鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)原理與實例

前言

　　結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展是推動結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展的重要力量，但在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上優(yōu)化挖潛，也可以促進結(jié)構(gòu)性能的顯著提升。對于鋼材和混凝土這兩種典型的傳統(tǒng)建筑材料，如何通過組合技術(shù)使二者各自的性能優(yōu)勢得到更充分的發(fā)揮，是國內(nèi)外近年來研究和應(yīng)用的熱點方向?！　∽髡咴?0多年的研究和工程實踐中，深感我國當(dāng)前的建設(shè)規(guī)模為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的發(fā)展提供了廣闊的舞臺，同時廣大工程技術(shù)和科研人員也創(chuàng)造性地建成了一大批具有世界先進水平的作品。為適應(yīng)現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展方向并滿足工程建設(shè)的實際需求，作者結(jié)合多年研究及工程實踐的經(jīng)驗，在傳統(tǒng)鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了幾種新的組合結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系，通過較為系統(tǒng)的試驗和分析來研究這些結(jié)構(gòu)的綜合性能，并根據(jù)實際工程需求進行改進，其成果已得到工程界的認可或采納。例如，超高層建筑結(jié)構(gòu)中普遍采用轉(zhuǎn)換層來將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞至跨度較大的下部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的梁式轉(zhuǎn)換層多采用預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁或型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁，此類轉(zhuǎn)換構(gòu)件為了解決剛度不足和抗裂的問題，不得不采用比較大的截面，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量和剛度偏大，影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和施工進度。作者提出的鋼一混凝土組合轉(zhuǎn)換梁，通過在正彎矩區(qū)和負彎矩區(qū)采用不同的組合形式，從而在受力和施工上取得了良好的綜合性能，并已經(jīng)被試驗所證實。再如，我國經(jīng)過幾十年的大規(guī)模建設(shè)，存在大量因老化、劣化或改變用途而需要加固的混凝土結(jié)構(gòu)。粘貼鋼板、加大截面、預(yù)應(yīng)力、FRP等既有加固技術(shù)雖有各自的優(yōu)點，但也存在各自一定的不足。針對結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域的現(xiàn)狀并結(jié)合實際工程的需求，作者提出了鋼一混凝土組合加固技術(shù)，通過一系列試驗和分析提出了設(shè)計方法。這些組合加固的成果在建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、地下工程、國防工程、特種結(jié)構(gòu)等工程的加固改造中得到了成功的應(yīng)用，并得到國內(nèi)外同行的認可和推廣?！　∪珪卜?1章，較為系統(tǒng)地總結(jié)了作者近年來在鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系和新型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的一些研究成果。各章首先介紹了研究對象的工程背景和現(xiàn)存的問題，然后對相關(guān)的試驗方案及結(jié)果、計算模型和分析結(jié)論以及設(shè)計方法等進行了闡述。第1章緒論對組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和當(dāng)前的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要綜述。根據(jù)鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用現(xiàn)狀。

內(nèi)容概要

本書是作者從事鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)研究部分成果的總結(jié)。書中闡述了作者所提出的幾種新型組合結(jié)構(gòu)的研究背景和工程應(yīng)用價值，重點介紹了有關(guān)試驗研究的具體內(nèi)容和主要結(jié)果，同時對計算模型、數(shù)值模擬、理論分析和設(shè)計方法等進行了詳細介紹。本書主要內(nèi)容包括混合結(jié)構(gòu)體系的抗震性能、組合樓蓋對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響、雙向大跨組合樓蓋的空間受力性能、鋼梁翼緣貫通式組合節(jié)點、格構(gòu)式鋼管混凝土柱、鋼與混凝土組合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、組合梁的抗扭性能、槽形鋼-混凝土組合梁以及鋼-混凝土組合加固技術(shù)等，同時包括了多項組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用實例。本書側(cè)重于揭示組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系的受力機理和規(guī)律，同時兼顧其在工程應(yīng)用中的實際需求和可操作性，并給出了相關(guān)實用的設(shè)計計算方法。    本書可供土木工程領(lǐng)域從事科研和設(shè)計的工程技術(shù)人員、高等院校相關(guān)專業(yè)的教師及研究生參考。

