【正文】 圖26 混凝土柱加牛腿節(jié)點(diǎn)示意圖 混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 概念 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般崛起，建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜。5無需防火、防銹蝕處理。7）使用期延長(zhǎng)由于混凝土板的存在，使得鋼梁上翼緣的應(yīng)力水平降低，由于裂縫引起的損傷較小，比起鋼梁的使用壽命提高了許多。由于沒有模板支撐，大大簡(jiǎn)化了支模工程，而且也創(chuàng)造了較大的工作面，不受梁柱模板支撐的影響。鋼管混凝土柱相對(duì)于鋼筋混凝土柱的承載力提高了很多。相比之下，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工較為方便，但方鋼管混凝土受到的約束作用較小，結(jié)構(gòu)的承載力較低。而組合構(gòu)件正好可以彌補(bǔ)鋼構(gòu)件的這些缺點(diǎn)，如果將二者混合，則稱之為鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)，如圖219和圖220所示。組合構(gòu)件以其承載高、剛度大、截面尺寸小和良好的抗震性能等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸推廣應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域中，以其為基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為繼木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)之后的第五大結(jié)構(gòu)形式。 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500072002252。對(duì)于樓板，SATWE給出了四種簡(jiǎn)化假定，即樓板整體平面內(nèi)無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛加彈性連接板帶和彈性樓板。③女兒墻采用實(shí)心磚（干容重按19kN/m3）考慮。本工程規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度多樣，不同部位應(yīng)采用不同的抗震等級(jí)，詳見表310。結(jié)構(gòu)附加恒載主要為樓面附加恒載及填充墻荷載。其核心是解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映出多、高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。 《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB500682001252。 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 由于混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)是前面所述三種混合結(jié)構(gòu)的綜合，因此對(duì)于它的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)綜合考慮混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)注意前面所述三種混合結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)于型鋼混凝土柱+混凝土梁構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通常采用以下幾種構(gòu)造：梁內(nèi)縱筋較少時(shí)，可直接錨固在節(jié)點(diǎn)的鋼筋混凝土中（圖213）；圖212 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)貫通型節(jié)點(diǎn)圖213 型鋼混凝土柱+混凝土梁結(jié)構(gòu)梁主筋直接與型鋼柱上的連接套筒連接，如圖214所示；與型鋼混凝土柱連接的梁端設(shè)置一段鋼梁與梁主筋搭接，如圖215所示；梁內(nèi)部分主筋焊接在鋼牛腿上，如圖216所示；如果梁主筋穿過型鋼梁翼緣或腹板，將鋼筋在工廠加工時(shí)，采用塞焊的方法將鋼筋焊在型鋼上，在工地將預(yù)焊鋼筋段的一端用連接套筒與梁主筋連接，如圖217所示。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，鋼管本身就是模板，可省去支模、拆模的工和料和人工費(fèi)，也縮短了工期。因?yàn)槠涫菆A形截面，而且斷面高度較小，所以在受彎作用下顯然并無優(yōu)越可言，而且是不利的。后澆混凝土養(yǎng)護(hù)硬化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，與型鋼、鋼筋形成整體，共同承受使用荷載。5）抗沖擊、抗疲勞性能好實(shí)際工程表明，組合梁比鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞能力。3需大量模板，施工麻煩。這種節(jié)點(diǎn)在一定程度上限制了鋼梁的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是鋼梁在節(jié)點(diǎn)處易發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)保守地按鉸接節(jié)點(diǎn)計(jì)算。這種建模分析方法方便快捷，但也存在不合理之處。因此需要防火時(shí)，應(yīng)采取防火措施，如在鋼結(jié)構(gòu)外面包混凝土或其他防火材料，或在構(gòu)件表面噴涂防火涂料等。和其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）強(qiáng)度高，重量輕鋼結(jié)構(gòu)的容重雖然較大，但與其它建筑材料相比，它的強(qiáng)度卻高很多，因而當(dāng)承受的荷載和條件相同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)要比其它結(jié)構(gòu)輕，便于運(yùn)輸和安裝，并可跨越更大的跨度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些缺點(diǎn)會(huì)逐漸被改進(jìn)或克服。