河北工程大学土木工程学院毕业设计说明书 2013年
凝土构件正截面承载力计算方法来确定钢骨混凝土的承载力
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。1978年苏联出版了钢骨混凝
土结构设计指南，由苏联混凝土结构研究所编制。以实腹式钢骨混凝土结构为主要内容，强调了纵向钢筋和箍筋的作用，认为钢骨和混凝土之间具有可靠的粘结力，即将钢骨与混凝土视为 一个整体，其设计方法几乎完全套用钢筋混凝土结构的设计方法
【12]
此外，文献[44]对钢骨混凝土结构的抗震性能进行了研究，文献[45]对钢骨混凝土结构的可靠性进行了分析，并研究了结构优化问题。文献[50] , [51]对钢骨混凝土柱在双向弯曲荷载作用下的特性进行了研究。文献[52]研究了钢骨混凝土柱的承载力和延性问题。文献[53]一[57]探讨了钢骨混凝土柱的设计问题。文献[60]介绍了口本和美国对钢骨混凝土结构抗震的合作研究情况。文献[61]一[64]研究了钢骨混凝土框架。文献[65]对钢骨混凝土梁的有效宽度进行了试验研究。
在我国，钢骨混凝土结构的研究和大量应用开始于80年代
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1995年，西安建筑科技大学的宋占海基于17种不同型钢、不同剪跨比、不同轴压比的钢骨混凝土柱的低周反复荷载试验研究，分析了钢骨混凝土柱的破坏特征、延性和抗剪强度
;
中国建筑标准设计研究所的蔡益燕和清华大学的王国周在文献[21」中介绍了美国LRFD钢结构设计规范关于钢骨混凝土柱的设计规定，并用试验数据检验了LRFD规范的设计方法配用我国钢结构规范中的计算公式是否适用，算例同时用一般叠加法进行检验[21];清华大学叶列平通过16根钢骨混凝土中长柱试验，对钢骨混凝土中长柱的受力性能和纵向弯曲变形进行了研究，并介绍了受力全过程理论分析方法，提出了偏心距增大系数计算公式[22]
1996年，西南交通大学赵世春进行了23根钢骨混凝土柱和3根钢筋混凝土柱在单调及往复循环荷载作用下的试验研究，在此基础上对钢骨混凝土柱的破坏形态、变形能力、耗能性能、强度衰减、恢复力模型、累积损伤模型等进行了分析，并建立了相应的计算公式献[24]中，赵世春建立了基于一般叠加法的钢骨混凝土构件极限承载力计算公式。
1997年，在前期研究的基础上，参照口本钢骨混凝土结构规范，冶金工业部颁布了《钢骨混凝土结构设计规程》
[16]
[23]
;在文
(YB9082-97)(以下简称规程[16])。这是我国第一部钢骨混凝土结
构设计规程。内容上以实腹式钢骨混凝土为主，承载力计算用一般叠加法。对钢骨混凝土柱，要经过反复试算，实际应用复杂[13];对截面形式和钢骨配置对称的矩形钢骨混凝土柱，规程[16]给出了简化的叠加算法，一般认为，这种简化算法计算结果偏于保守 2001年，国家建设部颁布了《型钢混凝土组合结构技术规程》
[25]
[26]
(JGJ138-2001)(以下简
称规程[25]，也主要针对实腹式钢骨混凝土结构。该规程采用的是基于钢筋混凝土结构的设计方法，与苏联规范大同小异，不同之处是对钢骨承载力的考虑。在苏联规范中钢骨的受压区高度取混凝土受压区计算高度x,而规程[25]中则取混凝土受压区计算高度的1.25倍即1.25x。另外在规程[25]中，钢骨的拉压强度设计值也不再乘以0.9的折减系数柱的轴压力限值
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[26]
另外，清华大学的叶列平和东南大学的程文壤等分别在试验的基础上，探讨了钢骨混凝土
。文献[40]对钢骨混凝土柱轴压比限值进行了理论研究。文献[33]研究了
[12]
钢骨高强混凝土柱合理用钢量的问题。文献[1] ,[46]对钢骨高强混凝土短柱进行了研究。
总结起来，对钢骨混凝土结构的设计计算，目前世界上主要有三种 1、建立在叠加理论基础上的方法。
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如日本的AIJ-SRC规范和我国的规程[16]。在忽略混凝土抗拉强度，遵从平截面假定及不考虑钢骨与混凝土之间的粘结力等条件下，以“强度叠加法”作为理论基础，不考虑钢骨与混凝土之间的相互约束作用，认为钢骨混凝土结构的承载能力仅是钢骨与钢筋混凝土两者承载能力的叠加，理论上较为完善
[13]
，但计算上比较复杂。
2、欧美基于钢结构计算方法的计算理论。
其代表包括1993年钢结构设计规范AISC-LRFD以及1985年制定的欧洲组合结构设计规范EUROCODE4。两者都考虑了混凝土的作用，在试验基础将试验曲线进行修正，突出反映在组合柱的计算上。在1993年钢结构设计规范AISC-LRFD中，采用极限强度设计法来设计钢骨混凝土结构，将钢筋混凝土部分转换成等值钢骨，再以纯钢结构的设计方法进行组合结构设计。此方法不为我国工程技术人员熟悉。
