（土木工程专业论文）钢骨混凝土梁有限元分析.pdf

申请同济大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 铭泐 潦_ c - j 弓 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名：狗砑 i 伽n b 申请同济大学硕士学位论文 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 魏铭壤巾 巧年6 月日 申请同济大学硕士学位论文 摘要 钢骨混凝土结构是现在大跨、高层建筑中经常采用的结构形式。但是精确计 算钢骨混凝土梁承载力比较困难，主要是由于考虑钢骨与混凝土之间的粘结滑移 比较困难。因此，涉及到钢骨混凝土梁承载力以及相关的挠度、裂缝计算时，相 应规程中均采取了一些近似办法。在 y b 9 0 8 2 9 7 中采用简单叠加法，假定钢骨与混凝土之间完全没有粘结。在 j g j 3 8 2 0 0 1 中假定钢骨与混凝土之间完全没有滑移，按照混 凝土结构的平截面假定进行计算。以上两种办法虽然比较简便，但是不精确的计 算方法。大量试验证明，在实际钢骨混凝士梁中，钢骨与混凝土之间存在着一定 的滑移，而且利用规程中采用的方法所得的计算结果与实际结果有一定的出入。 但如何考虑它们之间的粘结滑移以及如何选取合适的粘结滑移本构关系是比较 困难的事情。本文利用有限元软件对铟骨混凝土梁承载力进行分析，主要是围绕 以下几个方面进行研究： 1 用有限元通用软件a n s y s 对钢骨混凝土梁进行分析，分别考虑钢骨与混 凝之间有无滑移、不同的混凝土本构关系、不同的有限元网格尺寸等因 素。将有限元软件分析的结果分别与试验的结果进行对比，从而得出实际 工作中钢骨与混凝土之间应考虑它们之间的粘结滑移。并且本论文中计算 时所采用的粘结滑移的本构关系是比较符合实际的。在计算中选取的混凝 土本构关系、粘结滑移的本构关系、有限元网格尺寸大小对此类构件的有 限元计算是比较合适的。 2 将用( 钢骨混凝士结构设计规程) 中采用的简单叠加法计算出的结果与 试验数据进行对比，从而得出，利用规程中采用的简单叠加法计算出的结 果是偏于保守的。 3 利用以上计算分析选定的混凝土本构关系、有限元单元大小、有限元单元 类型对某实际工程中的钢骨混凝土梁进行计算，从而圆满地解决了小高层 结构中连梁抗弯承载能力不足的问题。 本论文对钢骨混凝土梁的有限元分析所得出的结论对钢骨混凝士构 件的迸一步应用和研究也有一定的促进作用。 申请同济大学硕士学位论文 关键词：钢骨混凝土梁、粘结滑移、本构关系 申请同济大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sa r ec o m m o n l yu s e di nl a r g e s p a na n d h i g h r i s eb u i l d i n g s 。b e c a u s eh o wt oc o n s i d e rt h es l i pa n dh o w t os e l e c tt h es l i p c u r v ei sv e r yd i f f i c u l t ，i ti sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t et h eu l t i m a t ec a p a c i t ya c c u r a t e l y a p p r o x i m a t em e a n sa r eu s e df o rt h ee s t i m a t i n go fu l t i m a t ec a p a c i t y 、d e f l e c t i o n 、 f i s s u r ec a l c u l a t i o no f s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e 。s o ，i nt h e ( ( t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n f o rs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s o fo u r c o u n t r y ( y b 9 0 8 2 9 7 ) ，a d d i t i o nl a wi su s e df o r t h ec a l c u l a t i o no fs t e e lr e i n f o r c e d c u n g r g t es t r u c t u r e ，s u p p o s i n gt h e r ei sn ob o n db e t w e e nt h ec o n c r e t ea n ds t e e l 。 