本章對(duì)幾種常見的混合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析，研究各自的優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)這一現(xiàn)代技術(shù)的需求都有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。（2）結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化是先從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)入手，使結(jié)構(gòu)的平面布置盡量規(guī)則、對(duì)稱，立面和豎向規(guī)則，側(cè)向剛度均勻變化。數(shù)學(xué)規(guī)劃法雖然理論上比較完美，但真正要解決實(shí)際問題尚不容易。抗彎體系是在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力以彎矩為主，其包括桁架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。表11列出了幾種常見的大跨度混合結(jié)構(gòu)形式?；旌辖Y(jié)構(gòu)是個(gè)有潛力的結(jié)構(gòu)類型，它的受力合理性和經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)突出，同時(shí)輕盈精致的視覺表現(xiàn)具有獨(dú)特的審美價(jià)值。（2）結(jié)構(gòu)形式豐富多彩歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，大跨度建筑混合結(jié)構(gòu)體系展現(xiàn)出多樣化的格局?；旌辖Y(jié)構(gòu)不是指單一的結(jié)構(gòu)形式，如混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，而是指多種結(jié)構(gòu)（或稱構(gòu)件）混合而成的一種結(jié)構(gòu)形式。大跨度混合結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄1 緒論 1 研究背景 1 大跨度混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1 大跨度混合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 5 研究意義 6 大跨度混合結(jié)構(gòu)體系 7 按建筑功能分類 7 按建筑材料分類 7 按結(jié)構(gòu)布置分類 7 按結(jié)構(gòu)受力分類 8 按結(jié)構(gòu)形態(tài)分類 8 綜合考慮分類 8 大跨度混合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展 9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的層次 10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 10 本文的主要工作 112 大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 12 概述 12 混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合 12 概念 12 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 15 混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 18 概念 18 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 24 鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 27 概念 27 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 27 混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合 29 概念 29 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 29 本章小結(jié) 293 工程實(shí)例設(shè)計(jì)與分析 30 工程概況 30 初步設(shè)計(jì)分析 34 設(shè)計(jì)依據(jù) 34 分析軟件選取 34 設(shè)計(jì)參數(shù)確定 35 結(jié)構(gòu)布置 41 優(yōu)化設(shè)計(jì) 42 選型分析 42 方案對(duì)比及結(jié)論 67 結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化 70 構(gòu)件優(yōu)化 71 經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比 72 建筑效果 72 整體計(jì)算結(jié)果 72 經(jīng)濟(jì)性分析 73 本章小結(jié) 734 結(jié)論與展望 74 結(jié)論 74 展望 74參考文獻(xiàn) 75附錄 78附錄1 普通住宅建筑混凝土用量和鋼筋用量估算值 78附錄2 建筑結(jié)構(gòu)總信息 79附錄3 周期、地震力與振型輸出文件 88附錄4 SATWE位移輸出文件 97附錄5 各層荷載平面圖 101附錄6 板配筋計(jì)算簡(jiǎn)圖 105附錄7 各層平面簡(jiǎn)圖 109附錄8 混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件驗(yàn)算簡(jiǎn)圖 113謝辭 1171 緒論 研究背景 大跨度混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展人類的夢(mèng)想總是向著更廣闊的天地，大跨度建筑為這樣的夢(mèng)想插上了翅膀。大跨度建筑中的混合結(jié)構(gòu)是近年來結(jié)構(gòu)專業(yè)的新型提法，是大跨度建筑中不可或缺的結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等已相當(dāng)豐富多彩。