钢骨混凝土结构设计规程讲座之二钢骨混凝土构件正截面承载力计算_叶列平

'第8期建筑结构1999年8月(钢骨混凝土结构设计规程》讲座之二钢骨混凝土构件正截面承载力计算叶列平方鄂华(清华大学土木工程系北京100084)〔提要〕从,正截面承载力理论计算方法出发介绍了(钢骨混凝土结构设计规程》中简单叠加方法和改进简单叠加方法,对几种方法进行,。了对比并通过例题说明了有关计算方法的应用文中还介。绍了钢骨混凝土柱偏心距增大系数和轴压力限值的计算〔关健词]钢骨混凝土正截面偏心距增大系数轴压力限值aontetreticalmetseetistngunerexuanaxaresteen-Bsedhheohodofnornalonrethdflredilfo亡forlreioreenereteers,thesimpleperpositetanteifieetaptentec-ldcomembsulonmhoddhmoddmhoddodihs加ifcationforL)es咭nofStelR五”为r‘心肠nereteStrueturewereintrodueed.C劝mparisonwasmadeforthesemethods.豁meexamplesweregiventoshowtheusageofthemethods.Besides,theeeeentrieitymagnif外昭eoeffieientandtheaxialloadlimitforsteelreinforeedconeretecolumnwerealsointrodueed.Keywords:steelreinforeederete;alsecti;eceentrieitymaifyingeffieient;axialloadlimitconon,conorm,,SRC构件的正截面承载力的设计方法目前国于应变与其弹性模量的乘积但不得大于各自的强:(1)考虑外包混凝土的折算刚;;内外主要有三种思路度设计值(4)不考虑混凝土的抗拉强度(5)不考虑,,度按钢结构设计方法计算这种方法主要是欧美国钢骨板材的。局部压曲这些基本假定与《混凝土结‘,;家采用〔]适用于用钢量较大的情况(2)考虑钢骨构设计规范》[4]构件正截面承载力计算的基本假定,,应力分布的影响后按钢筋混凝土构件的方法计算是。一致的按以上基本假定分析得到的结果与试验,;(3)叠加方法。前苏联采用这种方法[2]即将钢骨(S)结果吻合较好[5]基于以上基本假定的正截面计算,部分和钢筋混凝土(RC)部分的承载力叠加日本规,方法适用于各种截面形式和钢骨配置的情况具有。范[3]主要采用这种方法一般实用性,但用于实际工程计算则较为复杂。按折算刚度的计算方法不为我国工程设计人员、二一般.加计算方法。所熟悉如S部分与RC部分能保证完全的共同工一般叠加方法是建立在塑性理论下限解的基础,,作按钢筋混凝土构件的正截面计算理论是合理的。,上的SRC构件在轴力N和弯矩M作用下正截且与试验结果吻合较好,但计算复杂。相,比而言叠面受力应满足以下平衡条件加方法的计算方法简便实用,而且建立在塑性理论N二N罗+N牙下限解基础上的一般叠加方法与按钢筋混凝土构件二十的计算结果是基本。MM牙一致的衅,r。。一、蓦本式中上角s分别表示S部分与RC部分计算假定:试验结果表,、柱构件在弯矩或利用式(1)计算承载力的方法如下对于给定的明钢骨混凝土梁,,压弯受力情况下,正截轴力N值根据式(1)中的轴力平衡方程任意分配面应变分布符合平截面假,,;定〔‘〕且钢骨部分的应变与外包钢筋混凝土部分的s和Rc部分所承担的轴力N犷N牙根据各部分承,。应变,受的轴力可确定相应的受弯承载力一般叠加方一致达到正截面承载力时钢骨板材无局部压。