i nt h e t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o rs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o s i t e s t r u c t u r e s o fo u rc o u n t r y ( j g j 3 8 - 2 0 0 1 ) ，g o o db o n di sp r o v i d e de x i s t i n g b e t w e e nt h ec o n c r e t ea n ds t e e l 。t h et w om e t h o d sa l es i m p l eb u tn o ta c c u r a t e 。 m a n yt e s t sv e r i f yt h e r ei ss l i pb e t w e e nt h ec o n c r e t ea n dt h es t e e li nt h es t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e 。b u th o wt oc o n s i d e rt h es l i pa n dh o wt os e l e c tt h e s l i pc u r v ei sv e r yd i f f i c u l t 。i nt h i st h e s i st h es t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s w e r ca n a l y s e d _ u s i n g a n s y ss o f t w a r ei nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h es t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m sw e r ea n a l y s e d u s i n ga n s y s s o f t w a r ew i t hs l i pa n dw i t h o u ts l i pb e t w e e nt h ec o n c r e t ea n ds t e e lr e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n g b o l ts t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p 、d i f f e r e n t c o n c r e t es t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p sa n d d i f f e r e n tf m i t cc e l ls i z e sa n de t c 。 2 t t h er e s u l t so ft h ea n s y sw e r ec o m p a r e dw i t ht e s tr e s u l t s 。 i ti s c o n c l u d e dt h a tt h es l i pb e t w e e nt h es t e e la n dc o n c r e t em u s tb ec o n s i d e r e da n d t h ec o n c r e t ea n db o l ts t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p su s e di n t h i st h e s i sc a na c c o r d w i t ht h ep r a c t i c a lb e a mw e l l 。 3 t h ec a l c u l a t i o no ft h er e g u l a t i o ni sc o n s e r v a t i v ec o m p a r i n gt h et e s tr e s u l t s a n dt h e ( ( s t e e lr e i n f o r c e db e a md e s i g nr e g u l a t i o n ) 。 4 as t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi nar e a lp r o j e c ti sa n a l y s e d 。 t h ec o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sc a na c c e l e r a t et h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h 7 中请同济大学硕士学位论文 o fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s 。 