C H A P T E R 9
Composite Construction
INTRODUCTION
Composite construction employs structural members that are composed of two materi- als: structural steel and reinforced concrete. Strictly speaking, any structural member formed with two or more materials is composite. In buildings and bridges, however, that usually means structural steel and reinforced concrete, and that usually means com- posite beams or columns. Composite columns are being used again in some structures after a period of disuse; we cover them later in this chapter. Our coverage of beams is restricted to those that are part of a floor or roof system. Composite construction is covered in AISC Specification Chapter I, “Design of Composite Members.”
Composite beams can take several forms. The earliest versions consisted of beams encased in concrete (Figure 9.1a). This was a practical alternative when the primary means of fireproofing structural steel was to encase it in concrete; the rationale was that if the concrete was there, we might as well account for its contribution to the strength of the beam. Currently, lighter and more economical methods of fireproof- ing are available, and encased composite beams are rarely used. Instead, composite behavior is achieved by connecting the steel beam to the reinforced concrete slab it supports, causing the two parts to act as a unit. In a floor or roof system, a portion of the slab acts with each steel beam to form a composite beam consisting of the rolled steel shape augmented by a concrete flange at the top (Figure 9.1b).
This unified behavior is possible only if horizontal slippage between the two components is prevented. That can be accomplished if the horizontal shear at the interface is resisted by connecting devices known as anchors (sometimes called shear connectors). These devices— which can be steel headed studs or short lengths of small steel channel shapes— are welded to the top flange of the steel beam at pre- scribed intervals and provide the connection mechanically through anchorage in the hardened concrete (Figure 9.1c). Studs are the most commonly used type of anchors, and more than one can be used at each location if the flange is wide enough to accommodate them (which depends on the allowable spacing, which we consider in Section 9.4). One reason for the popularity of steel headed stud anchors is their ease
593
FIGURE 9.1
of installation. It is essentially a one-worker job made possible by an automatic tool that allows the operator to position the stud and weld it to the beam in one operation. A certain number of anchors will be required to make a beam fully composite.
Any fewer than this number will permit some slippage to occur between the steel and concrete; such a beam is said to be partially composite. Partially composite beams (which actually are more efficient than fully composite beams) are covered in Section 9.7.
Most composite construction in buildings utilizes formed steel deck, which serves as formwork for the concrete slab and is left in place after the concrete cures. This metal deck also contributes to the strength of the slab, the design of which we do not consider here. The deck can be used with its ribs oriented either perpendicular or parallel to the beams. In the usual floor system, the ribs will be perpendicular to the floor beams and parallel to the supporting girders. The studs are welded to the beams from above, through the deck. Since the studs can be placed only in the ribs, their spacing along the length of the beam is limited to mul- tiples of the rib spacing. Figure 9.2 shows a slab with formed steel deck and the ribs perpendicular to the beam axis.
