【文章內(nèi)容簡介】 作用， 受壓時的脆性破壞轉(zhuǎn)變成為 延性破壞:而套箍指標θ≥ 的鋼管混凝土受壓構(gòu)件在往復水平荷載作用下， 具有 極好的延性。 (4) 耐火性好。由于內(nèi)填滿混凝士，能吸收大量熱能，遭受火災時，能延長柱 的耐火時間[14]。 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡介 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼梁、鋼柱周圍配置鋼筋，澆注混凝土后使鋼骨與混凝土 成為共同作用的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 結(jié)構(gòu)的性能 (1)與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，具有以下特點: 整體工作:鋼骨架與混凝土形成整體，共同受力。 截面尺寸小:鋼筋混凝土柱受到配筋率限值的制約， 提高承載力的唯一途徑是加 大截面尺寸；而鋼骨混凝土柱可以利用設置較大截面的型鋼芯柱參與承壓，承載力 相同，截面面積可以減小一半。 構(gòu)件延性好:由于鋼骨的存在使得構(gòu)件延性得到很大改善， 變形能力強、 抗震性 能好、承載能力高。1995 年日本阪神地震，鋼筋混凝土高樓破壞率高、破壞程度嚴 重。形成鮮明對比的是，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，破壞輕微。 (2)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有以下特點: 節(jié)約鋼材 :采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，約比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材 1/3 左右，造 價降低較多。 耐火度高:包裹在鋼骨架外面的鋼筋混凝土， 不僅在剛度和強度上發(fā)揮作用， 還 作為型鋼的保護層，可以取代型鋼外涂的防銹漆和防火涂料，不僅節(jié)省經(jīng)常性維護 費用，而且由于混凝上蓄熱量較大，從而提高了構(gòu)件的耐火度。 兼作模板支架:型鋼在混凝土尚未澆灌之前即己形成鋼構(gòu)架，有相當大的承載 13 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 力，可用作其上若干樓層平行施工的模板支架和操作平臺，因而其施工速度僅稍慢 于鋼結(jié)構(gòu)。 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)都是結(jié)構(gòu)框架體系采用鋼與混凝土組合作 用，兩種材料相輔相成共同工作，都具有承載力高、抗震性能好、變形能力強的特 點。其中，鋼骨混凝土更接近于混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力、 能優(yōu)于純鋼框架結(jié)構(gòu)，這兩種體系多用于高層及中高層住宅建筑，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢發(fā)揮得 更加充分。 鋼框架一混凝土核心筒體系 結(jié)構(gòu)簡介 (1)豎向構(gòu)件 混凝土核心筒一鋼框架體系是指由鋼筋混凝土核心筒與外圈的剛接或鉸接鋼框 架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系。當建筑的樓層平面采用核心式建筑布置方案，沿樓面 中心部位的服務型面積周邊設置鋼筋混凝土墻體所形成的核心筒， 是一個立體構(gòu)件， 在各個方向都具有較大的抗推剛度。 混凝土核心筒是結(jié)構(gòu)體系中的主要或唯一的抗側(cè)力豎向構(gòu)件。當樓面外圈為剛 接框架時，核心筒承擔著絕大部分作用于整個建筑的水平荷載，一小部分由鋼框架 承擔。當樓面外圈為鉸接框架時，核心筒則承擔樓房的全部水平荷載. (2)水平構(gòu)件 進行樓面構(gòu)件布置時，應恰當安排各層樓蓋的梁、板走向，以便讓更多的樓面 重力荷載直接傳到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應力，以提高核心筒的受剪承載力 和抵抗傾覆力矩的能力。 當核心筒的高寬比值較大時，宜在頂層及每隔若千樓層的設備層或避難層，沿 核心筒的縱、橫墻體所在平面，設置整層樓高的外伸剛性析架(剛臂)，加強核心筒 與外圈鋼柱的連接，讓外圈鋼柱與核心筒連成一個整體抗彎構(gòu)件，以加大整個結(jié)構(gòu) 體系的抗推剛度和抵抗傾覆力矩的能力， 減小結(jié)構(gòu)的頂點側(cè)移值和最大層間側(cè)移值。 