k e y w o r d s ：s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e 、b o n d s l i p 、s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p 8 申请同济大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 一) 研究目的和意义 所谓钢骨混凝土( s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e 简称s r c ) ，是在钢骨周围配置 钢筋，浇筑混凝土后使钢骨部分与混凝土部分成为一体，使型钢、钢筋和混凝 土三种材料协同工作，以抵抗各种外部作用效应的一种结构。钢骨混凝土结构 又名型钢混凝土结构或劲性混凝土结构。在英、美等西方国家，又被称为混凝 土外包钢结构或内埋钢结构( s t e e l e n c a s e dc o n c r e t es t r u c t u r e ) 。根据内埋型钢的 型式可以分为实腹式与空腹式两种。全部采用钢骨混凝土构件的结构称为钢骨 混凝土结构。钢骨混凝土构件是一种埋入式组合构件。 在一栋建筑中同时使用两种类型以上的构件或结构体系时称为混合结构。 例如：柱采用钢骨混凝土构件，梁采用钢构件。建筑下部采用钢骨混凝土结构， 上部采用钢结构，或是核心筒采用钢筋混凝土剪力墙，外筒采用钢框架结构等 等。 由于钢、钢筋混凝土与钢骨混凝土构件各有特点。如果在同一栋建筑中将 这些构件类型合理运用，可最大限度地满足建筑功能的需要，建造出经济性能 好、可靠性高的建筑。比如在高层钢结构中，基础及地下室部分采用钢筋混凝 土结构，上部采用纯钢结构，而中间需要设置钢骨混凝土过渡层。在超高层钢 筋混凝土结构中，为了保证底层柱在很大轴力具有良好的变形能力，也可以采 用钢骨混凝土构件。 与钢筋混凝土结构相比，钢骨混凝土结构具有许多显著的优点： ( 1 ) 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征， 特别是当同一层的柱刚度相差较大、担负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。钢骨混凝土结构由于钢 骨的存在，构件延性得到很大的改善。 ( 2 ) 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。如果采用钢骨混凝土构件， 1 0 申请同济大学硕士学位论文 就可以大大提高柱的含钢率，使柱的承载力与变形能力有效提高。对于大跨度 梁，如果采用钢筋混凝土构件，梁截面高度较大，难以满足建筑净空要求，而 改用钢骨混凝土构件就很容易满足要求。另外，由于钢材没有徐变问题，所以 钢骨混凝土构件由于徐变引起的挠度较小。 ( 3 ) 当基础采用钢筋混凝土结构、上部为钢结构时，采用钢骨混凝土结构作 为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。 ( 4 ) 钢骨混凝土中的型钢在混凝土末浇灌以前已形成钢结构，它具有相当大 的承载能力，能够承受构件自重和施工时的活荷载，且可以将模板悬挂在型钢 上，不必为模板设置支柱，因而减少了支模板的劳动力和材料。此外，钢骨混 凝土多层、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，施工工 期可大大缩短。 与纯钢结构相比，钢骨混凝土结构具有以下特点： ( 1 ) 混凝土兼有参与构件受力与保护层的功能，经济性较好。纯钢结构由于 防火性能较差，型钢混凝土结构可以有效地解决钢结构的防火问题 ( 2 ) 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 位移可严格控制。由于现行规范对高层的舒适度提出了很高的要求，纯钢结构 由于刚度小位移较大，顶层加速度较大，人的舒适度较差。 ( 3 ) 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 及梁的稳定性均不须考虑。 ( 4 ) 使用的型钢规格较小、钢板厚度较薄，比较符合目前我国钢轧制的实际 情况。 ( 5 ) 结构自重较大，施工复杂程度较高。 从上可以看出，钢骨混凝土结构融合了混凝土结构和钢结构的优点。随着我 国经济实力的增强，高层建筑、大跨建筑不断涌现。若一味采用普通钢筋混凝土 结构，势必造成“肥梁胖柱”，浪费使用空间，既不美观又不经济。钢骨混凝土 作为一种组合结构型式，目前已有许多工程采用。从国内外钢骨混凝土结构的研 究和应用现状看，国外尤其是日本对钢骨混凝土结构的研究起步较早，工程实践 较多，并制订有相应的钢骨混凝土结构设计规范。国内则起步较晚，各方面的研 究还很不充分，各科研设计单位对钢骨混凝土结构的受力性能及计算方法看法不 申请同济大学硕士学位论文 一，客观上不利于钢骨混凝土结构在我国的应用发展。在欧美、日本等国的结构 设计体系与我国规范有较大差异，完全照搬国外的设计标准也不是解决问题的途 径。虽然，我国已经制定了( 型钢混凝土组合结构技术规范) 和( 钢骨混凝 土结构设计规程) 。其中，( 钢骨混凝土结构设计规程) 基本上套用日本规范， 假定钢骨与混凝土之间完全没有粘接，构件承载力计算采用的是强度叠加理论。 ( 型钢混凝土组合结构技术规范) 中引入了平截面假定，采用极限状态设计法 设计，此规程假定钢骨与混凝士之间没有滑移。但两个规程里面的假定并不完全 符合实际作用机理。实际构件中，钢骨与混凝土之间既不是完全没有粘接也不是 完全没有滑动。比如：( 型钢混凝土组合结构技术规范) 中4 3 5 条规定，在需 要设置栓钉的部位，可按弹性方法计算型钢翼缘外表面处的剪应力，相应于该剪 应力的剪力由栓钉承担。这种计算方法是建立在钢骨与混凝土之间没有滑移的假 定之上的，但实际上，钢骨混凝土结构中，钢骨部分和混凝土部分之间在受力时 会产生一定的滑移，但这个粘结滑移关系并没有彻底搞清楚。因此，对钢骨混凝 土构件中钢骨与混凝土之间的粘结滑移问题进行研究，在匡家基础设施建设巨大 的今天，是很有必要的。 ( 二) 国内外研究概况 1 钢骨混凝土结构应用历史和现状 钢骨混凝土结构最早出现在欧洲，1 9 0 4 年，在英国，为了提高建筑物内钢柱的 耐火性能而将它们埋置于混凝土内，即最早的钢骨混凝土柱。由此，对钢骨混 凝土结构的研究也在欧美等国展开。四十年代以前，西方国家由于建筑法规要 求钢结构需有严格的防火性能。所以在钢柱外包低标号混凝土以满足防火要求。 四十年代后期才意识到采用较高标号混凝土能与钢材相结合共同承载。经过众 多学者进行轴压、偏压试验，证明它比纯钢柱具有更大的强度和刚度、更高的 局部和整体稳定性。用钢量则比纯钢结构节省5 0 。由于钢骨混凝土结构的诸 多优越性能，欧美许多国家在2 0 世纪5 0 一6 0 年代就制定了相应的设计规范，并 开始在许多建筑中广泛使用，如美国的英特弗斯特广场、西南银行大厦、休斯 顿第一城市大厦以及香港的中国银行大厦等都采用了钢骨混凝土结构。美国 1 9 7 1 年颁布的( 钢筋混凝土规范a c i - 3 1 8 7 1 ) 中引入关于组合柱的规定。 日本是世界上钢骨混凝土结构研究与工程应用最多的国家。1 9 1 8 年，同本 1 2 申请同济大学硕士学位论文 的内田祥山设计建成了世界上第一座钢骨混凝结构建筑旧东京海上大楼( 七 层) 。1 9 2 3 年，内藤多细仲采用钢骨混凝土结构设计建成了地上七层、地下一层 的兴业银行。但当时没有专门的设计规范。1 9 2 9 年，日本开始进行钢骨混凝土 结构受弯构件、偏心受压构件的试验研究。从1 9 5 1 年至1 9 8 1 年，发表了4 5 0 篇论文。1 9 5 1 年，成立了标准委员会钢骨混凝土结构分组，并于1 9 5 8 年制订 了世界上第一本钢骨混凝土结构设计规范。在承载力计算方面采用叠加法。并 于1 9 6 3 ，1 9 7 5 ，1 9 8 7 年对该规范进行了三次修订。1 9 6 8 年，日本发生胜冲地 震，大量混凝土结构受剪切破坏。因此在1 9 7 5 年第三次修订中引入强剪弱弯的 设计概念，并给出了新的承载力计算方法。在1 9 2 3 年的关东大地震和1 9 7 8 年 的宫城县地震中，大量钢骨混凝土结构表现出了良好的抗震性能，没有遭到严 重破坏。从6 0 年代起，据统计1 9 6 5 1 9 8 1 年，经日本建筑中心评定的建筑物中， 钢骨混凝土结构占全部评定建筑物的1 3 。1 9 7 0 年出版的建筑法要求8 层以上 的建筑必须采用钢骨混凝土结构： 前苏联为发展高层建筑，1 9 4 9 年由苏联建筑科学院建筑技术研究所编制了 ( 多层房屋劲性钢筋混凝土暂行技术条例) ( b t y 二0 3 4 9 ) 。在莫斯科有八个项 目全部采用钢骨混凝土结构。在工程实践的基础上，1 9 4 9 1 9 5 1 年期间，苏联建 筑科学院为完善和发展( b w m 3 - 4 9 设计技术条件) 进行了一系列钢骨混凝土 构件试验研究。1 9 7 8 年制订了( 苏联劲性钢筋混凝土结构设计指南) 。前苏 联虽然在钢骨混凝土结构的研究与工程应用起步较早，但进入6 0 年代后发展缓 慢。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始，随着高层和超高层建筑的不断增多，普通的 钢筋混凝土结构由于种种限制已经越来越不能胜任，从而掀起了对钢骨混凝土 结构的研究热潮，并在许多建筑中大量采用了钢骨混凝土组合结构。江苏太仓 某饭店即是我国近年来较早建成的钢骨混凝土高层建筑，该建筑采用了空腹式 钢骨混凝土柱和预制钢筋混凝土梁组成框架；北京国际贸易中心和京广大厦等 超高层建筑的底部几层都是钢骨混凝土结构；北京2 4 层的香格里拉饭店则完全 是钢混凝土组合结构，其柱子全部为钢骨混凝土柱。还有诸如上海的不夜城 天目广场大厦、北京新世纪饭店、上海金茂大厦等也都采用了钢骨混凝土结构。 1 9 9 8 年我国第一部钢骨混凝土结构行业标准( 钢骨混凝土结构设计规程) ( y b 9 0 8 2 9 7 ) 由冶金建筑研究总院和清华大学主持制定颁发。2 0 0 1 年建设部 申请同济大学硕士学位论文 又批准颁发了 j g j 3 8 2 0 0 1 2 型钢与混凝土之间的粘结滑移性能。 