從目前研究看來，無論理論上還是實(shí)踐中，都還有許多未知的形式。表11 常見大跨度混合結(jié)構(gòu)形式序號(hào)混合形式舉例1混凝土構(gòu)件+鋼構(gòu)件混凝土柱上鋼屋蓋房屋結(jié)構(gòu)、混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架中的鋼結(jié)構(gòu)連廊；2混凝土構(gòu)件+組合構(gòu)件混凝土框架中局部用型鋼混凝土構(gòu)件或鋼管混凝土構(gòu)件；3鋼構(gòu)件+組合構(gòu)件組合柱上鋼屋蓋結(jié)構(gòu)、組合柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)；4混凝土構(gòu)件+鋼構(gòu)件+組合構(gòu)件混凝土框架中局部用型鋼混凝土構(gòu)件或鋼管混凝土構(gòu)件，屋蓋用鋼結(jié)構(gòu)；5鋼構(gòu)件+索膜構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用張弦梁、索穹頂、張拉索膜等；6混凝土構(gòu)件+鋼構(gòu)件+索膜構(gòu)件混凝土柱上張弦梁、索穹頂、弦支穹頂、索拱、索—桁架、張拉索膜結(jié)構(gòu)等；7鋼構(gòu)件+組合構(gòu)件+索膜構(gòu)件組合柱上張弦梁、索穹頂、弦支穹頂、索拱、索—桁架、張拉索膜結(jié)構(gòu)等；8混凝土構(gòu)件+鋼構(gòu)件+組合構(gòu)件+索膜構(gòu)件混凝土柱上張弦梁、索穹頂、弦支穹頂、索拱、索—桁架、張拉索膜結(jié)構(gòu)等，部分柱用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱。 按結(jié)構(gòu)形態(tài)分類按結(jié)構(gòu)形態(tài)分類，大跨度混合結(jié)構(gòu)可分為實(shí)體結(jié)構(gòu)、線形（骨架）結(jié)構(gòu)和面系結(jié)構(gòu)。因此，在上世紀(jì)60年代和70年代，人們差不多同時(shí)在兩條戰(zhàn)線上奮進(jìn)。同時(shí)，通過計(jì)算和定量分析，對(duì)關(guān)系到體系整體性能的設(shè)計(jì)變量，如框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻的數(shù)量、平面布置和剛度特征值等進(jìn)行優(yōu)化。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的日新月異，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展一定會(huì)越走越遠(yuǎn)，它在實(shí)際工程中的應(yīng)用也會(huì)越來越多，前景是非常廣闊的。為便于研究，本章將大跨度混合結(jié)構(gòu)仍按建筑材料分類，且僅考慮混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件、組合構(gòu)件之間的混合，分為混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合、混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合、鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合、混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合四類。對(duì)于跨度較大的結(jié)構(gòu)，還可以考慮預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式。2）材性好，可靠性高鋼材由鋼廠生產(chǎn)，質(zhì)量控制嚴(yán)格，材質(zhì)均勻性好，具有良好的塑性和韌性，比較符合理想的各向同性彈塑性材料，因此目前采用的計(jì)算理論能夠較好地反映鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，可靠性高。目前國(guó)內(nèi)外正在研制耐火性能好的耐火鋼，以降低防火措施的費(fèi)用。首先混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)是兩種完全不同的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算方法也截然不同，現(xiàn)在將二者建立在同一個(gè)模型中，必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力、構(gòu)件驗(yàn)算等出現(xiàn)錯(cuò)誤。此做法構(gòu)造簡(jiǎn)單，但混凝土柱頂一般存在大量的柱縱筋的水平彎折段，所以對(duì)化學(xué)錨栓的打孔操作較難，不建議采用。壓型鋼板可以直接當(dāng)作模板并承擔(dān)施工荷載，減少架模、拆模等工序，施工方便，工期短。6）穩(wěn)定性好由于組合梁上翼緣側(cè)向剛度大，所以穩(wěn)定性好。利用二次受力原理進(jìn)行型鋼混凝土梁的合理設(shè)計(jì)，可以減小梁的變形和裂縫寬度。因此，鋼管混凝土構(gòu)件常作為柱使用，而梁一般采用其他結(jié)構(gòu)形式。 同時(shí)，鋼管本身就是鋼筋，它兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的功能。這種工藝便于預(yù)制化生產(chǎn)，可以縮短工期。 本章小結(jié)本章對(duì)幾種常見的混合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析，研究各自的優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012252。SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，采用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。其中，填充墻荷載分布按照實(shí)際情況布置，樓面附加恒載取值根據(jù)建筑功能、裝修情況的不同而不同，詳見表34~表37。