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點 該體系在我國應用極為廣泛，目前新建的高層、超高層建筑幾乎都采用了這種 結(jié)構(gòu)體系，混凝土筒體抗側(cè)力的效果較好，具有節(jié)約鋼材、降低造價，施工方便等 優(yōu)點。 但由于核心筒與鋼外框架的延性、 ， 鋼筋 混凝土核心筒約承擔 90%， 作為第一道防線的核心筒很容易 遭到破壞，而恰恰第二道防線的鋼框架非常薄弱，這就是說鋼框架一混凝土核心筒 結(jié)構(gòu)基本上沒有進一步抵抗地震重用的能力。這種結(jié)構(gòu)體系在歷史上曾有過震害破 壞記錄。且混凝土筒體與鋼框架的連接較為復雜，施工進度不匹配，施工精度要求 14 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 較高[15]。在美國，根據(jù)阿拉斯加地震經(jīng)驗，認為不宜用于地震區(qū)。日本于 1992 年建 成高度分別為 78m 和 1O7m 的兩棟該類型樓房，然而，以后再建此類結(jié)構(gòu)，需經(jīng)建設 大臣批準。 主要問題是，國內(nèi)外對該類型結(jié)構(gòu)的抗震性能缺少全面、系統(tǒng)的研究，對其延 性、耗能以及地震作用下兩類構(gòu)件同步工作程度、破壞機制和倒塌過程，尚未完全 了解，需要做進一步的研究。 交錯桁架體系 結(jié)構(gòu)簡介 交錯桁架結(jié)構(gòu)體系 [16]， [17] 是麻省理工學院于 20 世紀 60 年代中期開發(fā)的一種新型 結(jié)構(gòu)體系主要適用于中、高層住宅、旅館、辦公樓等平面為矩形或由矩形組成的鋼 結(jié)構(gòu)房屋，在美國、澳大利亞等國家己有不少應用，但在我國基本還是空白。 在人們致力于為多層住宅建筑提供最小樓層高度的鋼結(jié)構(gòu)體系時，交錯桁架體 系發(fā)展起來了。這種體系由跨越整個建筑寬度且高度為一層的桁架組成。桁架在相 鄰樓層被交替布置在柱軸線上，因而產(chǎn)生了桁架的交錯排列形式(圖 2 一 3)。桁架 在外柱之間跨越大約 60ft()的跨度，從而可得到很大的無柱內(nèi)部空間。 此時，樓板跨越于一福析架的上弦與相鄰析架的下弦之間。由于交錯析架典型 的中心間距為 20 一 30ft（~） ，因此需要一種大跨度的樓板體系。通常使 用帶敷層的預制混凝土板，因為除了滿足跨度要求外，預制混凝土板的板底也可施 工成直接用作天花板。另一種是帶有填充混凝土的大跨度組合壓型金屬板。桁架的 上弦和下弦通常采用寬翼緣型鋼來有效地抵抗由樓板荷載產(chǎn)生的彎曲應力。 圖 2 一 3 交錯桁架體系 桁架的斜腹桿在走廊開口處被略去了，這將導致桁架弦桿中產(chǎn)生由空腹桁架效 應引起的彎曲應力。相應的，走廊通常布置在接近建筑物中線的位置，也即接近桁 架跨中處（桁架的最小剪力點)，這樣可以減小弦桿中的彎曲應力。 橫向的水平力經(jīng)由樓板的蒙皮板作用(詳見 節(jié))傳遞到桁架上弦。這些荷 15 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 載由桁架的垂直方向傳到下弦，然后通過同一水平高度的樓板傳到相鄰桁架的上弦 上。 從上弦到下弦的側(cè)向荷載傳遞所產(chǎn)生的傾覆力偶由桁架端部的豎向力偶來抵抗。 外圍柱中只產(chǎn)生軸向力，因此，除了在桁架開口處，橫向的水平荷載通過結(jié)構(gòu)往下 傳而不會產(chǎn)生彎曲應力。 縱向的水平荷載經(jīng)由樓板蒙皮板作用傳到外圍柱上，結(jié)構(gòu)用一般的方式的抵抗 了荷載，如剛性框架或支撐排架等。為了提供額外的強度和剛度，通常對外圍柱子 加以調(diào)整以使強軸協(xié)助抵抗延縱向的側(cè)向荷載。 為了在桁架和樓板之間取得必要的結(jié)構(gòu)上的相互作用，以及提供樓板蒙皮作用 所必需的連續(xù)性，在各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間必須提供足夠的連接，形式可采用焊接板、 抗剪連接件等。帶有大開口及其他剪力不連續(xù)處的樓板一般需要進行額外的加強。 雖然交錯桁架體系主要由桁架桿件的軸向力抵抗重力及水平力，但必須對外圍 柱子中由于重力荷載作用下桁架變形而產(chǎn)生的彎曲應力加以考慮?？梢酝ㄟ^對桁架 起拱的方式來顯著減小這種彎曲應力， 相當于對柱子預施荷載:另一種可采用的方法 是提供一種槽型下弦連接件，在施加恒載后擰緊或者焊接此連接件[12]。 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點 其主要優(yōu)點:室內(nèi)無柱，開間大，建筑平面布置靈活。樓板直接支承在相鄰柱列 的上下弦上，不需設樓面梁格，降低層高，節(jié)約造價。柱、桁架預先在工廠制作，現(xiàn) 場安裝方便，施工周期短。 