压杆主要传递轴向压力，因此全梁犹如一个拱，斜压杆作为传递压力拱圈，型钢受拉翼缘及纵向受拉钢筋作为拱的拉杆，因此，剪切斜

7、压力拱圈，型钢受拉翼缘及纵向受拉钢筋作为拱的拉杆，因此，剪切斜压破坏可假定为拉拱作用机理。压破坏可假定为拉拱作用机理。弯曲剪切破坏的应力见图弯曲剪切破坏的应力见图4.344.34梁的抗剪承载力计算公式梁的抗剪承载力计算公式混凝土抗力混凝土抗力 其中其中 为混凝土的抗力系数。为混凝土的抗力系数。svswcVVVV0bhfVcc（5 5.29.29）（5 5.30.30）图4.8 弯曲剪切破坏时的应力图形vvsfvvsvcswvc1图图5.14 弯曲剪切破坏时的应力图形弯曲剪切破坏时的应力图形型钢腹板的抗力型钢腹板的抗力 为型钢的抗力系数为型钢的抗力系数 钢箍承担的剪力钢箍承担的剪力:均布荷载均布

8、荷载 集中荷载集中荷载 在试验的基础上回归分析，并参考到可靠指标的要求，得出：在试验的基础上回归分析，并参考到可靠指标的要求，得出：均布荷载作用下均布荷载作用下的矩形梁，以及的矩形梁，以及T T形梁工字形梁形梁工字形梁注：注：或将式右边第一项或将式右边第一项 改为改为 其中，其中，为型钢腹板厚度与高度，为型钢腹板厚度与高度，为型钢抗拉强度设计值，其余符号用同为型钢抗拉强度设计值，其余符号用同混凝土规范混凝土规范。wwsswhtfV58.002.1hfSAVyvsvsv08.0hfSAVyvsvsv002.158.007.0hSAfhtfbhfVsvyvwwsc（5 5.34.34）007.0b

9、hfc07.0bhftsfwwht,（5 5.31.31）（5 5.32.32）（5 5.33.33）上式中，第一项为混凝土的抗力；第二项为型钢的抗力（只考虑腹上式中，第一项为混凝土的抗力；第二项为型钢的抗力（只考虑腹板作用）；第三项为钢箍的作用。板作用）；第三项为钢箍的作用。在集中荷载作用下的独立矩形梁：在集中荷载作用下的独立矩形梁：注：注：亦可将式右边第一项亦可将式右边第一项 改为改为当当 时，取时，取 ；当当 时，取时，取 。抗震设计时，均布荷载作用下抗震设计时，均布荷载作用下5.15.15.25.2005.13.15.007.0hSAfhtfbhfVsvyvwwsc（5 5.35.35

10、）05.007.0bhfc05.07.0bhft)58.0056.0(100hSAfhtfbhfVsvyvwwscREu（5 5.36.36）集中荷载作用下：集中荷载作用下：剪切抗力调整系数，剪切抗力调整系数，设计时应有：设计时应有：且应有：且应有：，截面限制条件比钢筋混凝土梁略松。，截面限制条件比钢筋混凝土梁略松。5.3.3 配角钢骨架梁的抗剪承载力计算配角钢骨架梁的抗剪承载力计算均布荷载作用下的矩形梁、以及均布荷载作用下的矩形梁、以及T T形梁、工字梁：形梁、工字梁：集中荷载作用下的矩形独立梁：集中荷载作用下的矩形独立梁：当当 时，取时，取 ；当；当 时，取时，取 。)5.13.15.00

11、56.0(100hSAfhtfbhfVsvyvwwscREu（5 5.37.37）REuVV 04.0bhfVcwswwIwvswcafAhSAfbhfVsin5.107.000（5 5.38.38）wswwIwvswcafAhSAfbhfVsin2.15.12.0005.15.15.25.2（5 5.39.39）uVV 04.0bhfVc同样设计时应有：同样设计时应有：以及应有：以及应有：符号：符号：受拉角钢重心到混凝土受压边缘的距离；受拉角钢重心到混凝土受压边缘的距离；竖腹板与斜腹杆的抗拉设计强度；竖腹板与斜腹杆的抗拉设计强度；同一截面内竖腹杆截面面积总和；同一截面内竖腹杆截面面积总和；与