作者簡介

聶建國，博士，1958年生，湖南衡陽人?，F(xiàn)任清華大學(xué)土木工程系教授，博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者特聘教授，結(jié)構(gòu)工程研究所所長、結(jié)構(gòu)工程與振動教育部重點實驗室主任、土木工程系和建設(shè)管理系學(xué)術(shù)委員會主任。兼任中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)分會常務(wù)副理事長、中國建筑學(xué)會建筑結(jié)構(gòu)分會副理事長等職。已從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)研究近30年，多項成果被《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》、《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》等6部規(guī)范規(guī)程所采用。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域國際著名期刊Journal of Structural Engineering-ASCE等發(fā)表論文15篇，國內(nèi)著名期刊《土木工程學(xué)報》和《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》發(fā)表論文50篇。先后主持國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點項目、北京市自然科學(xué)基金重點項目等40余項科研項目。曾獲國家科技進步二等獎1項，獲省部級科技進步一、二等獎10項。獲首屆中國百篇最具影響國內(nèi)學(xué)術(shù)論文獎。授權(quán)發(fā)明專利6項，獲全國優(yōu)秀博士后稱號。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  組合結(jié)構(gòu)的歷史回顧和發(fā)展現(xiàn)狀    1.2.1  鋼-混凝土組合構(gòu)件和節(jié)點    1.2.2  鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系  1.3  組合結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用展望    1.3.1  新型組合構(gòu)件    1.3.2  超高層與大跨組合結(jié)構(gòu)體系    1.3.3  新型組合結(jié)構(gòu)在隧道、深井、海洋平臺等領(lǐng)域的應(yīng)用    1.3.4  組合加固技術(shù)  1.4  小結(jié)  參考文獻第2章  高層混合結(jié)構(gòu)的抗震性能  2.1  引言  2.2  混合結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析模型  2.3  框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度解析    2.3.1  帶加強層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度解析    2.3.2  無加強層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度解析    2.3.3  統(tǒng)一剛度比參數(shù)及合理取值范圍  2.4  鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的位移限值    2.4.1  帶加強層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)    2.4.2  無加強層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)    2.4.3  位移角限值取值方法探討  2.5  混合結(jié)構(gòu)的抗震安全評價    2.5.1  抗震安全評價流程    2.5.2  結(jié)構(gòu)算例及可比性分析    2.5.3  方法驗證    2.5.4  混合結(jié)構(gòu)的安全性能比較  