Chapter 8 Composite Structure

8.1 Steel and Composite Structures

8. 1. 1 Introduction

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-self-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-torsional 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 0r 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.

Figure 8. 1 Typical composite floor system

1. Properties of Materials

Information on the properties of structural steel, profiled sheeting, concrete and reinforcement is readily available. Only that which has particular relevance to 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

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1. 混合结构

8.1 钢结构和组合结构

8. 1. 1 介绍

钢结构和组合结构往往在存在结构效率高和强度自重比大以及较大的抗弯刚度不稳定性和适用性问题的超高层建筑、大跨度桥梁和屋盖结构中采用。

常用的复合材料有三种类型：金属基复合材料（如外表使用环氧树脂胶粘剂粘结的钢板拉伸面、）、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。前两种类型，主要用于航空航天和国防工业，被广泛用于修复和加强现有结构构件，但因为它们的成本很高，在一般工业领域却很少使用。相比较，由于耐腐蚀性能，比强度高，弹性，等等，像先进的纤维增强聚合物（FRP）的复合材料和碳纤维复合材料修复正在被全世界的认可。

建筑材料中最重要、最常见的组合是钢和混凝土在多层商业和工业建筑以及在桥梁中的应用。这些材料可以用于混合结构体系，如采用钢管混凝土核心筒，以及由钢与混凝土组成的构件共同复合作用的复合材料结构。

8. 1. 2 玻璃钢-复合钢结构

玻璃钢作为一种先进的高分子复合材料，在结构工程中已有十多年的应用。拥有轻质、高强度、高耐久性、耐腐蚀性等优良特性，玻璃钢材料被广泛应用于基础设施，特别是在加固混凝土结构中。近年来，这种先进的复合材料在土木工程中展现出很大的潜力。

在钢框架结构，梁通常采用焊接或机械连接加固钢板梁的受拉翼缘。然而，这些方法有几个缺点，例如，安装重型钢板的难度，增加自重，焊接引起的残余应力，在覆盖钢板端部的焊接疲劳裂缝以及腐蚀倾向。玻璃钢的高强度、高拉伸模量、轻量化、设备安装和抗腐蚀性能等方面的先进性，对结构修补和加固工程的应用起着非常重要的作用。由于应用程序的易用性，通过使用外部粘结的玻璃钢层压板加固在用钢束是特别有吸引力的。

对于胶接玻璃钢结构，玻璃钢层和钢基体之间的钢表面制备方法对粘结强度影响显著。因此，要改善钢结构的使用性能，表面处理是必要的。钢表面处理的目的是消除导致附着力降低的任何类型表膜，以及增大表面粗糙度以扩大接触面面积。可使用的不同类型处理方法包括钢丝冲刷、打磨和喷砂。钢表面处理对玻璃钢结构的最大承载能力有很大的影响。

8. 1. 3 钢-混凝土组合结构

对于钢-混凝土组合结构，这两种本质上不同的材料是完全兼容的，彼此互补的。它们具有几乎相同的热膨胀度，它们有一个理想的混凝土抗压强度和钢抗拉强度组合。混凝土在高温下会对钢进行腐蚀保护和保温，另外还可以抑制细长钢型材的局部或侧扭屈曲。

单一的复合元素，如隔离的梁，柱和板，他们具有高质量和耐腐蚀性能的同时，在许多情况下，他们也很贵。对于小柱间距，楼面梁跨度低于9m和低负荷的建筑更是如此。另一方面，复合楼板结构（见图8.1），如果跨度增加到12米、15米甚至是20米，这种情况加剧。当然，建筑上有更大的独立柱需求，这有助于办公布局上开放的规划或更大的灵活性。

图8.1 典型复合地板系统

1.材料的性能

关于结构钢，压型钢板，混凝土和钢筋的性能信息是现成的。在这里只给出特别的相关复合结构。

在梁或框架结构中的弯矩和剪力的测定中，所有的材料可以被假定表现为一个线性弹性的方式，但一个有效的模量是用来解释混凝土徐变和开裂。其收缩的影响在建筑中基本上没有多少意义。

如图8.2所示，尽管在混凝土受压或结构钢或受拉受压加强钢筋的典型应力-应变曲线之间有着深刻的区别，但刚塑性整体分析有时仍能使用。

混凝土达到其在0.002和0.0033之间的应变所对应的最大压应力，而且在较高的应变能下开裂，失去了几乎所有的抗压强度。其受拉时很脆弱，在它开裂前应变量只有大约0.0001。图8.2还表明，在一个梁或柱中混凝土达到的最大应力远低于它的立方体抗压强度。