12、斜裂缝相交的斜腹杆面积的总和；与斜裂缝相交的斜腹杆面积的总和；竖腹杆的中心距；竖腹杆的中心距；斜腹杆与水平轴夹角。斜腹杆与水平轴夹角。同样，在抗震设计时：同样，在抗震设计时：均布荷载均布荷载集中荷载集中荷载swf0hwvAwIASwa)sin5.116.0(100wswwIwvswcREufAhSAfbhfV)sin2.156.0(100wswwIwvswcREufAhSAfbhfV（5 5.40.40）（5 5.41.41）5.4 5.4 型钢混凝土梁的刚度变形计算型钢混凝土梁的刚度变形计算 型钢混凝土构件是弹塑性构件。随着荷载的变化，构件刚型钢混凝土构件是弹塑性构件。随着荷载的变化，构件刚

13、度变化度变化。uVV 设计时应有：设计时应有：且应有：且应有：)32.0(10bhfVcRE5.4.1 变形特点及影响因素变形特点及影响因素试验发现试验发现：当型钢混凝土梁达到开裂荷载后，在当型钢混凝土梁达到开裂荷载后，在M-fM-f曲线并没有明显转曲线并没有明显转折点另一个特点是使用阶段刚度降低较小，比较接近于线折点另一个特点是使用阶段刚度降低较小，比较接近于线性关系。性关系。腹板的存在不仅使梁的承载力提高，同时对梁的刚度有明腹板的存在不仅使梁的承载力提高，同时对梁的刚度有明显影响。腹板的存在使型钢混凝土梁刚度明显增加。显影响。腹板的存在使型钢混凝土梁刚度明显增加。5.4.2 刚度计算刚度计

14、算 CSSRCSBBBB（5 5.4.4）1 1平均受压区高度的计算平均受压区高度的计算:在工程中常用在工程中常用、级钢筋和热轧型钢、低合金钢，可取级钢筋和热轧型钢、低合金钢，可取忽略忽略t t的微小影响则有的微小影响则有式中式中 为截面中钢筋和型钢的重为截面中钢筋和型钢的重心到截面混凝土受压区边缘的距离心到截面混凝土受压区边缘的距离2 2裂缝截面受拉钢筋和型钢下翼缘应力的计算裂缝截面受拉钢筋和型钢下翼缘应力的计算:无论中和轴位置如何，均可统一将钢筋与型钢下翼缘的拉应力计算简无论中和轴位置如何，均可统一将钢筋与型钢下翼缘的拉应力计算简化为化为scsscEEEEE212EssssccAAAdxb

15、x2srssssrsssssha AhaAhaAdAAA 0.077 1.6051.5243sssscssfwahMxhhAAha（5 5.43.43）（5 5.44.44）3 3折算刚心区宽度折算刚心区宽度b bc c的计算的计算:刚心区折算宽度刚心区折算宽度其中其中 为型钢翼缘的宽度。为型钢翼缘的宽度。时，取时，取 ,b b为梁截面的宽度。为梁截面的宽度。4 4型钢混凝土梁的刚度型钢混凝土梁的刚度:型钢混凝土梁荷载短期效应作用下的刚度计算型钢混凝土梁荷载短期效应作用下的刚度计算 按图按图4.444.44所示的三部分叠加所示的三部分叠加scsssrchaxhax1.6csbbsbcbbcbb

16、CSSRCSBBBB（5 5.45.45）（5 5.46.46）图图5.15 型钢混凝土梁分项刚度计算图型钢混凝土梁分项刚度计算图混凝土部分的刚度按工字形截面计算混凝土部分的刚度按工字形截面计算:混凝土刚心区按弹性刚度计算混凝土刚心区按弹性刚度计算:型钢的刚度由下式计算型钢的刚度由下式计算:2061.150.213.5csRCEfE A hB 231122scccscsshBEb hb hax202sssssssssshBEIAax（5 5.47.47）（5 5.48.48）（5 5.49.49）5.5 5.5 型钢混凝土梁的裂缝计算型钢混凝土梁的裂缝计算 5.5.1 5.5.1 抗裂度验算抗

17、裂度验算 型钢混凝土梁的抗裂弯矩可表示为型钢混凝土梁的抗裂弯矩可表示为:5.5.2 5.5.2 裂缝宽度计算裂缝宽度计算 平均裂缝宽度平均裂缝宽度：型钢混凝土梁的最大裂缝宽度：型钢混凝土梁的最大裂缝宽度：0crmtkMr f W0.481ssscrsWlE0.473sssssscrsWlE,max1.263ssscrsWlE1.2630.5440.3091.7350.45stesssssSAacESS（5 5.50.50）（5 5.51.51）4.64.6型钢混凝土柱的正截面承载能力型钢混凝土柱的正截面承载能力 处于轴压或偏压状态的柱，达到承载能力极限状态，可能处于轴压或偏压状态的柱，达到承载