參考文獻第3章  考慮組合樓蓋作用的框架抗震性能  3.1  引言  3.2  鋼-混凝土組合框架的試驗研究    3.2.1  試驗概況    3.2.2  彈性試驗結(jié)果及分析    3.2.3  破壞試驗結(jié)果及分析  3.3  鋼-混凝土組合樓蓋面內(nèi)作用分析    3.3.1  幾何模型    3.3.2  參數(shù)分析    3.3.3  剛度比R  3.4  鋼-混凝土組合樓蓋面外作用分析    3.4.1  簡述    3.4.2  鋼-混凝土組合梁的M-φ關(guān)系    3.4.3  組合框架靜力彈塑性分析  3.5  鋼-混凝土組合框架計算方法    3.5.1  簡述    3.5.2  組合樓蓋層剪力分配的簡化計算    3.5.3  框架組合梁的混凝土翼緣有效寬度    3.5.4  框架組合梁剛度的近似計算  3.6  小結(jié)  參考文獻第4章  雙向鋼-混凝土組合梁板體系  4.1  引言  4.2  雙向組合梁板體系的試驗研究    4.2.1  試驗概況    4.2.2  簡支雙向組合梁板體系的彈性試驗結(jié)果及分析    4.2.3  簡支雙向組合梁板體系的塑性試驗結(jié)果及分析    4.2.4  鋼梁鉸接混凝土板連續(xù)雙向組合梁板體系的彈性試驗結(jié)果    4.2.5  鋼梁鉸接混凝土板連續(xù)雙向組合梁板體系的塑性試驗結(jié)果  4.3  簡支雙向組合梁板體系混凝土板有效翼緣寬度分析    4.3.1  分析模型    4.3.2  雙向組合梁板體系中組合梁抗彎剛度    4.3.3  膜應(yīng)力分析    4.3.4  彎曲應(yīng)力分析    4.3.5  剪切有效翼緣寬度分析    4.3.6  彎曲有效翼緣寬度分析  4.4  雙向組合梁板體系的彈性分析    4.4.1  簡支雙向組合梁板體系的彈性分析    4.4.2  鋼梁鉸接混凝土板連續(xù)雙向組合梁板體系的彈性分析    4.4.3  角點支承雙向組合梁板體系的彈性分析  4.5  雙向組合梁板體系的極限承載力分析    4.5.1  簡支雙向組合梁板體系極限承載力分析    4.5.2  鋼梁鉸接混凝土板連續(xù)雙向組合梁板體系極限承載力分析  4.6  小結(jié)  參考文獻第5章  方鋼管混凝土-組合梁節(jié)點的抗震性能  5.1  引言  5.2  試驗研究    5.2.1  試驗方案    5.2.2  試驗結(jié)果  5.3  節(jié)點抗彎承載力分析    5.3.1  節(jié)點抗彎承載力分析    5.3.2  試驗驗證  5.4  節(jié)點抗剪性能分析    5.4.1  剪力-剪切變形曲線的恢復(fù)力模型    5.4.2  方鋼管混凝土柱節(jié)點的抗剪承載力分析  5.5  節(jié)點變形分析    5.5.1  梁端變形分析    5.5.2  試驗驗證  5.6  方鋼管混凝土柱節(jié)點的設(shè)計方法    5.6.1  節(jié)點的抗彎承載力設(shè)計方法    5.6.2  節(jié)點的抗剪承載力設(shè)計方法    5.6.3  節(jié)點的構(gòu)造措施建議  參考文獻第6章  鋼管混凝土格構(gòu)柱受力性能研究  6.1  引言  6.2  鋼管混凝土格構(gòu)柱軸壓試驗研究    6.2.1  試驗概況    6.2.2  試驗方案    6.2.3  雙肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試驗結(jié)果    6.2.4  三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試驗結(jié)果    6.2.5  四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試驗結(jié)果  6.3  軸心受壓鋼管混凝土格構(gòu)柱剪力計算    6.3.1  剪力計算公式推導(dǎo)    6.3.2  參數(shù)分析與公式回歸    6.3.3  結(jié)語  6.4  小結(jié)  參考文獻第7章  組合轉(zhuǎn)換框架的試驗研究與分析  7.1  引言  7.2  鋼-混凝土組合轉(zhuǎn)換梁的受力性能    7.2.1  正截面承載力分析    7.2.2  考慮滑移效應(yīng)時組合轉(zhuǎn)換梁的剛度  7.3  鋼-混凝土組合轉(zhuǎn)換框架的試驗研究    7.3.1  試驗概況    7.3.2  試驗設(shè)計及試驗內(nèi)容    7.3.3  試驗結(jié)果分析  7.4  鋼-混凝土組合轉(zhuǎn)換框架有限元分析    7.4.1  試驗?zāi)Ｐ陀邢拊治?   