清逸大厦C栋外文翻译资料

8. 1 Steel and Composite Structures

8. 1.1lntroduction

Steel and composite construction is often adopted in super high-rise buildings, long span bridges and roof structures owing to high structural efficiency with large strength-to-sell-weight ratios as well as large flexural rigidities against instability and serviceability problems.

Three types of composite materials are commonly in use: the metal-based composite (e. g. , externally bonding steel plates to the tension face of beams with an epoxy adhesive), the inorganic nonmetallic based composite and the polymer based composite. The former two types, developed primarily for the aerospace and defense industries, are being widely used for the rehabilitation and strengthening of existing structural members, while rarely used in general industrial areas due to their high cost. Contrastively, polymer based composite such as advanced Fiber Reinforced Polymer (FRP) and carbon fibers composites for repair and rehabilitation is gaining worldwide acceptance due to their resistance to corrosion, high strength-to-weight ratio, flexibility, etc.

The most important and most frequently encountered combination of construction materials is that of steel and concrete, with applications in multi-storey commercial and industrial buildings,. as well as in bridges. These materials can be used in mixed structural systems, e. g. , concrete cores encircled by steel tubes, as well as in composite structures where members consisting of steel and concrete act together compositely.

8. 1. 2 FRP-Steel Composite Structures

As an advanced polymer composite material, FRP has been used in structural engineering for more than a decade. With the desirable characteristics such as lightweight, high strength, high durability and good resistance to corrosion, FRP materials were widely applied in the upgrading or repairing infrastructures, especially in strengthening concrete structures. In recent years, this advanced composite material has been shown great potential in strengthening steel structures in civil engineering.

In a steel frame structure, the beams are usually retrofitted by welding or mechanically fastening steel plates to the tension flange of the girders. However, these methods have several disadvantages, e. g. , the difficulty of installing heavy steel plates , increased self-weight, weld-induced residual stress , the potential for weld fatigue cracking at the cover plate ends and corrosion tendency. The advanced characteristics of FRP such as high strength, high tensile modulus, lightweight, installation facility and resistance to corrosion play a very significant role in creating great interest for structure repair and strengthening applications. Strengthening in- service steel beams through the use of externally bonded FRP laminates is particularly attractive due to the ease of application.

For adhesively bonded FRP-steel structures，the bond strength between FRP laminate and the steel substrate is significantly affected by the surface preparation method for the steel surface. Thus, surface treatment is necessary to improve the behavior of FRP-steel structures. The aim of the treatment of steel surface is to remove any type of layer that causes a decrease in adhesion as well as to enlarge the area of contact surface by increasing surface roughness. Different types of treatment methods including wire-brushing, grinding and sandblasting can be used. Generally, the steel surface treatment has great influence on the maximum load capacities of FRP-steel structures

8. 1. 3 Steel-Concrete Composite Structures

For steel-concrete composite structures, the two essentially different materials are completely compatible and complementary to each other, They have almost the same thermal expansion, and they have an ideal combination of strengths with the concrete efficient in compression and the steel in tension. Concrete also gives corrosion protection and thermal insulation to the steel at elevated temperatures and additionally can restrain slender steel sections from local or lateral-tensional buckling.

Single composite elements, such as isolated beams, columns and slabs, whilst they are of high quality and resistance, they are also, in many cases, expensive. This is the case particularly for buildings with small column spacing, floor beam spans well below 9m and low loadings. On the other hand , composite floor construction (see Figure 8.1) is highly competitive if spans are increased to 12,15 or even 20m, There is, of course , a demand for larger column-free spans in buildings to facilitate open planning or greater flexibility in office layout.

1. Properties of Materials

Information on the properties of structural steel, profited sheeting, concrete and reinforcement is readily available. Only that which has particular relevance composite structures is given here.

In the determination of the bending moments and shear forces in a beam or framed structure, all the materials can be assumed to behave in a linear-elastic manner, though an effective modulus is used for the concrete to account for creep and cracking. The effects of its shrinkage are rarely significant in buildings.

Rigid-plastic global analysis can sometimes be used despite the profound difference between a typical stress-strain curve for concrete in compression and those for structural steel or reinforcement in tension or compression, as illustrated in Figure 8.2.