18、能力极限状态，可能材料破材料破坏；坏；由于变形不可收敛发生失稳破坏由于变形不可收敛发生失稳破坏。4 4.6 6.1 1 轴心受压柱轴心受压柱轴心受压柱的正截面强度轴心受压柱的正截面强度 混凝土净截面面积，即应扣除型钢及钢筋面积；混凝土净截面面积，即应扣除型钢及钢筋面积；型钢有效净截面面积，即应扣除因孔洞削弱部分；型钢有效净截面面积，即应扣除因孔洞削弱部分；纵向受压钢筋的截面积；纵向受压钢筋的截面积；分别为混凝土轴心抗压强度设计值、纵向钢筋抗压强度设分别为混凝土轴心抗压强度设计值、纵向钢筋抗压强度设计值及型钢抗压强度设计值；计值及型钢抗压强度设计值；为型钢混凝土柱稳定系数，根据为型钢混凝土柱稳定

19、系数，根据 按表按表4.94.9取用。取用。ccyssssNf Af Af A（5 5.52.52）il/0cAssAsAsycfff,00AIi 换算截面惯性矩换算截面惯性矩 换算截面面积换算截面面积 为混凝土净截面对换算截面重心为混凝土净截面对换算截面重心 并垂直于弯矩面的轴心惯性矩。并垂直于弯矩面的轴心惯性矩。为型钢对上述轴的惯性矩；为型钢对上述轴的惯性矩；为钢筋对上述轴的惯性矩。为钢筋对上述轴的惯性矩。4.6.2 4.6.2 配实腹型钢偏心受压柱试验研究及基本假定：配实腹型钢偏心受压柱试验研究及基本假定：配实腹型钢偏心受压柱有两种破坏形式配实腹型钢偏心受压柱有两种破坏形式:受压破坏受压

20、破坏(小偏心受压破坏小偏心受压破坏)拉压破坏拉压破坏(大偏心受压破坏大偏心受压破坏)0IcI0AsssssscIIII0sssssscAAAA0cssssEE/cssEE/（5 5.53.53）ssIsI（5 5.54.54）（5 5.55.55）承载能力计算时可作以下承载能力计算时可作以下假定假定:1)1)破坏时，梁受压区边缘的混凝土极限压应变为破坏时，梁受压区边缘的混凝土极限压应变为;2)2)达到极限状态时，混凝土受压区的应力图形可取矩形分布达到极限状态时，混凝土受压区的应力图形可取矩形分布,其折算应力其折算应力 值取值取fc c;3)3)达到极限状态时，不考虑混凝土受拉区参加工作达到极限

21、状态时，不考虑混凝土受拉区参加工作;4)4)无论哪种破坏形态，极限状态时，受压钢筋与受压型钢均能达到屈服。无论哪种破坏形态，极限状态时，受压钢筋与受压型钢均能达到屈服。受拉破坏时受拉钢筋、受拉型钢均能达到屈服，受压破坏时，远离轴压力受拉破坏时受拉钢筋、受拉型钢均能达到屈服，受压破坏时，远离轴压力一侧的型钢和钢筋可能受拉或受压，但其应力均达不到屈服。一侧的型钢和钢筋可能受拉或受压，但其应力均达不到屈服。5)5)在达到极限状态时，截面符合修正平截面假定。在达到极限状态时，截面符合修正平截面假定。由以上假定由以上假定,得出界限破坏时的受压区高度得出界限破坏时的受压区高度:0.003cu0.810.0

22、03sbssshaxfE（5 5.56.56）Ne0hasarasarAssAXfcAsfyAsyffsfsd dX0sacu=0.003yy=fs/EssAsAsbXhAss(a)()(bcd图4.9 拉压破坏应力应变图Ne0hasarasarAssAXfcAsfyAsyffsfsd dX0sacu=0.003yy=fs/EssAsAsbXhAss(a)()(bcd图4.9 拉压破坏应力应变图5.6.3 配实腹型钢大偏心受压柱的计算配实腹型钢大偏心受压柱的计算：大偏心受压极限状态时的应力应变如图大偏心受压极限状态时的应力应变如图5.165.16所示所示:图图5.16 拉压破坏应力应变图拉压破