其主要缺點在于: 桁架不利于門窗布置及人流安排?？拐鹦阅艽M一步研究。 結(jié)構(gòu)體系的選擇 選用原則 鋼結(jié)構(gòu)設計的基本原則是:結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、 剛度和穩(wěn)定性， 整個結(jié)構(gòu)安 全可靠。結(jié)構(gòu)應符合建筑物的使用要求， 有良好的耐久性。結(jié)構(gòu)方案盡可能節(jié)約鋼材， 減輕鋼結(jié)構(gòu)重量。盡可能縮短制造、 安裝時間， 節(jié)約勞動工日。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應便于運輸、 便于維護。在可能條件下，盡量注意美觀，特別是外露結(jié)構(gòu)，有一定建筑美學要求。 以上所列鋼結(jié)構(gòu)體系的幾種類型，各有優(yōu)缺點，具體應用要根據(jù)實際情況，綜 合比較，主要應考慮以下幾個方面的因素，并做到技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用 和確保質(zhì)量。 (1)房屋荷載 ，特別是風荷載和地震作用。隨著房屋高度的增加和抗震設等級 的提高，需要的抗側(cè)剛度也隨之增大。對于層數(shù)不多、設防等級不高的房屋，應優(yōu) 先采用框架體系。設防等級較高時，宜優(yōu)先考慮框架一支撐體系，抗側(cè)效果明顯且 構(gòu)造簡單。如有電梯、管道井，也可結(jié)合選用框架一核心筒體系。采用有混凝土抗側(cè) 力體系(如剪力墻、混凝土筒體)時，結(jié)構(gòu)自重也大幅度增加，對抗震和基礎設計也 有不利的一面。 16 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 (2) 房屋的尺寸和體形，包括平面形狀、立面要求、房屋高度及高寬比等。建 筑平面簡單時，風荷載體形系數(shù)小，水平荷載作用下也不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，需要的 抗側(cè)剛度就低。如果立面不規(guī)則，如立面有突變或結(jié)構(gòu)存在薄弱層，結(jié)構(gòu)剛度存在 突變，不利于抗震，需要調(diào)整對應層的抗側(cè)剛度，往往采用混合結(jié)構(gòu)體系。當房屋 高寬比增大時，傾覆力矩作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移增大，也需要較大的抗側(cè)剛度。 某些建筑要求，對結(jié)構(gòu)體系的選擇也有影響。例如，門窗或開間的設置與支撐 體系發(fā)生沖突時，可能轉(zhuǎn)為采用其他結(jié)構(gòu)體系。如果房屋內(nèi)部設有較大空間，采用 框架一剪力墻體系或框架一筒體體系則能很好地解決這一問題，因為剪力墻和筒體 幾乎承擔了全部水平荷載，框架體系基本上僅承擔豎向荷載，同樣截面條件下所提 供的空間比純框架體系大。 (3)房屋材料，包括結(jié)構(gòu)體系和圍護體系材料。采用輕質(zhì)材料時，房屋質(zhì)量輕， 承重結(jié)構(gòu)的用鋼量低，同時，由于地震作用小，需要的抗側(cè)剛度也就小。 (4)工程造價，也是影響結(jié)構(gòu)體系選用的一個重要因素。一般來說，結(jié)構(gòu)體系的 抗側(cè)剛度越大， 工程造價也越高。在地質(zhì)條件較差的地區(qū)， 應優(yōu)先選用純鋼結(jié)構(gòu)體系， 如框架體系、框架一支撐體系，以降低基礎造價。 (5)施工條件。鋼結(jié)構(gòu)一般在工廠制造，現(xiàn)場安裝，施工工期短，而混凝土抗側(cè) 結(jié)構(gòu)需要現(xiàn)場澆筑，施工周期長。當施工工期要求較短時，宜采用純鋼結(jié)構(gòu)體系。 (6) 規(guī)范要求。 《建筑抗震設計規(guī)范》[9]規(guī)定，對于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)體系尚應符合 以下要求:應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。應避免因部分結(jié)構(gòu)或 構(gòu)件破壞而導致整體結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。應具備必要的抗 震承載能力， 良好的變形能力和消耗地震能量的能力。對可能出現(xiàn)的薄弱部位， 應采 取措施提高抗震能力。對于鋼結(jié)構(gòu)民用房屋， 其最大高寬比不宜超過表 2 一 2 的規(guī)定。 