Concrete reaches its maximum compressive stress at a strain of between 0. 002 and 0. 0033, and at higher strain it crushes, losing almost all of its compressive strength. It is very brittle in tension, having a strain capacity of only about 0.0001 before it cracks. Figure 8.2 also shows that the maximum stress reached by concrete

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第八章组合结构

8.1钢结构与组合结构

8.1.1引言

超高层建筑、大跨度桥梁和屋顶结构通常采用钢结构和组合结构，因为其结构效率高，强重比大，抗弯刚度大，可解决不稳定和适用性问题。

通常使用这三种类型的复合材料：金属基复合材料（例如：在外部用环氧胶粘剂将钢板粘合到梁的张力面上），无机非金属基复合材料和聚合物基本复合材料。前两种主要用于航空航天和国防工业，但也正广泛应用于复原和加强现有的结构构件，而由于成本高，在一般工业领域很少使用。 相比之下，聚合物复合材料如先进的纤维增强聚合物（FRP）和用于修复的碳纤维复合材料由于其耐腐蚀性，高强度重量比，柔韧性等而得到全世界的认可。

建筑材料中最重要和最经常遇到的组合是钢和混凝土，多应用于多层商业和工业建筑以及桥梁。这些材料可用于混合结构体系，例如钢管包围的混凝土芯，以及由钢和混凝土构成的构件组合起来的复合结构。

8.1.2纤维增强聚合物-钢组合结构

作为先进的聚合物复合材料，FRP已经在结构工程中使用了十多年。 具有轻质，高强度，高耐久性和良好的耐腐蚀性等优良特性，FRP材料广泛应用于升级或维修基础设施，特别是在加固混凝土结构中。近年来，这种先进的复合材料已经在土木工程加固钢结构方面显示出了巨大的潜力。

在钢框架结构中，通常通过焊接或机械地将钢板紧固到梁的受拉翼缘来改进梁。 然而，这些方法具有若干缺点，例如难以安装重型钢板，增加自重，焊接引起残余应力，可能产生盖板端部焊接疲劳裂纹以及腐蚀倾向。高强度、高拉伸模量、轻量化、设施安装和耐腐蚀性等这些FRP的先进特性在结构修复和加固应用方面有着非常重要的作用。 由于易于使用，使用外部粘合的FRP层压板来加强正在使用的钢梁是特别诱人的。

对于粘结性FRP-钢结构，FRP层压板与钢板之间的粘结强度受钢表面的处理方法的影响较大。因此，为了改善FRP-钢结构的性能，表面处理是必要的。钢表面处理的目的是去除任何导致粘合力降低的层，以及通过增加表面粗糙度来增大接触面的面积。 可以使用不同类型的处理方法，包括丝网刷，研磨和喷砂。 一般来说，钢表面处理对FRP-钢结构的极限承载能力有很大的影响。

8.1.3 钢混组合结构

对于钢-混凝土组合结构，两种完全不同的材料却是完全协调、彼此互补的，它们具有几乎相同的热膨胀，混凝土的受压强度和钢的受拉强度能有效率的进行理想组合。 混凝土还在高温下对钢提供腐蚀保护和隔热，另外还可以限制细长的钢局部或侧向屈曲。

单个的组合元件，例如独立梁，柱和板，它们具有高质量和抗性，在许多情况下却也是昂贵的。特别是对于柱间距小、楼层梁跨度远低于9m并且荷载低的建筑物。 另一方面，如果跨度增加到12,15甚至20米，则组合楼板结构（见图8.1）是非常有竞争力的。当然，建筑物中可能需要不设置柱子的更大的跨距来满足开放规划或更灵活的办公布局。

1.材料性质

结构钢、型材板、混凝土和钢筋的性能信息很容易获取。 这里只列出了具有特殊相关性的组合结构。

在确定梁或框架结构的弯矩和剪切力时，可以假设所有的材料都是线弹性的，但考虑混凝土徐变和裂纹时需要确定一个有效模量。而混凝土收缩对建筑物影响很不显著。

有时可以采用刚塑性整体分析，尽管混凝土的典型压缩应力 - 应变曲线与结构钢或钢筋的典型拉伸或压缩应力 - 应变曲线之间存在深刻的差异，如图8.2所示。

混凝土在0. 002到0. 0033之间的应变下达到其最大压应力，在更高应变时就会发生破碎，失去所有的抗压强度。 在拉伸下混凝土非常脆弱，开裂之前达到的应变仅为约0.0001。 图8.2还显示了梁或柱中混凝土达到的最大应力远低于其立方体强度。

在与混凝土中的最大应力对应的应变下，钢筋屈服，但是在进一步的应变下，应力保持继续缓慢增加，直到总应变至少为屈服应变的三十倍。 随后发生的颈缩和断裂对组合构件的影响并不大，因为当所有的钢都屈服或在受压下屈曲时，或当混凝土破碎时，横截面形成了有效的抗力。

横截面的承载能力尽可能由塑性分析确定，因为由弹性分析获得是不可靠的，除非混凝土收缩和徐变都考虑在内，并且塑性分析更简单，设计更经济。

2. 梁的组合作用

组合梁是由钢筋混凝土的一个（或两个）翼缘与钢截面组合起来共同作用。 这两种材料通过机械剪切连接器相互连接。为 达到这种连接目前的做法是通过半自动焊接，把栓钉焊接到钢翼缘上去。