23、坏应力应变图根据平截面假定，由应变图中相似三角形的比例很易求得型钢腹板根据平截面假定，由应变图中相似三角形的比例很易求得型钢腹板未屈服区高度未屈服区高度 型钢为型钢为级钢时，级钢时，型钢为型钢为级钢时级钢时,由应力图形根据力的平衡由应力图形根据力的平衡一般地一般地 则有则有如如 ，则更可简化为，则更可简化为则可得则可得xd417.0 xd646.0（5 5.57.57）1.2 51.2 5cy sy sfsswy ss sfsswN fb x fA fA fx a dt fA fA f h ax dt （5 5.58.58）,ssssyyffAAff（5 5.59.59）wssssfsfsct

24、aahxfAAfbxfN)5.2()(ssaa wssfsfscthxfAAfbxfN)5.2()(（5 5.60.60）wscwsfsfstfbfhtAAfNx5.2)(（5 5.61.61）wsssfssyctdaxfAfAfbxfN)25.1(20122cysrysrhNexf bxf Axaf Ahax 221223ssfsssfssswswf Axaf Ahaxf h tf d t（5 5.65.65）为了适应双向水平力（如风、地震作用）作用的情况，柱经常采用对称为了适应双向水平力（如风、地震作用）作用的情况，柱经常采用对称配钢，即配钢，即 ，则上式进一步简化为：，则上式进一步简化为

25、：为了保证极限状态时型钢受拉翼缘屈服，为了保证极限状态时型钢受拉翼缘屈服，x x应满足：应满足：否则应按受压破坏（小偏心受压）计算否则应按受压破坏（小偏心受压）计算 为了保证为了保证型钢受压翼缘屈服型钢受压翼缘屈服,x x尚尚应满足：应满足：型钢为型钢为级钢时，级钢时，型钢为型钢为级钢时，级钢时，对中和轴取矩可得：对中和轴取矩可得：1.2sxa1.66sxasfsfAAwscwstfbfhtfNx5.2（5 5.62.62）ssssbEfahxx003.0/1)(8.0确为大偏心确为大偏心 （5 5.63.63）（5 5.64.64）若若 即对称配钢即对称配钢则有：则有：由上式便可解得，柱所能

26、承担的弯矩由上式便可解得，柱所能承担的弯矩 。设计时应有：。设计时应有：其中其中 为型钢截面高度，为型钢截面高度，为偏心距增大系数为偏心距增大系数 考虑偏心率影响的系数考虑偏心率影响的系数 考虑长细比影响的系数考虑长细比影响的系数 可不考虑长细比影响，即取可不考虑长细比影响，即取 大偏心受压可不考虑偏心率影响，即取大偏心受压可不考虑偏心率影响，即取,sssfsfyyssffAAffAA)3221()(21)2(2220dhthAfaahAfbxfxheNswssfsrrsyc（5 5.66.66）0 eN)3261()(21)2(2220dhthAfaahAfbxfxhNeNswssfsrrs

27、yc（5 5.67.67）sh21200)(140011KKhlhe（5 5.68.68）1K2K15/0hl1301heK101.015.102hlK0.12K0.11K如果如果4.1034.103式不能满足，则说明受压翼缘在极限状态时不屈服，应按式不能满足，则说明受压翼缘在极限状态时不屈服，应按不考虑受压翼缘计算，此时应力图形如图不考虑受压翼缘计算，此时应力图形如图5.175.17图图5.17 时的应力图形时的应力图形 )66.1(2.1ssaax cysssfs wysNf bxf AfAh tf A（5 5.69.69）20122cysrysrhNexf bxf A x af A h

28、ax 2sssfsss wshf Ah axf hth ax（5 5.71.71）bfAfthAfAfNxcsywssfssy)(（5 5.70.70）对中和轴取矩可得：对中和轴取矩可得：如果不仅有如果不仅有 （I I级钢）或级钢）或 （级钢），级钢），更有更有 ，则受压钢筋亦不屈服，此时，令则受压钢筋亦不屈服，此时，令 66.1sa2.1sax 2rax 0 sAsywssfscAfthAfbxfN)(（5 5.72.72）bfAfthAfNxcsywssfs)(（5 5.73.73）)2/()(xhahthfxahAfsswssssfs)(21)2(20 xahAfbxfxheNrsyc（5 5.74.74）可求得极限弯矩可求得极限弯矩 0 eN谢谢