表 22 鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高寬比 (m) 抗震設防烈度 最大高寬比 7 度 8度 [10] 9度 本案例的結(jié)構(gòu)體系選用 首先，在外部投資因素方面，由于甲方廣東某學院為民辦學院，教學樓需在開 學前交付使用，要求有效地控制工程造價、施工工期，并且要求建筑物立面美觀、 內(nèi)部使用空間充分。在這方面，跟其他結(jié)構(gòu)相比，純鋼結(jié)構(gòu)是一個很好的選擇:施工 速度快，可以大大提高資金的投資效益。各部分剛度比較均勻，構(gòu)造簡單，更易于施 工。比框筒結(jié)構(gòu)在建筑設計和平面布置上具有更大的靈活性。 其次，在內(nèi)部設計因素方面，本案例為 6 層建筑，層數(shù)不高，體形規(guī)整，平面 不復雜，立面不存在結(jié)構(gòu)突變，適宜采用框架體系。只是由于是民用建筑，門窗位 置不能設支撐，并且外墻部分設支撐也會影響美觀，所以如果可以不設支撐就不設 17 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 支撐。 所以綜合以上的設計原則和設計因素，本案例采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。 樓板體系選型 樓蓋是水平承重結(jié)構(gòu)，是多層建筑的重要組成部分，樓蓋不但將其自身荷載傳 遞給豎向承重結(jié)構(gòu)，而且與豎向承重結(jié)構(gòu)一起形成建筑空間承重骨架，共同抵抗荷 載等各種作用。樓蓋的選型是否得當，布置是否合理，不但關系到結(jié)構(gòu)受力的好壞， 而且對結(jié)構(gòu)是否正常使用、造價高低、室內(nèi)景觀效果以及施工是否方便有著十分重 要的影響。 樓蓋的做法有很多種，目前在多層鋼結(jié)構(gòu)中，最常用的樓蓋有以下幾種: 現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋 現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋是結(jié)構(gòu)設計中最常用的一種樓板，也是設計及施工人員最 為熟悉的一種結(jié)構(gòu)形式。它的一些主要優(yōu)勢是: (1) 施工工藝簡單，取材方便，造價低廉，適用范圍廣。 (2)平面整體剛度大，抗震性能好。 (3)和鋼梁共同工作，形成組合梁，可減小梁截面的高度。 (4)不受房間形狀的限制，開洞方便，便于設備和管道的垂直鋪設. (5)取消了壓型鋼板，減少了用鋼量。 盡管它有以上許多優(yōu)點，但在多高層結(jié)構(gòu)的樓板設計中并不常用，主要是由于 以下幾點不利因素: (1)自重較大，現(xiàn)場濕作業(yè)多，現(xiàn)場凌亂。 (2)它需要傳統(tǒng)的模板支撐系統(tǒng)，阻礙下部交通，支模拆模比較繁瑣。 (3)混凝土澆筑完成后，不能及時為后續(xù)工作提供條件。 (4)樓板混凝土的硬化需要較長的時間，對工期的影響較大。 另外，混凝土樓板和鋼框架組合還有一個缺點，就是可能會產(chǎn)生裂縫?；炷?和鋼材的極限拉應變相差很大，混凝土的極限拉應變僅為 ，而鋼材 達到屈服強度時的應變就要大得多了，約為 。在氣溫高的地區(qū)，由 于溫度的升高會造成暴露在空氣中的鋼材的溫度拉伸大于混凝土。雖然這種溫度產(chǎn) 生的拉應變遠達不到材料的極限拉應變，但周而復始，與鋼材連接的混凝土樓板就 會可能產(chǎn)生看不見的微小裂縫， 繼而發(fā)展成可見的裂縫。 這和混凝土框架是不同的， 混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋是被混凝土包裹在里面的，溫度對它的直接影響可以說是小得多 的. 壓型鋼板一混凝土樓蓋 壓型鋼板混凝土組合樓板是將壓型鋼板鋪設在鋼梁上，在壓型鋼板和鋼梁翼緣 板之間用圓柱頭焊釘進行穿透焊接， 壓型鋼板即可作為澆筑混凝土時的永久性模板， 18 西北工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 也可作為混凝土板下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作。 分類： (1)組合樓板。 壓型金屬板不僅僅充當混凝土樓板成形的永久模板， 而且在混凝 土硬化以后它還抵抗板的正彎距。也考慮混凝土樓板與鋼梁共同工作，同時鋼梁的 ， 鋼板被加工成可以與混凝土之間機械 咬合的形狀。為保證壓型鋼板和混凝土疊合面之間的剪力傳遞，須在壓型鋼板上增 加縱向波槽、壓痕或橫向抗剪鋼筋等.《美國鋼結(jié)構(gòu)設計手冊》[13]提出的做法是在混 凝土板表面下 25mm 處放焊接鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)雖然起不到多少結(jié)構(gòu)上的作用，但它 可以最大限度地減少由于混凝土收縮和熱脹冷縮效應引