,屈因此SRC构件的正截面承载力计算方法可采法的计算结果与按平截面假定为基础的理论分析结,,用:以下基本假定(1)截面应变分布符合平截面假果吻合较好但计算较为复杂需多次试算轴力的分;(,。定2)混凝土受压应力应变关系曲线可按《混凝土配以确定其受弯承载力由塑性理论下限定理可,;(3)钢材和钢筋的应力均取等结构设计规范》选用知对于满足平衡条件的任意轴力分配所确定的受56 ,因此计算结果总是偏,,弯承载力总小于上述最大值力臂也较小组合力矩不大所以简单叠加方法与一。,〔3」,。于安全的根据这一理论日本规范对工程中常般叠加方法的误差不大且偏于安全但当钢骨为用的钢骨取对称配置截面,采用了简单叠加方法。不对称配置时,如图4所示,则简单叠加方法就过于规程YB9082一97也采用了这一方法,并将计算公偏于保守。对于图4(a)情况,可将钢骨受拉翼缘不。式转变为适合我国设计习惯的表达形式对称的多余部分作为受拉钢筋,仍采用简单叠加方、;4(b)钢骨偏置受拉区三简单.加方法法计算其受弯承载力对于图,(一)钢骨混凝土梁一混凝土组合梁的方法确定其的情况可近似按钢对1,,于如图所示钢骨为对称受弯承载力但此时需注意由于钢骨承受较大轴向户二二、口竺竺,匕,,配置截面的梁其受弯承载力计拉力N篇在钢骨与混凝土的界面上有较大的剪力:,。此外,算可采用以下简单叠加方法作用所以需在钢骨上设置栓钉连接件对于,,M簇M玩+M番(2)简支的SRC梁也应考虑到钢骨承受拉力的作用图,,,1钢骨混式中M[cuM琵分别为梁Rc与s在梁端设置一定连接件以保证钢骨与混凝土的共。凝土梁截面部分的受弯承载力。M同工作说可按文,m【4]方法确定但计算时取混凝土弯曲抗压强度人为,,fc这是由于钢骨与混凝土的粘结较差在破坏受压区破坏范围较大,且受压翼缘占了一部分受压画窗。a区混凝土的面积钢骨部分按下式确定()(b)=yss4不51图M蹂几W(3)图对称配置梁截面图计算例,,,s例l钢骨混凝土梁截面b二450mmh=式中fs为钢材的抗拉强度设计值w为钢骨截面,,,。,,n的弹性抵抗矩;y为钢骨截面的塑性发展系数对850m(图5)混凝土C30钢骨为16M1级钢筋·,工字型钢骨截面可取1.05。承受负弯矩设计值M=125OkNm试确定梁截面的配筋。式(2)仅考虑了S部分与RC部分承载力的简,,解假定钢骨截面用热轧H型钢一HZ6oo(60单叠加没有考虑钢骨与混凝土的组合作用因此其Xx12X,.=e3,。,22019w3069m)则钢骨部分结果比一般叠加方法式(1)偏于保守事实上SRC=.只3X.·X=1,,M罗105306910315015IkNm截面承受弯矩作用时S部分为偏心受拉RC部分。RC钢筋混凝土部分的弯矩设计值取为偏心受压S部分的拉力与部分的压力数值..·,。比=1250一10151大小相等所组成的力矩也将抵抗一部分弯矩也M=23493kNm,即,十二0,+设采用两排钢筋有效高度按式(1)是在N踢N玩的条件下取(M番h。=X+X7804=70,F。(26302)/5mmM乱)的最大值即图2中的点F点即为一般叠.6rcx10,M23493加方法的受弯承载力可由O吟和(〕刀两者的矢量a吕=一15x450x705,,贾舀砚和得到其值大于式(2)简单叠加方法的计算结果=0.07(a:,=0.396max(见图。3中E点).下=(1+了丁丁厄矶)/2=0964,对于钢骨为对称配置的sRC截面S部分的拉.代23493x106。M一~,A=二二一=二弓牛份二升三井共=二=1115m力和RC部分的压力不是很大且拉力与压力间的.了fsvyh。310X0964x705。.=1256,。n=0配4尘20(Am衬)A>尸。bh15%X式(1)。450x850=574。衬(二)钢骨混凝土柱对于图6所示的钢骨和钢筋为对称配置的矩形式(2),,截面SRC柱在计算其压弯承载力时可先设定钢骨或钢筋,然后按以下简单叠加方法一或方法二确图2SRC梁受弯承载力图3一般亚加方法与。