7.4.2  轉(zhuǎn)換梁剛度對轉(zhuǎn)換框架受力性能的影響    7.4.3  轉(zhuǎn)換梁剛度對轉(zhuǎn)換框架破壞機制的影響  7.5  轉(zhuǎn)換梁選型及設(shè)計方法    7.5.1  轉(zhuǎn)換梁選型建議    7.5.2  組合轉(zhuǎn)換梁設(shè)計方法  參考文獻第8章  組合梁的抗扭性能研究  8.1  引言  8.2  鋼筋混凝土板式構(gòu)件的抗扭分析    8.2.1  試驗研究概況    8.2.2  鋼筋混凝土變角軟化桁架模型    8.2.3  板式構(gòu)件抗扭機理分析    8.2.4  對Marti等人試驗的進一步分析  8.3  鋼-混凝土組合I形梁的抗扭分析    8.3.1  試驗研究概況    8.3.2  扭轉(zhuǎn)中的組合作用    8.3.3  抗扭分析模型    8.3.4  簡化分析模型    8.3.5  彎扭相關(guān)強度  8.4  鋼-混凝土組合箱梁的抗扭分析    8.4.1  試驗研究概況    8.4.2  抗扭分析模型    8.4.3  討論    8.4.4  彎扭相關(guān)強度  參考文獻第9章  槽形鋼-混凝土組合梁  9.1  引言    9.1.1  城市軌道高架橋上部梁結(jié)構(gòu)形式    9.1.2  鋼筋混凝土槽形梁  9.2  一種新型的U形截面(槽形)鋼一混凝土組合梁  9.3  槽形組合梁基本受力性能初探    9.3.1  單元類型    9.3.2  線路和軌道條件    9.3.3  荷載類型    9.3.4  槽形組合梁的有限元計算模型    9.3.5  槽形組合梁的非線性彈性分析  9.4  槽形組合梁的試驗研究    9.4.1  構(gòu)件設(shè)計    9.4.2  材料性能    9.4.3  試驗裝置及加載方案    9.4.4  測點布置方案    9.4.5  槽形組合梁試驗結(jié)果    9.4.6  試驗與計算結(jié)果的對比  9.5  小結(jié)  參考文獻第10章  鋼板-混凝土組合加固技術(shù)  10.1  引言  10.2  鋼板-混凝土組合抗彎加固的試驗研究    10.2.1  試驗概況    10.2.2  構(gòu)件設(shè)計    10.2.3  構(gòu)件制作    10.2.4  材料性能    10.2.5  試驗裝置及量測方案    10.2.6  鋼板-混凝土組合梁試驗結(jié)果及分析    10.2.7  鋼板-混凝土組合抗彎加固梁試驗結(jié)果及分析  10.3  鋼板-混凝土組合抗彎加固承載力的理論分析    10.3.1  二次受力構(gòu)件滯后應(yīng)變計算    10.3.2  開裂荷載    10.3.3  截面抗彎承載力    10.3.4  界面剝離破壞荷載  10.4  鋼板-混凝土組合抗彎加固正常使用極限狀態(tài)分析    10.4.1  組合抗彎加固的撓度計算    10.4.2  組合抗彎加固的裂縫寬度計算  10.5  鋼板-混凝土組合抗彎加固界面受力分析    10.5.1  簡述    10.5.2  組合抗彎加固中栓釘?shù)膶嶋H承載力    10.5.3  組合抗彎加固新老混凝土界面承載力  10.6  小結(jié)  參考文獻第11章  組合結(jié)構(gòu)工程實例  11.1  高層及超高層建筑    11.1.1  北京財源國際中心西塔    11.1.2  天津津塔    11.1.3  廣州合景大廈    11.1.4  東莞青少活動中心  11.2  大跨建筑    11.2.1  武昌火車站    11.2.2  吳江大廈    11.2.3  北京大屯路下穿隧道工程  11.3  橋梁結(jié)構(gòu)    11.3.1  濰坊市跨濟青高速立交橋    11.3.2  河南漯平高速甘劉立交橋    11.3.3  廈門圓博園11號橋    11.3.4  重慶觀音巖長江大橋    11.3.5  青島海灣大橋  11.4  結(jié)構(gòu)加固改造    11.4.1  