表310 各結(jié)構(gòu)單元抗震等級(jí)地上建筑高層、超高層辦公塔樓上部主樓范圍一級(jí)下部裙房范圍按一級(jí)計(jì)算，特一級(jí)加強(qiáng)構(gòu)造商業(yè)裙房營(yíng)業(yè)面積大于7000m2一級(jí)營(yíng)業(yè)面積小于7000m2二級(jí)地下建筑1層一級(jí)2層二級(jí)3層三級(jí)。②衛(wèi)生間、廚房，水、電井，電梯間隔墻為KP1多孔磚（干容重按14kN/m3）考慮。墻元不僅具有墻所在的平面內(nèi)剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的實(shí)際受力狀態(tài)。 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500112010252。同時(shí)，得出結(jié)論如下：隨著建筑結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)單一的結(jié)構(gòu)形式難以滿足要求，而混合結(jié)構(gòu)將不同材料或構(gòu)件組合在一起，充分發(fā)揮各種材料和構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，是一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。圖218 鋼管混凝土柱+型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu) 鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合 概念 單一的鋼構(gòu)件存在價(jià)格昂貴、耐腐性差、耐火性差等缺點(diǎn)，且對(duì)于受壓、壓彎構(gòu)件常常會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，為滿足穩(wěn)定性要求則需大量的斜向支撐和加勁肋。5）節(jié)點(diǎn)復(fù)雜鋼管混凝土柱最大的弱點(diǎn)就是圓形截面的柱與矩形截面的梁連接較復(fù)雜，也將耗費(fèi)相當(dāng)多的鋼材。鋼管混凝土柱的承載力大于同等條件下的鋼管柱的承載力和混凝土柱的承載力。施工安裝時(shí)，梁柱型鋼骨架本身構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)度、剛度較大的結(jié)構(gòu)體系，可以作為澆筑混凝土?xí)r掛模、滑模的骨架，不僅大量節(jié)省了模板支撐，也可以承擔(dān)施工荷載。在符合一定的條件下，組合梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定可以不必驗(yàn)算，這也省去了相當(dāng)一部分鋼結(jié)構(gòu)為保證穩(wěn)定所需要的各種加勁肋的鋼材。由于壓型鋼板本身具有相當(dāng)?shù)某休d力，允許本層澆筑的混凝土尚未達(dá)到設(shè)定強(qiáng)度值前，就可以繼續(xù)進(jìn)行上層混凝土的澆筑，加快施工進(jìn)度，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益。此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工都簡(jiǎn)單，傳力明確，但無法形成框架。比如混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為1/550和1/250，那么混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角取值就難以確定。然而，從以上概述可以看到，無論是單一的混凝土結(jié)構(gòu)，還是單一的鋼結(jié)構(gòu)，都各有優(yōu)缺，在不同時(shí)候不同地方有著不可替代的作用，也有著各自的局限性。采用工廠制造、工地安裝的施工方法，有效地縮短工期，為降低造價(jià)、發(fā)揮投資的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造了條件。預(yù)應(yīng)力混凝土的實(shí)質(zhì)是采用預(yù)先加壓的手段以間接提高混凝土的抗拉強(qiáng)度即極限拉應(yīng)變，從本質(zhì)上改善了混凝土容易開裂的特性。混凝土結(jié)構(gòu)除了充分利用混凝土和鋼筋的性能外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)使其能在各種不同的工程中得以廣泛應(yīng)用。隨著大跨度混合結(jié)構(gòu)的日益增多，積極探討大跨度混合結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化的對(duì)象，可能是構(gòu)件的截面尺寸、剪力墻或者板的厚度、配筋面積等。在這一研究工作中，更顯示了作為最優(yōu)化理論基礎(chǔ)的KT最優(yōu)性條件的重要意義。實(shí)體結(jié)構(gòu)以框架結(jié)構(gòu)為主，線形（骨架）結(jié)構(gòu)則包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)及張拉結(jié)構(gòu)等，而面系結(jié)構(gòu)包括薄殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等。平面結(jié)構(gòu)外荷與支座反力作用在構(gòu)件平面內(nèi)，整個(gè)體系則是由一個(gè)個(gè)平面結(jié)構(gòu)通過次要構(gòu)件聯(lián)系而構(gòu)成；空間結(jié)構(gòu)則在三個(gè)維度上完成對(duì)外荷的接收、傳遞和釋放。顯然在探索新的結(jié)構(gòu)形式方面的工作難度不小，但我們只能面對(duì)現(xiàn)實(shí)，知難而進(jìn)，迎接挑戰(zhàn)。然而，一種結(jié)構(gòu)形式總有它自身跨越的極限能力和適用范圍。在這個(gè)過程中，建筑師越來越大膽地表現(xiàn)自己的建筑想法，結(jié)構(gòu)工程師面對(duì)越來越多的挑戰(zhàn)。在對(duì)人類早期建筑遺址的發(fā)掘中發(fā)現(xiàn)，無論是我國(guó)半坡聚落中具有空間骨架意味的山形居室（圖11），還是北美印第安人始祖繼承下來的穹頂棚屋（圖12），都已經(jīng)可以看出這種探索的端倪。當(dāng)然，當(dāng)建筑物的跨度達(dá)到或超過一定限度時(shí)，普通的平面結(jié)構(gòu)就開始變得不是很合理了。一方面，大跨度建筑的構(gòu)件尺寸較大，結(jié)構(gòu)自重很