定RC部分或S部分的轴力及弯矩设计值用两方的一般叠加方法简单叠加方法法得到的轴力和弯矩设计值分别进行截面承载力计57 ,。;,算后取较为经济的计算结果进行截面设计在以RC部分受纯弯承载力N护M于分别为柱S部分的,+,,下公式中当轴力为压力时取号当轴力为拉力时承受轴力和弯矩设计值;N梦M梦分别为柱RC部分。。一取号承受的轴力和弯矩设计值((由式(4)或(5)求得RC部分的轴力和弯矩设计:下:值,,,N牙M牙后可按规范[4j验算其正截面承载力但ln。石;二fc一凰息悬计算中取几工字形钢骨由式(4)或(5)求得S部分的轴力和弯矩设计值,,:N于M于后可按下式验算S部分的压弯承载力图6对称配筋SRC柱截面.N于为压力时1简单叠加方法一N笋M罗RC~二二二~a该方法是按部分承受尽可能多的轴力来进s十一,簇几(6)一AyW。。:行轴力分配的按设计轴力的大小又可分为N黔为拉力时,,(1)当N荡(N镇N汤且M)M共时S部分仅N罗M罗_,承受弯矩RC部分轴力和弯矩设计值为下二一二下玉厂多一j.(6b)z飞,,,,I.=N擎N,.a式中A为钢骨截面面(4)=一—-理论相关曲线,M牙MM芬-一般盈加方法积当有孔洞时应扣除方法一,,(2)当N>N汤时RC部分仅承受轴向压力S;y:方法二孔洞的面积为截面一"孩进筒单盈加方法部分的轴力和弯矩设计值为,鲡塑性发展系数绕强轴N护=N一N汤弯曲的工字形钢骨截面M罗=M取y。=1.05,绕弱轴弯,,.(3)当NN豁时S部分仅承受轴向压力RC量较大,因此按简化方法一和简化方法二分别计算部分轴力和弯矩设计值为后,取较小配筋面积,则可得到经济的配筋设计。一=一N梦NN器,6,般说来对绕钢骨强轴弯曲的截面(图a)可按简M梦=M;,,单叠加方法一计算对绕钢骨弱轴弯曲的截面(图(3)当NN(7)箫头因此按式(,4a)计算取钢筋混凝土部分的设计轴力,。,。=十式中N为SRC短柱轴心受压承载力NN笛和弯矩,bN茹N为界限破坏时的轴力对矩形截面可近似取N梦=N“3000kN.。N、=04fcbh=二一“13一.=.·M梦MM共0055407460kNm,,事实上由于S部分腹板也部分进入屈服S部设柱,四角各配三根钢筋有效高度一分N誉M瞥相关曲线并不是如式(6)所示的直线关ho=(4X730+2x660)/6=706。,m系根据计算分析团建议按下式确定N于一M护相o=a=a”h一h800一706=94mm关曲线eo“746X103/3000(“248.7mm>0.3ho=211.8mm8)按大偏心受压情况计算,并取,=1.0,对称配筋,故,式中m为N护一M护相关曲线的形状系数按表1取代.x=N/fc占=3000x103/(12sxsoo)=300mm。值e·..=俨。+0sh一a“2487+05X800一94N奢一lM奢相关曲线形状系数表=554.7mm、巴一.钢骨形式绕强轴弯曲绕弱轴弯曲十字形ho一xN牙fc公(0s)工字形钢骨工字形钢骨箱形钢骨。=AAh。一。‘N》N、1.01.3f补():.一.一_NN二3000kN改进简单叠加方法的内力分配结果比简单叠加,,设M>M器所以按式(sa)计算钢骨部分的轴力和方法准确,且钢骨截面的相关曲线也采用了较为准弯矩设计值为确的计算公式,因此其计算结果与一般叠加方法和N犷=N=3000kN理论解吻合较好(图7),计算也不十分困难。=y,一。M护w抓几N洲A)2Cb例某SR中柱截面=1.x051675xl护x(315一3侧刃xl03八97印)=h二,800承受设计内力.·.·~.,l’=2只106二287‘870Nm0kNmN=3000kN,M二1300kN·m,n』二,l士1所以钢筋混凝土部分的轴力和弯矩设计值为采用C25级混凝土钢骨为全N牙二0Q345钢,钢筋为n级钢。