工型混凝土梁組合加固    11.4.2  工型混凝土梁組合加固    11.4.3  箱形混凝土梁組合加固    11.4.4  混凝土橋梁組合加寬    11.4.5  地下通道組合加固    11.4.6  既有建筑增層改造  11.5  其他結(jié)構(gòu)    11.5.1  大型煙囪組合結(jié)構(gòu)隔板    11.5.2  鐵路隧道組合結(jié)構(gòu)襯砌  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　計算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換梁剛度的降低使結(jié)構(gòu)在發(fā)生更大側(cè)移的時候才出現(xiàn)首個塑性鉸，這是由于轉(zhuǎn)換梁對1層柱的約束作用降低而使1層柱變形能力增大造成的，但是由于約束作用的減小，使得側(cè)向剛度降低導(dǎo)致出現(xiàn)首個塑性鉸時，轉(zhuǎn)換梁剛度較小的模型所承受的水平荷載略小，但幅度不大。柱腳全部出現(xiàn)塑性鉸時的情況與之類似。但對于首個柱頂塑性鉸的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)換梁剛度較小的模型在水平荷載較大、層間位移較大時發(fā)生，這也充分說明了降低轉(zhuǎn)換梁與1層柱剛度的差異，可以有效延緩柱頂塑性鉸的出現(xiàn)。同時值得注意的是，M一3、M一4模型在加載過程中始終未使底層完全形成機構(gòu)，這對提高結(jié)構(gòu)的抗震能力是非常有效的?！　∞D(zhuǎn)換梁端在荷載水平較高時均出現(xiàn)塑性鉸，相比較而言，轉(zhuǎn)換梁剛度較小的模型出現(xiàn)轉(zhuǎn)換梁端塑性鉸時，水平荷載和層間位移均處于相對其他模型較小的水平?！　【C上所述，降低轉(zhuǎn)換梁與1層柱的剛度比，可以有效地改善結(jié)構(gòu)破壞機制的類型，使結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)圖7-59（a）所示的梁鉸破壞機制，因此對于抗震結(jié)構(gòu)，采用較小的轉(zhuǎn)換梁剛度更好。但轉(zhuǎn)換梁剛度的增大對減小豎向荷載作用下跨中撓度是非常有效的。在不改變豎向構(gòu)件剛度的前提下，轉(zhuǎn)換梁剛度就需要一個合適的選擇，既能夠滿足正常使用階段剛度的要求，又能夠避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不利于抗震的破壞機制，這就對_T程設(shè)計人員提出了較高的要求?！　?.5轉(zhuǎn)換梁選型及設(shè)計方法　　7.5.1轉(zhuǎn)換梁選型建議　　在進行轉(zhuǎn)換梁選型研究時，首先需要考慮各種轉(zhuǎn)換梁的受力性能之差異，根據(jù)結(jié)構(gòu)需求選擇合適型式的轉(zhuǎn)換梁；其次還需要考慮整體結(jié)構(gòu)體系的協(xié)調(diào)、施工復(fù)雜程度、工期等各方面要求?！　〗陙?，我國很多新建高層建筑都采用了組合技術(shù)，尤其是鋼管混凝土柱和鋼一混凝土組合樓蓋的應(yīng)用越來越廣泛，隨著對工期要求的提高，鋼一壓型鋼板組合樓蓋也憑借其施工速度快、外形美觀、便于后期室內(nèi)裝修等優(yōu)點獲得了越來越多的應(yīng)用。從施工復(fù)雜程度和工期進度而言，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁打孔、穿筋工作量大，節(jié)點區(qū)混凝土澆筑質(zhì)量難以保證，施工過程復(fù)雜；鋼一混凝土組合轉(zhuǎn)換梁便于和壓型鋼板組合樓蓋結(jié)合使用，施工方便。

編輯推薦

　　本書共分11章，較為系統(tǒng)地總結(jié)了作者近年來在鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系和新型鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的一些研究成果。各章首先介紹了研究對象的工程背景和現(xiàn)存的問題，然后對相關(guān)的試驗方案及結(jié)果、計算模型和分析結(jié)論以及設(shè)計方法等進行了闡述。

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