3、基于钢筋混凝土结构计算方法的钢骨混凝土结构计算理论。
如苏联的钢骨混凝土规范和我国的规程[25]。强调了箍筋和纵筋的作用，认为钢骨与混凝土是完全共同工作的，假定钢骨与混凝土完全共同作用且钢骨完全达到屈服状态，其设计法几乎是完全套用钢筋混凝土结构的设计方法。
我国对钢骨混凝土结构的研究可分为三个阶段:①规程[16]颁布以前。这一阶段主要是介绍国外钢骨混凝土结构的研究情况，并在借鉴国外经验的基础上，通过试验研究和理论分析，寻找一种适合国情的钢骨混凝土结构设计方法。②规程[16]颁布之后，规程[25]颁布之前这一阶段主要研究一般叠加法的简化计算问题，也即钢骨混凝土柱的轴力如何在钢骨部分和钢筋混凝土部分之间分配;同时也进行了轴压力限值、钢骨含量等问题的研究。③规程[5]颁布以后。
0.3本文的主要工作
为了满足建筑等专业功能要求，外框柱为形如乒乓球拍的异形截面柱，对于这种钢骨混凝土异形截面柱，已有相关试验研究。本文主要对这种钢骨混凝土异形截面柱进行了计算分析，为了对比，也对工程中使用的一种钢骨混凝土圆形截面柱进行了计算分析。给出了钢骨混凝土异形截面柱承载力计算方法和设计建议。
结合国内外结构性能水平的划分标准，将SRC异形柱框架的抗震性能水平划分为五档，并在此基础上建立了SRC异形柱框架的性能目标。根据SRC异形柱及SRC异形柱框架的抗震性能试验结果，并参照国内外关于普通钢筋混凝土框架、钢筋混凝土异形柱框架及SRC矩形柱框架在不同阶段的层间位移角限值，建议了SRC异形柱框架对应不同性能水平的层间位移角限值。
将基于位移的抗震设计理论应用于SRC异形柱框架，并结合其特点给出了具体设计步骤；对课题组前期提出的承载力公式进行总结分析，给出了SRC异形柱框架的构件截面设计方法。
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第1章 钢骨混凝土异形截面柱分析理论及计算参数优化
1.1基本理论
通过借鉴相关试验研究和相关文献表明，在满足钢骨构造要求并配置一定构造要求的柔性钢筋的情况下，钢骨、钢筋与外包混凝土可以共同工作，直至达到极限承载力。因为受到外包混凝土的约束作用，钢骨不会产生局部屈曲。偏心受压柱在各级荷载下的实测截面应变分布基本符合平截面假定。因此，可以采用基于平截面假定的条带有限元方法对钢骨混凝土异形截面柱和圆形截面柱进行受力一变形全过程分析。计算时采用以下假定: 1、截面应变分布符合平截面假定;
2、混凝土受压应力一应变关系采用公式(1.2-1); 3、不考虑混凝土的抗拉强度;
4、钢骨和钢筋采用理想弹塑性应力一应变关系; 5、钢骨不发生局部屈曲直至达到极限荷载;
6、不考虑钢筋与混凝土、钢骨与混凝土之间的滑移。 7、不计剪切变形的影响。
上述假定与规程[25]中对钢骨混凝土柱正截面偏心受压承载力的计算假定是基本一致的。 计算时，根据设定，程序自动将柱截面混凝土和与X轴平行的钢骨腹板分别划分成若干条带，如图1.1-1所示。图中，坐标以柱圆形部分的圆心为坐标原点，xi为条带的横坐标，xz为中和轴横坐标，N为轴向荷载，xN为轴向荷载加载点横坐标ε为条带的应变，?i为条带的应力，Ф为截面曲率。钢筋单元及与X轴垂直的钢骨单元的面积A，和形心坐标x，通过数据文件输入。计算中，以压应力为正。
程序计算过程如下:首先读入一个截面曲率?j，然后假定一个柱截面中和轴位置xzj，根据该中和轴位置按公式(1.1-1)计算出混凝土、钢骨条带和钢筋、钢骨单元的相应应变εi，然后根据各材料的应力一应变关系，计算出相应单元的应力?i，和抵抗力Ni，检验是否能满足平衡条件(1.1-2);如果不满足，就修正柱截面中和轴位置xzj，再次计算，直至满足设定的精度;满足时输出中和轴位置xzi和截面曲率?j，并按公式(1.1-3)计算与其相应的弯矩城。再读入截面的下一个曲率?j?1，继续按照上述步骤计算，直至计算到曲率?一弯矩M曲线显著下降为止。也可以直接对轴力加载点取矩，用公式(1.1-4)计算弯矩
[59]
[2]
。
?i?(xi?xz)? （1.1-1）
（1.1-2）
? M???(xA?)??0N(x?xN?A?iizii （1.1-3） M??A（x?x）?N(x?x)NziizN?xz) （1.1-4）
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图1.1-1 条带划分图
1.2材料特性
混凝土
混凝土设计等级为C40，其轴心抗压强度实测值关fc=43.2N/mm 。混凝土的应力一应变
2
关系，采用公式(1.2-1）
[36]
:
23???????afc?(3?2a)??fc?(a?2)??fc 0????p ?p????p????p???? （1.2-1）
? .fc ?p??
