我眼中的组合结构--大学毕业设计论文

《组合结构》读书报告

——我眼中的组合结构

班级：12建工5班

学号：1210532102

姓名：徐粮

我眼中的组合结构

一、定义

由钢结构及钢筋混凝土混合的结构。我们所用的教科书《组合结构设计原理》介绍了组合结构体系的产生，组合结构的类型、特点、发展与应用，组合结构材料，压型钢板与混凝土组合楼板，刚与混凝土组合梁，钢骨混凝土结构，钢管混凝土结构，纤维混凝土结构，组合结构体系及工程实例等。

二、组合结构的基本概念

组合结构：同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。具体而言，包括两种结构：1．钢与混凝土组合结构；2．组合砌体结构。组合结构是由组合构件组成。例如，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力学性能完全不同的材料组合而成。混凝土的抗压强度高而抗拉强度低。钢材的抗拉和抗压强度都较高。两种不同性质的材料扬长避短，各自发挥其特长．因此具有一系列的优点。

1．钢与混凝土组合结构：用型钢或钢板焊（或冷压）成钢截面，再在其四周或内部浇灌混凝土，使混凝土与型钢形成整体共同受力，通称钢与混凝土组合结构。国内外常用的组合结构有：（1）压型钢板与混凝土组合楼板；（2）钢与混凝土组合梁；（3）型钢混凝土结构（也叫劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构等五大类。钢管混凝土结构在轴向

压力下，混凝土受到周围钢管的约束，形成三向压力，抗压强度得到较大提高，故钢管混凝土被广泛地应用到高轴压力的构件中。外包钢结构在前苏联研究最早，应用最广泛，近年来我国主要在电厂建筑中推广使用了这种结构，取得不少工程经验和经济效益。现浇混凝土多层框架结构及楼板需满堂红脚手架和满铺模板，而采用组合结构柱、型钢混凝土梁和压型钢板与混凝土组合楼板等足以克服这些缺点，有较好的技术经济效益。由于组合结构有节约钢材、提高混凝土利用系数，降低造价，抗震性能好，施工方便等优点，在各国建设中得到迅速发展。

2．组合砌体结构：是由砖砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组成的组合砖砌体构件，多用于荷载偏心较大，单纯使用无筋砌体较难满足使用要求的情况。《规范》明确规定，当轴向力的偏心距e超过0.7y(y为截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离)时，宜采用砖砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组成的组合砖砌体构件。在组合砖砌体构件中，砌体置于中部，钢筋混凝土面层(或钢筋砂浆面层)置于外侧。当组合砌体承受的压力逐渐增大时，砖砌体内产生竖向裂缝，外侧的钢筋混凝土(或钢筋砂浆)对砌体产生约束作用，阻止砌体的横向变形，限制了砌体内裂缝的发展，从而提高其承载力。

狭义的组合结构仅包括由钢和混凝土两种材料组成的组合柱、组合梁、组合板。自上世纪80年代以来，经济建设持续高速发展，随着大量建筑物的兴建，各种新的结构形式不断涌现，

组合结构作为一种新兴结构得到越来越广泛的应用与推广，而且应用前景越来越好。组合结构将不同材料或构件组合在一起的结构形式，同时在设计时应将不同材料和构件的性能纳入整体进行考虑，以最有效地发挥各种材料和构件的优势，从而获得更好的结构性能和综合效益，其具有施工方便、节省材料、经济效果好等优点，因此，组合结构将成为继传统的四大结构（钢结构、钢筋混凝土结构、木结构及砌体结构）以后的第五大结构体系。