与钢筋混凝土结构类似，有效的粘结是保证钢骨混凝土构件中型钢与混凝土 共同工作的基础，但钢骨混凝士构件与混凝土构件相比，粘结作用有很大差异， 主要表现在： 1 钢骨混凝土构件型钢表面缺少类似钢筋的肋条，而这种肋条可以保证构件 失去初始粘结力或混凝土出现初始粘结裂缝以后仍有可靠粘结； 2 钢骨混凝土构件型钢表面有一层由于热轧工艺或腐蚀引起的覆盖层，它的 存在影响型钢与混凝土之间的粘结； 3 与混凝土构件相比，钢骨混凝土构件型钢与混凝土之间具有更大的接触面 积，一定程度上增强了粘结作用。 国外的一些研究表明，平滑表面钢骨混凝土构件型钢与混凝土之间的粘结 力很低，大约只有混凝土构件中钢筋与混凝土之间粘结力的1 3 1 2 。日本规范 规定，为保证型钢与混凝土的整体性，其粘结力取为同等条件下变形钢筋粘结 应力的2 0 以下。为研究型钢与混凝土之间的粘结性能，国内外一些学者进行 试验研究，主要结果包括型钢与混凝土之间的粘结机理、粘结应力分布、最大 平均粘结应力值以及影响粘结的一些因素等。 文献【1 】【2 】【4 】【5 】进行过钢骨混凝土构件的推出试验，加载方式见图一( a ) 。 试验得到最大平均粘结应力t u 的取值，但由于各学者的试验参数以及对有效 粘结面积的认识分歧，t u 的结果也有较大差异，表1 2 给出了部分国外学者 的试验结果。 1 4 申请同济大学硕士学位论文 ( a ) 推出试验( b ) 短柱轴压试验( c ) 拔出试验 图一推出试验加载方式 表1 2 国外部分学者试验结果 试试验有效粘 t u 学者件方式试验参数结面积 ( m p a ) 个a e 数 型钢表面条件( 新磨翼缘周 b r y s o 9 推出光、磨光允许生锈、 长3 - 3 4 n 正常生锈并有氧化x 理置长 铁皮1度 混凝土强度、型钢型翼缘周 r o c d 1 7 推出号、箍筋、埋置长度长 1 0 - 2 5 e rx 埋置长 度 冉 申请同济大学硕士学位论文 型钢型号、骨料形式翼缘周 h a w k i n s2 2推出( 轻骨料混凝土、普长o 7 1 1 通混凝土1 、浇捣方x 埋置长 式( 垂直、水平) 度 r o e d e r 认为，粘结应力主要由型钢翼缘承担，腹板不参与粘结作用，并根 据试验数据回归分析，认为沿试件粘结长度的粘结应力在达到极限荷载以前呈 指数分布，之后则保持定值。肖季秋等认为钢骨混凝士构件的粘结应力滑移( t s ) 曲线与混凝土构件十分类似，将钢骨混凝土构件的粘结滑移过程分为四阶段， 即无滑移阶段及胶结强度t 0 、上升阶段及粘结强度t u 、下降阶段、稳定阶段及 残余粘结强度t r 。并拟合给出t - s 本构关系的表达式如下： f - 0 7 5 9 1 5 + 1 3 1 4 9 6 s 一1 3 4 2 9 5 s 2 + 0 4 4 0 8 s 3 1 5 5 6 3 9 s 4 ( 1 1 ) 以上推出试验得到钢骨混凝土构件的最大平均粘结应力t u 值、粘结应力分 布表达式、粘结应力- 滑移( t s ) 本构关系，但实际结构中钢骨混凝土构件的受 力方式与推出试验存在较大差异，实际钢骨混凝土构件中型钢很可能只产生很 小的滑移，便由于型钢的横向膨胀作用在周围混凝土中产生拉应力而形成劈裂 裂缝，导致粘结失效，另外试验的混凝土多为中低强混凝土，混凝土强度越高， 理论上的粘结应力越大，这在r e o d e r 的试验中得到了证明，但高强混凝土的脆 性对粘结性能则有什么影响，上述各表达式是否使用于高强钢骨混凝土结构需 通过试验来验证。 将推出试验的加载方式改进一下，采用短柱试验模拟实际钢骨混凝土构件受 力，加载方式见图1 ( b ) 。w i u m 通过试验认为，粘结应力主要由化学胶着力、 摩擦力和机械咬合力三部分组成，对于平滑表面型钢，机械咬合力可忽略不计， 化学胶着力数值较小，主要在加载初期起作用，一旦失效，主要由摩擦力提供 粘结作用；粘结应力可分为两部分，即型钢两翼缘外表面的粘结应力t 1 与型钢 两翼缘之间的粘结应力t 2 ，前者由于型钢受压翼缘横向膨胀而受到混凝土保护 层的约束引起，后者则与型钢的尺寸大小直接有关。文献【8 】则针对同本五十年 代较多采用的空腹式钢骨混凝土构件进行了拔出试验。以上研究的缺陷在于未 对钢骨混凝土构件的粘结应力取值、粘结应力分布、t - s 曲线给出定量描述。 1 6 申请同济大学硕士学位论文 另外，国内外部分学者还就影响钢骨混凝土构件粘结滑移性能的因素进行了 一些试验研究，包括型钢的混凝土保护层厚度、配箍率、剪力连接件等。同本 规范规定型钢保护层- 1 0 c m ：美国规范规定型钢保护层= 1 5 i n c h ；f u r l o n g 将保 护层范围内混凝土视为一块两端铰支的轴心压板，并根据板的弹塑性屈曲方程 确定混凝土保护层；w i u m 认为型钢保护层是影响钢骨混凝土构件粘结性能最 主要的因素，但没有其确定方法，仅将其作为粘结应力计算的参数加以考虑； 孙国良假定混凝士沿翼缘端部4 5 方向开裂，由截面平衡，得出保护层的临界厚 度约为型钢翼缘宽度的1 3 。关于箍筋对钢骨混凝土构件粘结滑移性能的影响看 法不一，r o e d e r 认为，箍筋并不提高粘结作用，但可以获得更好的滑移后性能， 使得t - s 曲线的下降段更加平缓，实际上是认为箍筋不提高粘结应力的大小， 但增强了滑移变形能力；w i u m 试验则表明箍筋是除保护层之外影响粘结滑移 性能最重要的因素，对于箍筋加密的构件，粘结力最大可以增加5 0 ；从混凝 土构件的一般概念来看，箍筋的存在一方面可以推迟混凝土保护层剥落的时刻， 另一方面与型钢一起对混凝土提供约束，应当对粘结性能有积极作用，上述的 试验结果分歧可能是由于加载方式的差异造成。