班圈二.M梦=M品=M一M矛=1300一2870解假定钢骨部分是由2=1013.0kN·m个热轧H型钢E况450一450x82..,=图计算例图按对称配筋计算有190X94X146构成(A2,二A=h。一a‘AX,二=14,,=二M蕊/九()gsso=1976om衬w9900om耐w.。10130x106176000mm3)构成的十字形钢骨其截面抵抗矩为=5340mm2310X(706一94)59 ,华=沪,12可见按简化方法二计算的钢筋面积大于按简化方夸(),。。。法一的计算结果因此应按简化方法一进行配筋甲为偏压短柱(l/h镇8)达到极限承载力时的截面3.按改进简单叠加方法计算曲率;套为相同初始偏心距中长柱跨中截面曲率和。,=沪,。。近似取与短柱截面曲率甲之比即g/华NO=N踢+N汤,得沪。根据试验研究结果分析[6]到和夸的计算.+.2=62244125x800八000公式为.:=一。一3=142244kN华(76)X10/入(13).、===1..。..N04fcbh3200kN芬3一00261/h(10)夸)07)(14),按式(7)确定钢骨部分承担的轴力将式(11)一(13)代入式(10)得到钢骨混凝土柱偏N:N:-3000一3200.心距增大系数,的表达式为毛.x62244一月_‘栽瓷1422443200(7一6a)11。2乙“一一“=一112.0(受拉),一‘拼讥7犷;(货)火‘0(‘5),,因N03h。而311210重要依据国内外反复荷载作用下钢骨混凝土柱的.,,=1,按大偏心受压情况计算并取,0对称配筋试验研究表明[9j当柱轴力超过界限轴力时(即进入,。己=华。十h/一a2小偏压状态)钢骨混凝土柱的抗震性能显著降低=1.,。0x240+800/2一94=546mm因此为保证抗震性必须限制柱子的轴压力试能,N梦里1e=0.441验表明钢骨混凝土柱的界限轴力与轴心受压承载.:=X竺业立X生五丽石万5800706力之比值约为N/N。>0.4一0.5。。一一.N梦子(l05子)从,A:二二编若试验还表明影响钢骨混凝土柱延性的主要因从。一。‘‘f邵)。素还是混凝土部分承担的轴压力对于钢骨混凝土~~‘二二兰二<。旦业竺2贮里互鱼互卫」生!止卫互丝塑竺1丝竺迎四竺柱,,随着轴向塑性变形的发展,X了口七一,4)在一定轴力下以及jlU气,故按构造配筋,与简单叠加方法一配筋结果一致。长期荷载下混凝土的徐变影响钢筋混凝土部分承。五、偏心距担的轴力逐渐向钢骨部分转移但目前关于这方面增大系数,,对,的理论分析还不深入根据文【5]的分析钢骨混凝于中长柱纵向弯曲变形对柱的承载力有较,大,。土柱的轴压力限值可表示为影响在计算中应给予考虑通常采用偏心距增ns,N簇(fcA+A)(11)大系数,进行计算即fs,甲=e。+eo10应注意的是上式中含有钢骨项与钢筋混凝土轴压(f)/(),,n,对两端铰接柱,跨中挠度沪之间比的计算不同因此系数称为轴压力限值系数f与跨中截面曲率但其概念与钢筋。混凝土轴压比相同(钢骨规程》建有下面的近似关系。议的轴压力限值系数见表2在按本规程规定的箍,一*“、*“(击11)令筋最小体积配箍率及箍筋直径和间距的要求下(表,。其中甲为柱达到极限承载力时跨中截面曲率,与偏3)建议的系数经试验验证是合理的心距和长细比有关,可表示为,(下转第5页)60 。,,,管待混凝土终凝后将浇灌口的短钢管用火焰割一般情况下按柱子数量的25%抽查但不少,.,,。。去把孔口混凝土修整平滑喷水泥砂浆后加贴盖于3根柱子检验的标准和方法见表76.。,,管内混投土质t标76板焊补完整此法施工速度快简单方便更重要的准和检验方法表是能确保。