组合结构具有多种多样的组合方式和途径，如材料间的粘结力、机械连接件的抗剪抗拔力、构件或材料间的相互约束与支持等。合理运用各种组合方式，可以使各种材料扬长避短，获得一系列性能优越的组合构件或体系。例如，钢．混凝土组合梁通过抗剪连接件将钢梁与混凝土翼板组合，充分发挥了混凝土抗压强度高和钢材抗拉性能好的优点。而钢管混凝土将钢管与混凝土组合，钢管的约束作用使混凝土处于三向受压从而提高了混凝土的强度和延性，混凝土对钢管的约束则防止了钢管的屈曲。此外，钢板混凝土剪力墙、钢板混凝土组合井壁等也都使两种或多种结构材料通过不同的方式进行有效组合，可以获得更高的性能。

组合结构还包括多种结构体系之间的组合，如组合简体与组合框架所形成的组合体系、巨型组合框架体系等。将钢筋混凝土核心筒或剪力墙与钢框架联合使用，使具有较大抗侧移刚度的钢筋混凝土核心筒或剪力墙主要承受水平荷载，而具有较高材料强度的钢框架主要承受竖向荷载，这样可利用轻巧灵活的钢框架做

成跨度较大的楼面结构，避免了单一结构体系带来的弊端。

应用组合概念，还可以增强结构构件的局部性能，或在构件中形成部分组合作用。例如，利用钢板和混凝土之间的相互作用可以提高预应力锚固区附近钢板的受力性能，利用混凝土对钢板的约束作用可以提高钢箱梁在负弯矩作用下底板和腹板的局部稳定性。通过对构件的局部或部分组合作用，能够在基本不改变原结构方案的前提下使结构的某项性能得到显著提高。

总之，组合结构将多种材料或构件通过某种方式组合在一起共同工作，组合后的整体工作性能要明显优于各自性能的简单叠加。经过几十年的研究及工程实践，组合结构类型和适用范围涵盖了结构工程应用的很多领域。随着我国国民经济的迅速发展和基础建设规模的不断扩大，对各种能够满足超高、大跨以及其他特殊要求的结构形式提出了越来越高的要求。同时，新材料、新技术的出现，也为结构体系的创新与发展创造了条件。掌握组合结构的特性和原理，可以开发出更高性能的组合结构形式并建立新的设计概念，使组合结构的设计趋于更合理、更可靠、更经济、更耐久。

我重点学习了第五章钢骨混凝土结构。

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。

现在的建筑主要是钢筋商品混凝土结构和砌体结构，由于钢筋商品混凝土结构投资巨大、可以建造高层建筑，所以往往都建在经济繁荣、人口密集的大、中城市，而这些城市又大都处于地震区。一旦它们在遭受强烈地震作用下发生倒塌破坏，不但会造成难以预料的人员伤亡和巨大的经济损失，而且会对社会的稳定、经济的繁荣带来负面的影响。随着对建筑功能的要求越来越高，建筑的平面布置和竖向体型日益复杂，使得结构的布置在竖向、平面以及刚度方面都出现了许多不规则的结构，这样就造成了结构在地震作用下的反应极为复杂，对地震作用下结构的抗震性能提出了更高的要求。单一的钢筋商品混凝土结构已不能适应现代建筑发展的需要，新的结构形式随之不断涌现。

近年来，在国内外出现了一种新的结构形式-钢骨商品混凝土结构，并已应用在工程之中。如上海的金茂大厦等。通过对钢骨商品混凝土结构多年的工程实践、试验研究及理论分析，这种介于钢结构与钢筋商品混凝土结构之间的一种结构日益受到了人