图8.3显示了几个组合梁的横截面，其中潮湿的混凝土已在木模板上原位浇注。 对于单跨梁，弯矩会导致钢筋的拉伸和混凝土板的压缩，从而最佳地利用每种材料。因此，即使采用小截面的组合梁仍具有高刚度，并能在大跨度下承受重荷。

如果在钢和混凝土板之间的接触面处有自由的滑动，每个部件将独立作用。 如果界面处的滑移被消除或至少减少，则板和钢构件将一起作为组合单元共同起作用。 所产生的承载力大小将取决于防止滑移的程度。

采用以下定义来说明承载力（强度）和刚度两种特性之间的区别：

（1）根据强承载力大小，有完全剪切连接和部分剪切连接两种区分。 如果组合梁的承载力由受弯承载力决定，而不是水平剪切承载力，则认为该种连接是完全剪切连接。

（2）混凝土板与钢材之间完全或不完全的相互作用形成了或多或少的刚性组合梁。 当使用了柔性连接件并且在钢-混凝土界面处发生滑移时，就会产生这种不完全相互作用。

采取组合作用具有一定的优势。 特别地，组合梁比对应的非组合梁具有更大的刚度和更高的承载力。因此，通常只需要较小的钢截面。

3.组合柱

主要使用三种不同类型的组合柱，参见图8.4：

（1）型钢混凝土柱（图8.4a）；

（2）部分外包混凝土轧制钢柱（图8.4b）；

（3）钢管混凝土柱（图8.4c和d）.

在计算这些柱的强度时，假设在钢筋混凝土交接处没有任何滑移的，是完全相互作用。 严格来说，应该注意不同材料的几何和物理非线性。 而对于整个不均质的横截面，假设的完全相互作用使得能够定义截面性质，刚度和长细比。

型钢混凝土柱具有在没有任何其他保护下能满足耐火要求的优点。 此外，它们可以通过在混凝土保护层中设置钢筋而得到加强。 然而，它们不存在可利用的钢表面，用于稍后的锚固件和进行有利的表面处理。

钢管混凝土也在使用中。 钢管通常填充高强度混凝土，其最小立方体强度为45至55MPa。

如果来自楼层梁的支座力由垂直连接板传递，则这些板要穿过钢管管并在两侧焊接。 这种焊接确保了钢管和混凝土芯的两个部分是直接承载而不会在钢 - 混凝土界面发生过大的滑移。为了达到要求的耐火等级，核心区混凝土必须纵向加强。 然而，在许多情况下，不可能完全发挥柱子的承载力。

4.梁柱连接

高度开发的连接技术可用于将结构钢构件连接在一起。 然而，经济上要求连接节点的生产是经济的和可直接在现场安装的。研究表明，如果在设计中可以知道简支节点的实际连续性程度，组合结构的成本效益可以改善。

然而，在组合钢-混凝土结构中，简单地将连续钢筋放置在柱体周围的板中可以提供显著的附加刚度和承载力，这是因为控制节点性能的一个主要因素是板的作用。

可以通过一系列特殊的施工和混凝土凝固来使这种效应加强，如下所示：在混凝土凝固期间，钢构件作为单跨梁;梁应通过双腹板角钢，或者使用翼缘夹板连接到钢柱，其中的翼缘夹板可以是带有腹板的角钢或不带腹板的角钢；

图8.5比较了铰接、刚性和半刚性组合节点。 如图8.5c所示，没有垫片的结构细部正是满足了柔性连接（半刚性）钢框架的对简单的结构构造的要求，可加快施工速度。建议满足以下性能标准：（1）在混凝土凝固之前，节点性能应该类似铰链；（2）节点应该是刚性的，并且达到预定的力矩值之前保持弹性；（3）节点必须能够以适当的转动来抵抗起控制的塑性力矩。

8.1.4钢-混凝土组合结构设计注意事项

大多数用于组合构件和框架的主要分析方法都是在钢筋或钢筋混凝土结构中常用的简单方法。钢筋设计师应该熟悉基本的弹性弯曲理论，以及假设构件的整个横截面屈服的简单塑性理论。这两种理论都可用于组合构件，其区别如下：（1）弹性理论中通常忽略混凝土受拉，而在塑性理论中则总是忽略。（2）在弹性理论中，受压区混凝土“转化”为钢的等效区域。（3）在塑性理论中，受压混凝土的“屈服应力”设计值为0.85fc。不利用其等效转化部分。在（3）中的系数0.85是考虑了标准圆柱体试验与结构构件中的实际受力之间的差异，这些包括在结构中加载的持续时间较长，所考虑的截面上存在应力梯度，以及混凝土边界条件的差异。