图8.2 混凝土和钢的应力-应变曲线

钢在屈服强度与混凝土的最大应力相似，但在进一步的应变下，应力继续缓慢增加，直到（典型的结构钢）总应变是屈服应变的至少三十倍。当所有的钢屈服，钢被压，或混凝土被压碎时，若横截面达到其有效阻力，随后的复合材料构件收缩和断裂意义不大。

在可能的情况下，横截面的阻力应用塑性分析，因为从弹性方向分析是不可靠的，除非考虑到混凝土的收缩和徐变，因为塑性分析更简单，并导致设计更经济。

2. 梁的组合作用

组合梁包括型钢与一个（或两个）钢筋混凝土翼缘复合作用。这两种材料由机械剪切连接件连接。采用栓钉，半自动焊接到钢翼缘，是目前的实际应用。

图8.3显示了几种用木模板现浇混凝土的组合梁横截面。对于单跨梁，弯矩引起钢构件上的拉应力和混凝土表面的压应力，从而每种材料被适度使用。因此，即使有小钢截面的组合梁，也具有较高的刚度，可以支承大跨度的重载。

图8.3 典型的梁横截面

如果在钢构件与混凝土板之间的交界面处发生滑移，则每一部分都将独立作用。如果在交界面处滑动被消除，或至少减少，该板和钢构件将作为一个组合单元来共同作用。阻力的增加将在一定程度上防止打滑。

以下的定义是用来明确阻力（强度）和刚度性能之间的差异：

（1）关于阻力，区别在于完全和部分剪力连接之间。如果复合梁的抗弯性能是由受弯承载力决定而不受横向剪切阻力的决定，则认为该连接是完整的。

（2）混凝土板与钢构件之间的完全或不完全的相互作用产生一个或多或少的刚性组合梁。当例如栓钉的柔性连接器被使用并且在钢-混凝土交界面发生滑移时，这样不完整的相互作用就产生了。

（3）复合作用的运用具有一定的优势。特别是，复合梁有着比非复合梁更大的刚度，以及通常更高的负载能力。因此，通常就需要一个更小的钢截面。

3. 复合柱

主要有三种不同类型的组合柱在使用中，见图8.4：

（1）混凝土外包钢柱（图8.4a）；

（2）部分包裹在混凝土中的轧制型钢柱（图8.4b）；

（3）钢管混凝土（图8.4c和d）。

图8.4 组合柱的典型横截面

在计算这样的柱的强度时，假定在钢-混凝土交界面存在没有任何滑移的完整复合相互作用。严格地说，不同材料的所有几何和物理非线性应被观察。对整个非均匀横截面，假定的完整相互作用使构件特性、刚度和长细比的定义变为清楚。

型钢混凝土柱具有良好抗火性能。此外，通过配筋，钢筋混凝土表面可以很容易地被加强。但是，他们没有为后来的紧固件和有效的表面处理提供了一个可使用的钢结构表面。对于预制柱而言，结构型钢，包括所有焊缝，连接板和其他必要的附件，都是在车间制造的。这些钢柱（最长的已多达30米长）可以被运送到另一个车间，在那里让混凝土凝固。然后外部混凝土凝固完成的柱就可以运到施工现场。

钢管混凝土也在被使用中。钢管中通常充满了最少45～55MPa立方体抗压强度等级的高强度混凝土。

如果地面横梁的承重力由垂直连接板传递，则这些板通过钢管支承，而且是双面焊接。这种焊接保证了钢结构的部件和钢管混凝土的核心是直接受荷，在钢-混凝土界面上没有过多的滑移。为了满足所需的耐火等级，混凝土的核心必须是纵向加强。然而，在许多情况下，充分利用柱阻力，这是不可能的。

4. 梁柱连接

高度发达的连接技术，可用于将钢结构构件连接在一起。然而，经济上要求接头制造的经济性和现场安装的简单性。研究表明，如果在设计上，名义简单的接头所提供的实际连续性被认可了，复合结构的成本效益可能会有所改善。

然而，钢-混凝土组合结构中，通过在柱周围的板上简单地布置连续的加强筋，可以提供显著的附加刚度和阻力，因为控制接头运动的单一主要因素是板的运动。

这种效应可以被以下施工和混凝土浇筑的特殊顺序所增强：在混凝土浇筑过程中钢筋截面为单跨梁；梁应用双腹板角钢或有无腹角的翼缘夹板连接到钢柱；在混凝土硬化后，它被认为是一个用来支撑附加载荷的连续梁。按此施工顺序，所需的弯矩再分配不广泛，塑性转动可以显著减少。此外，设计师可以决定在钢受压翼缘与取决于接头塑性弯矩的柱之间是否使用垫片。