当然,混凝土的浇灌质量设计中也不能序检验项目质量标准检验方法,,号及器具有零部件穿过钢管以免影响施工质量甚至可能导1混凝土组成材料的品必须符合设计要求检查出厂证件。致泵送混凝土时压力过高而发生事故此法的不足种、规格和质量和有关现行标准的和试验报告之处是对管柱的开孔和焊补。有些工程采规定用了直接2混凝土强度必须符合设计规定检查混凝土强从管顶伸入布料杆向管内自上往下泵送混凝土的浇度试验报告,,,,3混凝土浇灌振捣密实钢管混凝土密实施工过程检查灌法虽可消除开孔等繁琐但劳动强度较大且管无空隙柱浇灌长度不能很高,需分段施工,影响施工速度。4混凝土配合比及组成必须符合设计要求检查搅拌记录材料计量偏差以上三种浇灌混凝土的方法可根据具体的施工5条件分别采,。混凝土施工方法应符合有关现行施观察检查和检用也可混合采用工规程的规定查混凝土施工管内,记录混凝土施工时除按规定留取立方体试块,外,尚宜,。位于我国北方寒冷地区的工程应尽可能避免留一组长试块补充测定混凝土弹性模量,工地最常用的混凝土质量检查方法是敲击法,冬季负温度下浇灌混凝土以免混凝土受冻而影响。,。质量对于必须冬季负温下浇灌混凝土的工程应通过声音来分辨管内混凝土是否密实有时可听到,,管柱与混凝土间有空隙的声音,说明二者间未粘结、采取切实措施保证在水泥完全水化前混凝土不受。有。,,冻害空隙但随着结构的继续安装荷载的继续增大。,不密实的空洞声即消失这说明钢管与混凝土间,只有极为微小的空隙,。[编后语】遵照双百方针至此本刊全部刊出对柱子工作并无影响如在,混凝土中加入微膨胀剂,此现象就可避免。对于一了钟善桐教授撰写的(钢管混凝土结构讲座》其内些重要建筑物的柱子或柱子的一些重要部位,可用容有别于建设系统《钢管混凝土结构设计与施工规,。,测试频率宜选择在40程》(CECS28:90)仅供参考随着钢管混凝土工程超声波进行抽样检查一,。,经验的不断丰富和科研工作的深入必将为我国钢100kHz范围内具体检验法是对比法即对无缺陷。的,管混凝土结构规范的编制创造良好的条件我们呼混凝土的强度和各种缺陷等进行标定求得超声、波通过时的一些超声参数,以此作为实际测试时的吁有关领导部门专家和广大工程技术人员一起推,比较,从而确定管内混凝土的状况,并评定其质量。动这一工作以不断提高我国钢管混凝土结构的设。发,。计与施工水平现有局部不密实处可采用钻孔压浆法加以补强(上接第60页)今考文献作2钢骨混凝土柱轴压力限值系数表ECCS:CompositeStruetures.L心ndonandNewYork,The0〕nstructionPres,1981.CH3一7《苏联钢骨混凝土结构设计指南8)日本建筑学会.,,钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解2..由表数据可知当锅骨面积趋于零时轴压力冯乃谦,,,19说叶列平等译能源出版社98限值系数的取值比《混凝土规范》轴压比的取值偏严混凝土结构设计规范GBJ10一89...,,一些,,叶列平钢骨混凝土柱的设计方法建筑结构1997这是因为在钢骨混凝土柱中箍筋基本是按构(5).。SRC..造要求配置的柱的箍筋体积配箍率不应小于叶列平钢骨混凝土梁的设计方法建筑结构,1997,.,。05%箍筋直径和间距的要求列于表3(10)..,,叶列平方鄂华赵树红钢骨混凝土梁柱构件正截面3柱箍筋直径和间距的要求表.受弯见:承载力计算第六届高层建筑抗震技术交流会论文集,珠海,1997,11.设防烈度箍筋直径箍筋间距加密区箍筋间距(mm)(mm)叶列平.劲性钢筋混凝土偏心受压中长柱的试验研..,19,非抗展)8成200簇150究建筑结构学报95(6)..,6,7度》10(200簇100叶列平方哪华等钢骨混凝土柱的轴压力限值建.8,,,9度)12(150筑结构学报199718(5)55'