们的重视。

1钢骨商品混凝土结构的形式及特点

钢骨商品混凝土结构是指在钢筋商品混凝土内部配置钢骨的组合结构，简称SRC(SteelReinforcedConcrete)结构。SRC 结构的特点是在商品混凝土内配置钢骨，这些钢骨可以是扎制的，也可以是焊接的。在大型建筑中经常配置焊接的钢骨，可以根据构件截面大小、受力特点，考虑到受力的合理性，灵活选择焊接钢骨各个板件的宽度和厚度。所配置的钢骨的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双十字钢、双槽钢、十字型钢、箱型方钢管等。由于配置了钢骨，使得钢材的抗拉性能和商品混凝土的抗压性能都得以充分的发挥，所以SRC结构在具备钢与商品混凝土组合结构节约钢材、提高商品混凝土利用率、降低造价、抗震性能好、施工方便等优点的同时还具有良好的防火、耐腐蚀性能。因为这种结构具有广阔的应用前景，故促使人们对这种结构进行了深入的研究。在SRC结构中，钢骨与高强商品混凝土之间相互约束，使各自的强度得到了提高，增加了结构和构件的延性，从而改善由于高强商品混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性，增加了结构及构件的抗震性能。在高烈度地震区的高层或超高层建筑中若采用单一的钢筋商品混凝土结构，整个结构的延性实际上已经达不到“大震不倒”的要求，若采用钢结构，势必增加许多工程造价。国内外工程实践证明，SRC结构同钢结构相比，节省钢材、单位承载力高、刚度大、抗疲劳、抗腐蚀性能好、安全度高。可节约钢材50%左右，每平方米造价

可降低10%～40%。同时由于结构刚度的增加，可减少结构侧移1/3～1/2[16]；同钢筋商品混凝土结构相比，在用钢量相同时，强度提高。

2SRC结构在国内外研究与应用现状

SRC结构的使用是从20世纪初期始于欧美的，但当时仅仅是利用商品混凝土对钢骨的保护作用，起到耐久、耐火的作用。对SRC构件的性能进行大量的研究是从20世纪50年代开始的。很多学者在计算模型、计算和分析方法及简化计算等方面做了大量的工作，提出了许多适合本国实情的理论和方法，概括起来主要有三种：

(1)前苏联的计算理论是基于钢筋商品混凝土结构的计算方法，以极限强度理论为设计依据，认为钢骨与商品混凝土是完全共同工作的，这与实际情况略有出入，试验证明前苏联的计算方法在某些方面偏于不安全；

(2)欧美的计算理论是基于钢结构的计算方法，以允许应力强度理论为设计依据，考虑商品混凝土的作用，在试验基础上将试验曲线进行修正，突出反映在组合柱的计算上；

(3)日本的计算理论是建立在叠加理论基础上的方法，是以允许应力强度理论为设计依据，认为SRC结构的承载能力是钢骨

与钢筋商品混凝土两者承载能力的叠加，经过比较，日本的计算方法偏于安全。

我国对SRC结构的研究始于在20世纪80年代中期。重点研究了SRC受弯构件的正截面和斜截面的受力性能，并建立其正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的计算公式，以及研究了徐变、收缩等问题；研究了SRC构件的抗裂性能，刚度和裂缝等性能，并建立其刚度和裂缝宽度计算公式；对于SRC受压构件，探讨了其受力性能，并建立了其轴心受压、偏心受压及抗震承载力的计算公式，以及讨论了轴压比的限值等问题。各高等院校和科研单位又对SRC节点的受力机理，抗震性能进行了探讨，并建立了其受剪承载力的计算公式；对SRC边柱剪力墙的工作机理、破坏过程及抗震性能也进行了研究；对SRC结构中钢骨与商品混凝土之间的滑移进行了探讨。

3结论

目前在工程应用中，商品混凝土的强度等级普遍采用高强度等级，因此改善结构的延性就显得尤为必要。从现有文献来看，改善结构的延性的方法主要有三种思路：(1)加密箍筋；(2)采用钢骨高强商品混凝土结构；(3)采用钢管商品混凝土结构。众所周知，加密箍筋虽然对高强商品混凝土构件延性有所改善，但达到一定程度后效果并不显著，同时给现场施工带来了很大困难。钢管商品混凝土是解决上述问题的较好方式，它能充分发挥商品