???b??1??p??????p?式（1.2-1）中，a=1.7，b=2.0 。 纵筋和钢骨
纵筋弹性模量Es?2.0?10N/mm，钢骨弹性模量Ea?2.06?10N/mm。钢筋、钢
骨的强度取实测值。钢筋、钢骨的应力一应变关系采用理想弹塑性模型。
52521.3计算值
构件正截面极限弯矩承载力值和条带法计算值比较表见表1.3-1，其中Z4的极限弯矩实测值取正、负方向实测值的平均值。试验中，试件受轴压力和水平反复荷载作用，可直接得到正、负方向的极限水平荷载;试件柱底截面的正截面极限弯矩承载力可由试件水平极限荷载与水平荷载加载点到柱底部的垂直距离相乘得到。由表1.3-1可见，实测值和计算值吻合较好，
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因此条带法可作为异形截面钢骨混凝土柱正截面承载力的计算方法。图1.3-1是条带法计算得出的各试件??M曲线。
表1.3-1 钢骨混凝土柱正截面极限弯矩承载力值与条带法计算值比较表
试件编号 Z1 Z2 Z3 Z4
试验 Mu 467.88 589.39 764.66 153.68 正向 计算 Mu 466.51 584.52 728.30 139.15 试验 Mu 358.72 526.84 686.22 -- 负向 计算 Mu 402.40 508.61 697.51 -- 相对误差 -0.29% -0.83% -4.76% -9.46% 相对误差 4.32% -3.46% 1.65% -- 1.4曲率延性系数
一般来说，描述结构或构件延性通常用延性系数，延性系数有三种，即位移延性系数、角延性系数和曲率延性系数。其中曲率延性系数一般只与材料和截面的特性有关，因此通常采用
[37]
曲率延性系数来间接反映构件的塑性变形程度o
在平截面假设的基础上，截面曲率延性系数可由公式(1.4-1)计算得出: ????u/?y 式(1.4-1)中:}?y是截面屈服曲率，?u是截面极限曲率。
屈服曲率如何定义，迄今没有统一的定论。目前主要有以下几种定义方式:①屈服曲率定义为截面最外层受拉钢筋初始屈服时的曲率;②屈服曲率定义为截面混凝土受压区最外层纤初次达到峰值时的曲率。
钢筋混凝土延性构件塑性铰区截面的极限曲率，通常定义为一旦满足下列四个条件中的任何一个，即达到极限曲率状态:①核心混凝土达到极限压应变值;②临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的85%(美国和新西兰等国家定义为抗弯能力下降到弯矩值的80%）;③受拉的纵向
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钢筋应变达到极限应变值;④受压的纵向钢筋应变达到屈服应变值。
在钢骨混凝土结构中，由钢骨和钢筋共同承担拉力，因此把受拉钢筋开始屈时的截面曲率?sy或受拉钢骨开始屈服时的截面曲率?ay作为构件的屈服曲率都有些不合适构件的屈服曲率应介于二者之间。参考有关文献，本文把?-M曲线上0. 85M,、时对应的两个点的曲率分别作为构件截面屈服曲率?y和截面极限曲率?u。由此得到条带法计算的试件的曲率延性系数见表1.4-1。表中??+表示正向曲率延性系数，??-表示负向曲率延性系数。曲率延性系数在一定程度上反映了钢骨混凝土柱的延性。
表1.4-1 试件曲率延性系数 正向 -6 。?y（10-6 。?u（10-6 。试件编号 ?y（10??+ -1-1-1mm） mm） mm） Z1 9.40 38.40 4.09 10.20 Z2 8.70 33.00 3.79 8.70 Z3 7.80 55.20 7.08 8.50 Z4 17.00 73.20 4.31 -- 负向 ?u（10-6 。mm） 185.00 115.00 88.00 -- -1??- 18.14 13.22 10.35