为提高钢骨混凝土构件的粘结 性能，f u r l o n g 建议在型钢翼缘上加焊横研究了普通型钢的粘结试验与翼缘及腹 扳带有肋条的“h ”型钢的粘结试验，并认为二者有相当大的差别；孙国良通 过试验研究了焊有栓钉的型钢与混凝土的粘结关系，认为栓钉的数量与箍筋的 用量密切相关，栓钉数量多、箍筋数量少时，试件破坏时为箍筋屈服，栓钉数 量少、箍筋数量多时主要由于检钉被剪断而破坏，实际上是肯定了剪力连接件 的存在提高了钢骨混凝土构件的粘结性能；日本规范未要求在钢骨混凝土构件 中设置剪力连接件，认为仅靠型钢与混凝土间焊接纵向短钢筋以增强粘结力， 但未对这种构造措旌加以定量分析；渡边义郎采用短柱试验之间的粘结力即可 满足工程需要。可见国内外学者对剪力连接件的型式以及是否明显影响钢骨混 凝土构件的粘结性能未取得一致意见，有待进一步研究。 对于钢骨混凝土梁而言，当钢骨处于受压区时，钢骨与混凝土界面上产生很 大的剪应力，如果钢骨与混凝土之间不设置栓钉等剪力连接件时，它们之间会 产生一定的滑移，如果设置较强的剪力连接件，钢骨混凝土梁达到极限承载力 时，钢骨与混凝土之间才会出现轻微的纵向裂缝、滑移。对于钢筋混凝土而言， 申请同济大学硕士学位论文 只要钢筋满足一定的毛骨长度，一般不会出现钢筋与混凝土之间的粘结破坏。 从大量的试验和参考资料可以看出，钢骨混凝土梁的粘结性能比混凝土结构要 差。 从上面分析可以看出，国内外学者普遍认为钢骨混凝土结构的粘结性能比混 凝土结构要差，但具体到实际工程，这种粘结性能差到多少，并且对构件有什 么具体影响，在实际工程设计中如何来防止粘结性能而导致的破坏的发生。 3 钢骨混凝土的应用实例 8 0 年代，北京新世纪饭店是较早采用钢骨混凝土柱，克服了底部大轴压比 的问题。北京的亮马河大厦，采用钢骨混凝土梁，解决了梁高受到限制时大跨 度梁的刚度问题。此后，随着研究工作的不断深入，工程应用也越来越多。上 海金茂大厦外框采用了8 个钢骨混凝土巨型柱，保证了承载力和抗侧刚度，是 目前我国最高的采用钢骨混凝土的建筑。此外，利用钢骨混凝土梁承载力大优 点作为转换梁，在实际工程中也有应用。在武汉国际会展中心主楼结构设计中， 在层2 ，3 楼面之间的轴x 5 ，1 1 3 上分别设置跨度为5 9 5 m 的大跨度钢桁架。 中庭层2 ，3 楼面荷载主要通过该楼面上跨度为1 6 ，2 4 m 的钢骨梁( a s r l l ，2 ，2 a ) 传给钢桁架和中心6 根圆柱。该工程中采用钢骨梁的主要原因是由于以下几个 原因：1 ) 从梁的承载力考虑，采用钢骨梁或钢混凝土组合梁均可，而以钢混 凝士组合梁较好；2 ) 梁既要与钢桁架相连，同时又有跨度为1 7 m 的钢筋混凝 土次梁支承于该梁上，从连接上考虑只能采用钢骨梁。由于梁柱连接的需要， 中庭中心6 根圆柱从基础至柱顶均采用钢骨柱，层2 楼面以上钢骨圆柱之间框 架梁均采用钢骨梁以便于连接。工程中所有钢骨梁的内钢骨均为焊接工字形截 面。近年来，特别是钢骨规程颁布后，在高层建筑中钢骨混凝土的应用更多， 设计人员也己基本掌握钢骨混凝土结构的设计计算方法。除北京、上海、广卅i 、 深圳等高层建筑发达地区应用较多外，其它城市和地区，如南京、成都、昆明、 武汉、柳州等地，也都有工程采用。 ( 三) 本文的主要工作 从上述可知，钢骨混凝土结构在我国应用和研究的时间还不长，随着今后我 国高层建筑的发展，钢骨混凝土结构的应用会越来越多，因此需要加强钢骨混 凝土结构方面的研究。钢骨混凝土结构将是今后高层建筑重要应用方向之一， 1 8 申请同济大学硕士学位论文 而目前对这种新型组合结构的研究工作明显滞后于实际工程应用。本文主要针 对利用有限元软件a n s y s 计算钢骨混凝土梁承载能力时，钢骨与混凝土之间 是否需要考虑粘结滑移、如何选取栓钉的粘结滑移本构关系、如何选取混凝土 的本构关系以及有限元单元大小的取值问题进行研究，并利用已有的钢骨混凝 土梁试验数据与有限元软件计算结果进行对比，最后确定在计算钢骨混凝土承 载力时，是否需要考虑钢骨与混凝土之间的粘结滑移、如何选取栓钉的本构关 系以及如何选取混凝土本构关系、确定有限元网格尺寸等问题。最后利用本文 研究确定的混凝土、栓钉的本构关系以及有限元网格尺寸来计算上海某小区不 规则小高层中的钢骨混凝土梁的承载力，从而解决了若采用钢筋混凝土连梁抗 弯承载力不足的问题。本文的主要工作包括以下几部分： 1 通过有限元软件模拟钢骨混凝土梁，但不考虑钢骨与混凝土之间的滑动。 将软件分析所得出的钢骨混凝土梁的荷载变形关系与资料中试验数据所得出的 荷载变形关系相比较，从而揭示梁在不考虑钢骨与混凝土之间的滑动时的荷载 变形关系与试验有一定的误差。 2 通过有限元软件模拟钢骨混凝土梁，通过选取合适的栓钉本构关系来考 虑钢骨与混凝土之间的滑动。将软件分析得出的钢骨混凝土梁的荷载变形关系 与资料中试验数据所得出的荷载变形关系相比较，从而揭示梁在考虑钢骨与混 凝土之间的滑动时的荷载变形关系与试验能较好的吻合。 