混凝土和钢管这两种材料的性能，但同时也存在节点处理困难，用钢量大和需要特殊防火处理等缺点。钢骨高强商品混凝土结构是介于钢管商品混凝土和普通高强商品混凝土之间的一种结构

方式。在HSRC结构中，钢骨与高强商品混凝土之间相互约束，使各自强度得到提高，并且因为钢骨的存在，增加了结构和构件的延性，从而改善由于高强商品混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性，增加了结构及构件的抗震性能，特别是改善了用来发挥钢骨高强商品混凝土结构抗压性能的受压构件延性。因此可以预见钢骨高强商品混凝土结构在工程中应用会越来越

普遍。

三、组合结构的优缺点

组合结构自身特点

1、充分利用钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。日本阪神地震表明，组合结构破坏率最低。

2、节省脚手架和模板，便于立体交叉施工，减小现场湿作业量，减轻扰民程度。

3、造价低。若考虑因自重减轻而带来的竖向构件截面尺寸减小、地震作用减小、基础造价降低、施工周期短等因素，组合结构比混凝土结构和钢结构造价都要低。

钢—混凝土组合梁：

（1）组合梁能合理利用材料，充分发挥钢和混凝土各自的

材料特性，与钢结构相比，节约钢材20%~40%；

（2）组合梁比钢筋混凝土梁节约混凝土，减轻自重且截面高度小；

（3）组合梁界面的上翼缘为宽大的混凝土板，增强了组合梁的侧向刚度，可以防止钢梁在使用荷载下发生扭曲失稳；

（4）组合梁的整体性、抗剪性能好，耗能能力强，因而表现出良好的抗震性能；

压型钢板混凝土组合板：

（1）施工工期短。压型钢板作为混凝土楼板的永久模板，取消了现浇混凝土所需的模板与支撑系统，免除了支模和拆模的施工工序，加快了施工进度；

（2）自重轻，节约钢材。压型钢板不仅可以作为混凝土板的永久模板，还可以起到组合板中受拉钢筋的作用。这样，只在楼板支撑处设置抵抗负弯矩的钢筋即可，省去了钢筋的敷设和绑扎工作。由于压型钢板自重轻，减小了结构作用效果，从而使梁，柱截面尺寸减小，设计更加经济合理的地基与基础；

（3）增加结构的抗震性能。组合楼板不仅增强了竖向刚度，而且压型钢板组合楼板和钢梁起着加劲肋的作用，因而有很好的抗震和抗风的作用；

（4）防火性能差。压型钢板作为组合楼板的受力钢筋，外表无保护，当遇到火灾时，耐火时间短，所以，应在板底涂防火涂料；

型钢混凝土组合结构：

（1）耐火性能好。包裹在型钢外的钢筋混凝土，可取代型钢外所涂的防锈和防火材料，由于混凝土的蓄热较大，可以提高构件的耐火性能；

（2）节约钢材。采用型钢混凝土组合结构的高楼可以节约钢材50%左右；

（3）兼做模板支架。型钢混凝土结构的型钢，在混凝土尚未浇之前即已形成钢架，已具有相当大的承载力，可用作施工模板支架和操作平台；

钢管混凝土组合结构构件：

（1）构件承载力高。当钢管混凝土构件轴心受压时，由于产生紧箍效应，核心混凝土的强度大大提高，而钢管也能充分发挥强度作用，因而构件的抗压承载力高；

（2）具有良好的塑性和韧性。单纯混凝土受压属于脆性破坏，但管内的核心混凝土在钢管约束下，不但在试用阶段提高了弹性，扩大了弹性工作的阶段，而且破坏是产生很大的塑性变形；