图8.5将简单、刚性和半刚性组合节点进行了比较。如图8.5c所示，没有垫片的建筑细部，将（半刚性）钢框架与简单的结构细部日益灵活地连接在一起，加快钢框架建造。提出的以下性能指标应满足：（1）在混凝土凝固前接头应表现为铰接，（2）接头应为刚性并且弹性地运转达到预定的力矩值，以及（3）接头必须能够有足够的塑性转动抵抗控制塑性弯矩。

图8.5 复合关节

8. 1. 4 钢结构混凝土结构设计考虑

大多数用于复合构件和框架的主要分析方法是直接应用于钢或钢筋混凝土结构的常用方法。钢结构设计师应熟悉基本的弯曲弹性理论，和假设构件的整个横截面屈服的简单塑性理论。这两种理论均应用于复合构件，其差异在于：（1）混凝土受拉在弹性理论中通常被忽视，在塑性理论中总是被忽视，（2）在弹性理论中，受压混凝土被“转化”为钢的等效面积，以及（3）在塑性理论中，受压混凝土的设计“屈服强度”被定义为0.85fc。转换部分不使用。（3）中的系数0.85考虑到了在结构构件中标准圆柱试验和混凝土的反应之间的一些差异。这些差异包括在结构中更长的加载时间，所考虑的横截面应力梯度的存在，和混凝土的边界条件的不同。

混凝土设计人员要熟悉截面转化的方法，以及在第4章概述的矩形应力图理论。钢筋混凝土梁的弹性行为的基本区别是：复合梁的钢截面不仅仅是拉力的增强。它有一个自身的显著抗弯刚度，来抵抗大部分的垂直剪切力。

复合材料截面的弹性性质的计算公式比钢或钢筋混凝土截面的更为复杂。主要的原因是，弯曲中性轴可能位于构件的腹板，钢翼缘，或混凝土翼板。

1. 纵向剪力

纵向剪应力的计算公式与常规的弹性梁竖向剪应力研究中相似。腹板的纵向剪应力变化呈抛物线形，在翼缘中呈直线形。

2. 纵向滑移

剪切连接件不是刚性的，所以在复合梁的钢和混凝土构件之间会发生小的纵向滑移。在其他类型的结构中不会出现这种问题，并且相关的分析是相当复杂的。在设计中并不需要这些，简化的方法已经开发出来。

3. 挠度

钢筋混凝土梁的徐变和收缩对其挠度计算结果的影响比钢梁要更复杂。在一些相应的编码中给出的极限跨度/深度比提供了一个简单的检查过多偏差的方法。这些比值对于组合梁是不可靠的，尤其是在无支撑建筑中。

4. 垂直剪力

组合梁混凝土板的竖向剪切刚度比钢结构构件的刚度要小得多，并且在设计中也被忽略了。对于垂直剪力，用于钢梁的方法也适用于组合梁。

1. 翼缘和腹板的屈曲

这对于许多钢筋混凝土设计师是一个新的问题。这导致受压的非加劲腹板和翼缘的宽度/厚度比受限制。这些不适用于在中跨的复合T型梁顶部凸缘的钢结构部分，因为其混凝土板的附属物抑制了局部屈曲。

6. 裂缝宽度控制

规范给定的钢筋混凝土配筋的最大间距是为了限制混凝土中裂缝宽度，因为外观和避免钢筋锈蚀。在复合结构建筑中，裂缝很可能是一个问题，使连续梁的顶部表面加速脆性破坏完成或暴露而腐蚀。裂缝宽度控制的原理与钢筋混凝土相同。计算方法是不同的，但通常可以通过使用简化的方法来避免。

7. 结构防火设计

钢结构构件和压型钢板的高导热性、长细比使它们比混凝土构件在火中更快地失去强度。建筑结构都要求有最小耐火极限（通常30分钟到2小时）来帮助住户逃生和保护消防战士。这使得了有对混凝土最小厚度和局部加强以及钢结构隔热的规定。

单词和词组

carbon fiber 碳纤维

column spacing 柱距

composite structure 组合结构

concrete encased column 型钢混凝土柱

concrete filled steel tube 钢管混凝土

fire resistance of minimum duration 最

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