3 选取不同的混凝土本构关系，主要包括非线弹性模型和完全弹塑性模型。 并将计算结果与试验数据进行对比，最后选择最适合此种计算的混凝土本构关 系。 4 对有限元网格尺寸进行不同的划分，将计算结果进行对比，从而验证了此 种模型进行有限元分析时，最适合的有限元网格尺寸取值。 5 利用( 钢骨混凝土结构设计规程) 中采用的简单叠加法和( 型钢混凝 土组合结构技术规范) 中计算方法进行计算，将计算出的梁的极限承载力与试 验数据进行对比，可以验证规程中采用方法的计算结果与试验数据的差异。从 而证明两种规程中的假定与实际都有一定的误差。 通过以上利用有限元计算结果与试验结果进行对比，可以得出结论：对钢骨 混凝土梁来讲，需不需要考虑钢骨和混凝土之问的粘结滑移、如何选取栓钉的 1 9 申请同济大学硕士学位论文 本构关系、如何选取混凝土的本构关系、有限元网格尺寸如何取值。利用本论 文计算得出的结论来计算某实际工程，从而解决了小高层建筑中连梁在截面受 限制的情况下的超筋问题。 申请同济大学硕士学位论文 第二章钢骨混凝土梁的力学特性与计算的基本 原则 ( 一) 钢骨混凝土梁的力学特性 钢骨混凝土梁的抗弯试验表明，钢骨混凝土梁受弯破坏过程可以分为以下三 个阶段。如图二： 第一阶段：梁承受的弯矩很小，截面的应变也很小，混凝土和钢骨都处于弹 性阶段，应力应变呈线形分布，钢骨与混凝土的应变相同。随着荷载的增加， 截面应变也随之增长，由于受拉区混凝土塑性变形的发展，混凝土应力增加较 缓，而应变增长较快，受拉区混凝土应力应变呈曲线分布。随着荷载的继续增 加，受拉区混凝士很快达到极限抗拉强度，并发生开裂，开裂荷载大约为梁极 限荷载的3 0 , - 4 0 。在这一阶段，钢骨始终都处于弹性状态。 第二阶段：当达到开裂荷载以后，受拉区混凝士出现裂缝，部分混凝土开始 开裂退出工作，并将其承受的拉力转移到钢筋和钢骨下翼缘，使钢筋和钢骨应 力突然增加，截面应变继续增大，受压区混凝土越来越表现出塑性变形特征； 钢骨下翼缘始终处于受拉状态，而上翼缘由于在梁截面中的位置不同，可能始 终受拉，或先受压后受拉，也可能始终受压。从试验情况看，这一阶段，钢骨 下翼缘大多进入屈服状态，而上翼缘大多仍处于弹性状态。 第三阶段：钢骨下翼缘屈服的同时，钢骨与混凝土的粘结力受到破坏，梁端 出现明显的滑移，梁受拉区裂缝宽度也明显增大，并迅速向梁顶部发展，中和 轴急剧上升，截面混凝土受压高度很快见减小，混凝土受压边缘的应变也显著 增加，直到混凝土压碎，试件破坏。这时的弯矩即为梁的极限弯矩。 当钢筋混凝土梁发生剪切破坏时，一旦超过最大承载力，承载力即迅速下 降，在往复荷载作用下，承载力将进一步降低，滞回曲线所包围的面积即消耗 能量很小。对于钢骨混凝土梁，随着钢骨量的增加，变形能力下降的程度可以 得到很大缓解。 如上所述，由于钢骨混凝土梁的力学性能比钢筋混凝土梁有很大提高，对于 变形能力要求较高的高层建筑、平面与竖向刚度很不均衡的结构形式，特别适 于采用钢骨混凝土结构。 申请同济大学硕士学位论文 p dr 鱼，? 一一。弋一、 ? 7 、 、 i 一。 一 _ i l 1 图二钢骨混凝土梁的受力特性 ( 二) 钢骨与混凝的共同工作 钢骨混凝土结构中，钢骨与外包混凝土能否协调变形，是两者共同工作的 条件。当外包混凝土中配置一定箍筋，钢骨混凝土构件破坏阶段的承载力衰减 很小，具有较大的延性和较好的耗能能力；而当配箍较少时，外包混凝土在破 坏阶段会产生较大范围的剥落，从而导致承载力产生较大的衰减。 虽然对于钢骨混凝土梁来说，由于钢骨腹板的存在可以大大提高其受剪承载 力，但箍筋的配置仍然需要。配置箍筋目的是对外包混凝土起一定约束作用， 不致因过早剥落而导致承载力衰减过大。此外，增加配箍率可以防止粘结破坏。 当外包混凝士部分配置一定纵筋和箍筋的情况下，钢骨与混凝土能保持较好的 共同工作，截面应变分布基本上符合平截面假定，破坏阶段外包混凝土也不会 产生严重剥落，钢骨的塑性变形能力可以得到充分发挥。钢骨规程中对钢骨混 凝土梁的配筋构造规定，主要就是为保证外包混凝土与钢骨共同工作，而构件 的延性则主要由钢骨提供，这一点与钢筋混凝土梁是有所区别的。 在钢骨与混凝土之间一般设置圆柱头焊钉，根据试验表明，设置剪力连接件 的梁在钢骨翼缘表面与混凝土交界处没有明显纵向裂缝，这表明剪力连接件能 够有效地保证钢骨与混凝土之间的共同工作。 ( 三) 钢骨混凝土梁的承载力计算 由于钢骨混凝土梁是由混凝土、钢筋和钢骨三种材料构成的组合构件，计算 申请同济大学硕士学位论文 分析相当复杂。钢骨混凝土梁在受力过程中表现出以下特征：破坏形态与钢筋 混凝土梁类似，都是以受压区混凝土压碎作为破坏标志。与钢筋混凝土梁相比 较，钢骨混凝土梁具有较好的后期变形能力，当承载力达到极限以后，受压型 钢上翼缘以上的混凝土已经压碎剥落，而型钢翼缘内的混凝土仍相对完好，荷 载挠度曲线有较长的平台，而且随着荷载的逐步下降，后期变形不断增加。试 验表明，对钢骨上翼缘位于截面受压区内的钢骨混凝土梁，且外包混凝土部分 满足一定构造配筋时，钢骨与外包混凝土可较好的共同工作。因此，其正截面 受弯承载力可以采用一般叠加方法。理论分析表明，在弯矩作用下，钢骨部分 为偏心受拉，混凝土部分为偏心受压。