（3）经济效益显著。与钢结构相比，可节约钢材50%左右，造价也可降低；

（4）施工方便、可大大缩短工期。

四：预应力混凝土构件计算

例1： 一预应力混凝土轴心受拉构件，长24m ，截面尺寸为250×160mm 混凝土强度等级为C60，螺旋肋钢丝为10φH

9，，先张法施工，在100m 台座上张拉，端头采用镦头锚具固定预应力钢筋，超张拉，并考虑蒸养时台座与预应力筋之间的温差

C t ?=?20，

混凝土达到强度设计值的80%时放松预应力筋（如图）。试计算各项预应力损失值。

解：计算各项预应力损失：

①锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失。

已知台座长为100m ，设有一块垫板，锚具变形和钢筋内缩值为2mm 。

则由下式计算损失

Mpa E l a p l 1.41005.2101002531=???==σ

②预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失。

由于先张法直线张拉，无特殊转折，因此无此项损失。

③预应力钢筋与承受拉力设备之间的温度差引起的预应力损失。

温差为20℃，由下面公式计算损失

Mpa

t t E p l 4020223=?=?=?=ασ

④预应力钢筋松弛引起的预应力损失。 因为ptk ptk con ptk f f f 8.075.07.0≤=<σ；低松弛；所以

Mpa f f f f ptk ptk ptk con ptk con l 2.4175.0575.075.02.0575.02.04=?????

? ??-?=???? ??-=σσσ

⑤混凝土收缩、徐变引起的预应力损失

该项损失为第二批损失。因为

69.510

6.31005.245=??==c p

E E E p α

%7.014.3369.54000014.3310220=??+??=+=A A A s

p ρ M p a l l l l 3.852.41401.4431=++=++=I σσσσ

()()M p a A A A A p E s E c p

l c o n pc p s 77.014.3969.54000014.393.855.1177=??+??-=++-=I αασσσ 则 Mpa f cu pc

l 78.44%7.0151608.077.02804515128045'5=?+??+=++=

ρσσ

例2． 试对一后张法预应力混凝土屋架下弦杆锚具的局部受压验算（题图10—2）。已知混凝土强度等级C60，预应力钢筋采用刻痕钢丝，钢筋用7φⅠ

5二束，张拉控制应力ptk con f 75.0=σ。用OVM 型夹具式锚具进行锚固，锚具直径为100mm ，锚具下垫板厚度20mm ，端部横向钢筋采用4片φ8焊接网片，网片间距为50mm 。

解：

1．端部受压区截面尺寸验算

OVM 锚具的直径为100mm ，垫板厚为20mm 。局部受压面积可按压力从锚具边缘在垫板中沿45°扩散的面积计算；在计算局部受压计算底面积时，可近似按所围矩形计算代替两个圆面积

()2

30800202100220mm A l =?+?=

锚具下局部受压计算底面积

()2

57200602140220mm A b =?+?=

2

2ln 26875504230800mm A =??-=π

36.130********===l b l A A β

当Mpa f cuk 60=时，按直线内插法得933.0=c β，按式

kN A F p con l 2.3888.274157075.02.12.1=???==σ

kN A f c l c 1266268755.2736.1933.035.135.1ln =????=<ββ 满足要求

2．局部受压承载力计算

间接钢筋采用4片φ8方格焊接网片（HPB235），见图b ，间距为s ，网片尺寸见图d 。 2

23080062500250250mm A mm A l cor =>=?=

425.130********===l cor cor A A β

间接钢筋的体积配筋率

032.050625002503.5042503.504222111=???+??=+=s A l A n l A n cor s s v ρ

当Mpa f cuk 60=时，按直线内插法得925.0=α，计算

()()kN F kN A f f l y cor v c l c 2.3885.129626875

210425.1032.0925.025.27322.1933.09.029.0ln

=>=?????+???=+βαρββ满足要求

五、混凝土框架结构办公楼的研究及发展

1. 在设计的计算理论方面：在工程结构设计规范中已采用的基于概率论和数理统计分析的可靠度理论，概率极限状态计算体系要不断完善；混凝土的微观断裂机理、混凝土的多轴强度理论及非线性变形的计算理论等方面也需要更大的突破，并应用于工程