混凝土设计师应熟悉关于转化区域的设计方法，以及第4章概述的矩形应力区理论。组合梁与钢筋混凝土梁的弹性性能的基本区别在于，在一个截面上组合梁用钢比受拉钢筋更多。它本身具有显著的弯曲刚度，并且可以承担大部分竖向剪力。

组合截面的弹性特征公式比钢或钢筋混凝土截面复杂。 主要原因是弯曲的中性轴线可能位于腹板，钢翼缘或构件的混凝土翼缘上。

1.纵向剪力

从弹性梁竖向剪切应力的常规研究中可以看出，计算纵向剪切应力的公式很类似。 区别在于纵向剪切力的分布在腹板中是抛物线的，而在翼缘中是线性的。

2. 纵向滑移

剪切连接件不是刚性的，因此组合梁的钢和混凝土之间会发生小的纵向滑动。 其他类型的结构不会出现这种问题，相关分析相当复杂。但在设计中不需要考虑它们，因为已经开发了简化的方法。

3.挠度

收缩徐变的影响使计算钢筋混凝土梁的挠度比钢梁更复杂。 在一些相应的规范里给出的限制跨高比提供了检查挠度过大的简单方法。 但这些比例对于组合梁来说是不可靠的，特别是在使用无支撑施工的情况下。

4.竖向剪力

组合梁混凝土板的垂直剪切刚度通常远小于其刚截面的刚度，在设计中忽略不计。 对于竖向剪力，用于钢梁的理论也适用于组合梁。

5.梁翼缘和腹板的屈曲

这对钢筋混凝土的许多设计者来说将是一个新问题。通常是对未加强的受压钢腹板和翼缘的进行宽厚比的限制。而 这些不适用于中跨的T型组合梁的上部翼缘中钢的那部分，因为局部屈曲被它与混凝土板的连接阻止了。

6.裂缝宽度控制

混凝土规范中给出的钢筋的最大间距目的在于限制混凝土的裂缝宽度，这是出于外观的原因以及避免钢筋腐蚀。 在组合结构建筑中，只有在连续梁的顶面支撑脆性破坏或暴露于腐蚀的情况下，开裂才可能是一个问题。裂缝宽度控制的原理与钢筋混凝土相同。计算结果不同，但通常可以通过简化方法来避免。

7.结构防火设计

结构钢构件和型钢板的高导热性和细长度使得它们比混凝土构件更快地在火中失去强度。建筑物的结构需要具有最小耐火极限（通常为30分钟至2小时），以使住客逃离并保护消防员。 这就要求钢筋具有最小混凝土保护厚度、钢筋加固和钢结构隔热。

8.2 钢管混凝土结构

8.2.1引言

钢管混凝土是通过将混凝土填充到钢管中形成的。 基于横截面类型，可以分为圆形，正方形和多边形混凝土填充钢管。 主要使用的横截面如图8所示。

钢管混凝土柱与普通钢筋或钢筋混凝土相比有许多优点，如下所列。

1.钢管与混凝土之间的相互作用

（1）钢管局部屈曲的发生延迟，以及局部屈曲后的强度退化减缓，均是由于混凝土的抑制作用。

（2）混凝土的强度由于钢管的约束效应而增加，而且其强度退化不是很严重，因为管子防止了混凝土的剥落。

（3）混凝土的干燥收缩和蠕变比普通钢筋混凝土要小得多。

2.截面属性

（1）CFST截面用钢量大于钢筋混凝土和混凝土外壳截面。

（2）由于CFST截面的钢板位于截面外侧，所以CFST截面的钢板处于良好的弯曲状态。

3.施工效率

（1）省略了形式和钢筋，混凝土浇注采用混凝土导管或泵送法，从而节省劳动力和施工成本。

（2）施工场地保持清洁。

4.防火性能

混凝土提高了耐火性能，并且可以减少耐火材料的用量，甚至可以忽略使用。

CFST的缺点是梁柱连接周围的混凝土的密实性，特别是在有内隔板和贯通型隔板的情况下，隔板下面的混凝土渗出可能造成混凝土和钢之间的间隙。到目前为止还没有办法解决这个问题，因此通常的施工实践是通过使用超强增塑剂来浇筑含水量低，和易性能好的高品质混凝土。因此，由于其高强度、高延性和较大的耗能性，钢管混凝土构件被广泛用于高层建筑，桥梁，塔架，地下平台等各种结构。

8.2.2 CFST的基本性能

1.对混凝土的约束效应

由于钢管提供的被动约束，CFST的核心混凝土处于多轴应力状态

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