因此，钢骨混凝土截面的受弯承载力大 于钢骨部分和混凝土部分受弯承载力的简单叠加。而对于钢骨为对称布置的截 面，日本规范和钢骨规程采用简单叠加方法计算受弯承载力是偏于安全的。 当钢骨配置偏在截面受拉区时，钢骨上翼缘与混凝土的界面之间有较大的剪 应力，并可能引起相对滑移，导致钢骨与混凝土不能完全协同工作，接近破坏 时界面附近产生较大的纵向裂缝，混凝土压碎高度较大，延性较差。对于这类 梁应在钢骨上翼缘设置足够数量的剪切连接件，其设计计算可按组合梁进行。 国内的一些学者倾向于沿用钢筋混凝土构件计算中常用的钢筋与混凝土变 形协调的假定，即“受压区钢骨与混凝土之间始终没有相对滑移，构件截面始 终保持为平面”的假定。这种变形协调模型的优点是从力学概念上保持了与钢 筋混凝土构件的一致性。试验表明，在达到极限承载力之前，钢骨与混凝土之 间已经产生了相对滑移。另外，变形协调模型的计算公式也相当复杂。 日本的( 钢骨混凝土计算标准) 采用的是一种强度叠加方法，它假定钢骨 混凝土构件的承载力是钢骨与钢筋混凝土两部分承载力之和。这种方法具有计 算简单、应用灵活的特点，计算结果偏于安全，因而得到了广泛的应用。由冶 金工业部主持制定和颁布的( ( 钢骨混凝土结构设计规程) ) ( y b 9 0 8 2 - - 9 7 ) 也 是建立在强度叠加法基础之上的。在本章中将主要对( 钢骨混凝土结构设计规 程) ( y b 9 0 8 2 - - 9 7 ) 和 j g j 3 8 2 0 0 1 中钢骨 混凝土梁的计算进行阐述。 1 ( ( 钢骨混凝土结构设计规程) ) 中计算方法 1 1 钢骨混凝土粱的刚度 申请同济大学硕士学位论文 在风荷载与多遇地震作用参与荷载组合时，结构的位移与内力计算是在弹性 范围内进行的。当钢骨混凝土梁中钢骨的含钢率较大时，尚应考虑其对梁刚度 的影响。钢骨混凝土梁的刚度为钢骨与钢筋混凝土两部分刚度之和， e a = e 。a c + e a 。 e 1 ；e c i c + e 。i 。 g a - g 。a c + g 。一。( 9 1 1 ) 式中e a 、凹、g a 分别为钢骨混凝土梁的轴向刚度、 抗弯刚度和抗剪刚度： e c c 、e c i c 、g c 心一分别为梁中钢筋混凝土部分的轴 向刚度、抗弯刚度和抗剪刚度； e 。爿妒b ，k 、g 。4 。一分别为梁中钢骨部分的轴向 刚度、抗弯刚度和抗剪刚度； 1 2 钢骨混凝土梁设计的基本原则 虽然钢骨混凝土梁的性能比普通钢筋混凝土结构有很大改善，但其刚度及 构件开裂等特性均与钢筋混凝土梁比较接近。当主要抗侧力构件为钢结构时， 在风荷载及地震作用效应组合验算时宜按现行( 高层民用建筑钢结构技术规 程) ( j g j 9 9 - - 9 8 ) 进行；当主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构或钢骨混凝土结 构时，抗风及抗震的验算宜按 ( j g j 3 9 1 ) 进行。 1 3 承载力抗震调整系数 对于考虑地震作用组合的钢骨混凝土构件，其承载力抗震调整系数y 。 按表9 1 2 选用。 承载力抗震调整系数y 。 正截面承载力计算正截面承载力计算连接 梁柱支撑剪力墙各类构件及节点 焊缝与高强度螺栓 0 7 5o 80 8 50 8 5 0 8 50 9 申请同济大学硕士学位论文 1 4 钢骨混凝土粱的受力及计算特点 对于钢骨混凝土梁，钢骨与混凝土之间的粘结力一般较弱，对于未设置剪力 连接件的梁，在荷载达到极限荷载的8 0 以前，钢骨与混凝土可以保持共同工 作状态。当达到极限荷载的8 0 以后，由于发生了相对滑移，钢骨与混凝土的 应变不连续，平截面假定不再成立。实验结果表明，此时钢骨与混凝土各自的 平均应变仍然保持为平面，且两者的中和轴基本上是一致的。设景剪力连接件 的梁在钢骨翼缘表面与混凝土交界处没有明显的纵向裂缝，这表明钢骨与混凝 土之间没有产生明显的相对滑移，剪力连接件能够有效地保证钢骨与混凝土共 同工作。另外，试验还表明，外包混凝土具有良好的防止钢骨局部屈曲的能力， 所以在计算钢骨混凝土构件时，一般无需考虑钢骨局部屈曲的影响。在进行钢 骨混凝土构件设计时，采用强度叠加公式计算构件截面的承载力。对于钢骨混 凝士梁，其正截面承载力为钢骨部分承载力与钢筋混凝土部分承载力之和。 m m + m k 式中m 一弯矩设计值 m z 钢骨部分的受弯承载力。 m ”钢筋混凝土部分的受弯承载力。 1 4 1 钢筋混凝土部分的受弯承载力 钢筋混凝土部分的受弯承载力为 缸c a z 7h b o “ 式中也受拉钢筋的截面面积； o ，一受拉钢筋抗拉强度设计值； “b 0 一一受拉钢筋截面重心至混凝土受压区边缘 的距离； y “b 0 受拉钢筋面积形心至混凝土受压区 压力合力作用点的距离。 此公式与( 混凝土结构设计规范) 中给出的计算原则完全相同，其基本 假定为：( 1 ) 钢筋混凝土部分的变形符合平截面假定，( 2 ) 忽略混凝土的抗拉 申请同济大学硕士学位论文 强度，( 3 ) 为使计算模型简单起见，将混凝土受压区的应力分布简化为矩形， 高度取实际受压区高度的8 0 ，( 4 ) 混凝土非均匀受压时的极限压应变e c u = o 0 0 3 3 。与