Almost all highway bridges that use steel beams are of composite construction, and composite beams are frequently the most economical alternative in buildings. Although smaller, lighter rolled steel beams can be used with composite construction, this advantage will sometimes be offset by the additional cost of the studs. Even so, other advantages may make composite construction attractive. Shallower beams can be used, and deflections will be smaller than with conventional noncomposite construction.
Elastic Stresses in Composite Beams
Although the available strength of composite beams is usually based on conditions at failure, an understanding of the behavior at service loads is important for several rea- sons. Deflections are always investigated at service loads, and in some cases, the available strength is based on the limit state of first yield.
Flexural and shearing stresses in beams of homogeneous materials can be com- puted from the formulas
f Mc I
b
and
f VQ It
A composite beam is not homogeneous, however, and these formulas are not valid. To be able to use them, an artifice known as the transformed section is employed to “convert” the concrete into an amount of steel that has the same effect as the con- crete. This procedure requires the strains in the fictitious steel to be the same as those in the concrete it replaces. Figure 9.3 shows a segment of a composite beam with stress and strain diagrams superimposed. If the slab is properly attached to the rolled steel shape, the strains will be as shown, with cross sections that are plane before bending remaining plane after bending. However, a continuous linear stress distribution as shown in Part c of the figure is valid only if the beam is assumed to be homogeneous. We first require that the strain in the concrete at any point be equal to the strain in any replacement steel at that point:
v
f f
c s
or c s
and
f
Es
f<!-- 全文共100480字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
第九章 复合建筑
（包含钢制带头螺栓锚的梁被称为组合梁。 在这种类型的结构中，支撑混凝土板与钢结构一起作为一个单元。螺柱使得钢和混凝土板之间可以牢固结合。）
9.1 介绍
复合材料结构采用由两种材料构成的结构构件：结构钢和钢筋混凝土。 严格来说，任何由两种或多种材料构成的结构构件都是复合材料。但是，在建筑物和桥梁中，这既包括结构钢和钢筋混凝土，也包括组合梁或柱。经过一段时间的放置后，复合材料在某些结构中还可以被再次使用。我们将在本章后面介绍它们。我们对梁的研究范围仅限于地板或屋顶系统的一部分。AISC规范第一章“复合材料构件的设计”介绍了复合材料结构。
复合梁可以采用多种形式。最早由包裹在混凝土中的梁组成（图 9.1a）。当防火结构钢被包裹在混凝土中时，会加强各自的性能，因为混凝土会加强梁的强度。目前，更便捷和经济的防火方案已实施，因而封装的组合梁很少使用。但是，通过将钢梁连接到它所支撑的钢筋混凝土板上来实现复合性能，可使这两部分起到一个单元的作用。在地板或屋顶系统中，一部分板与每根钢梁发生作用，形成一个由钢筋的复合梁，该钢筋与顶部的混凝土凸起进行连接（图9.1b）。但只有防止了两个组件之间的水平滑动，这种连接才有可能。如果接口处的水平剪切力被连接装置（称为锚定装置（有时称为剪切连接器））抵抗，则可以实现这一点。这些设备可以是钢制螺栓或短的小型钢槽，按规定的间隔焊接到钢梁的顶部，并通过锚固与硬化混凝土进行机械连接（图9.1c）。螺栓是锚杆最常用的类型，如果翼缘宽度足够大（取决于允许的间距，我们在9.4节中考虑），每个位置可以使用不止一个锚杆。钢制带头螺栓锚普及的一个原因是它们便于安装，一个人就可以完成相应安装工作。通过自动安装工具，操作员可以在一次操作中定位螺柱并将其焊接到梁上。这需要一定数量的锚来使梁达到完全复合状态。如果少于这个量，将会使钢与混凝土之间发生一些滑动。第9.7节介绍了部分组合梁（实际上比完全组合梁更有效）。
图9.1
建筑物中的大多数复合建筑材料都采用成型钢板，用作混凝土板的模板， 并在混凝土固化后保留在原处。这种金属板还有助于提高板的强度，我们在这里不考虑这种设计。金属板可以与其垂直或平行于梁的加劲肋一起使用。在一般的地板系统中，加劲肋将垂直于地板梁并平行于支撑梁。螺栓从上方焊接到梁上，穿过金属板。由于螺栓只能放置在肋中，所以它们沿梁长度的间距被限制为肋间距的倍数。图9.2显示了一块带有成型钢板的平板和垂直于梁轴线的加劲肋。几乎所有使用钢梁的公路和桥梁都是复合结构，而组合梁通常是建筑物中最经济的选择。虽然更小、更轻的轧制钢梁可以用于复合结构，但有时额外成本会过高。即便如此，其他优势可能会使复合材料结构具有更大的吸引力，从而可以使用高度较小的梁，并且偏转将小于传统的非复合结构。
组合梁的弹性应力
尽管组合梁的有效强度通常基于失效条件，但由于以下几个原因，对有效荷载的行为的理解很重要。变形总是在有效荷载下进行调查，并且在某些情况 下，有效的强度是基于第一次屈服的极限状态。
可以从公式计算均质材料梁中的弯曲应力和剪应力
和
然而，组合梁不是均匀的，所以公式是无效的。为了能够使用它们，变形部分的混凝土将被 “转化”成与混凝土具有相同效果的一定量的钢。这个程序要求上述假设的“钢”中的应变与它所替代的混凝土中的应变相同。图9.3显示了叠加了应力和应变图的组合梁的一部分。如果型钢与板形状相吻合，则应变将如图所示，在未被弯曲的面中，截面为平面。但是，如图c所示的连续线性应力分布，只有在假定梁均匀时才有效。我们首先要求混凝土中的任何一点的应变等于任何被转化成的钢中的应变：
和 （9.1）
图9.2
AISC规范还给出了Ec公式的标准版本。公式9.1可以解释为如下：n平方英寸的混凝土需要抵抗与一平方英寸的钢相同的力。要确定能抵抗与混凝土相同力的钢的面积，再将混凝土面积除以n。也就是说，用Ac/ n代替Ac。最后需要变换区域。
考虑图9.4a中所示的复合截面（当梁为地板系统的一部分时，需要确定有效翼缘宽度b）。为了改变相应的区域Ac，我们必须除以n。最方便的方法是 将宽度除以n并保持不变。这样就会得到图9.4b中的均质钢部分。为了计算应力，我们需确定这个复合形状的中性轴并计算相应的惯性矩。然后我们可以用弯曲公式来计算弯曲应力。
图9.4
在钢的顶部·，
在钢的底部，
9.2 与建筑的相关联系
在混凝土已经固化并达到其设计强度（至少达到28天的抗压强度fc75）的75％ 之前，不可能有复合性能，并且平板的重量必须由其他方法支撑。 一旦混凝土固化，复合作用是可能的，并且所有随后施加的荷载将与梁发生抵制作用。如果在钢板放置之前沿钢板的长度放置足够多的临时支撑，混凝土的重量将由作用在这些临时支撑上，而不是由钢板支撑。一旦混凝土固化，临时支撑可以被移除，并且混凝土梁将承载板的重量以及额外的荷载。然而，如果不使用支撑，钢材的形状不仅要支撑自身的重量，而且还要支撑固化期间钢材及其模板的重量。复合梁将承受额外的荷载。我们现在更详细地考虑这些不同的条件。许多钢结构建筑中的楼板是在有钢材和钢板上形成的，它留在原处成为结构的组成部分。虽然也有例外，但钢板的加劲肋通常垂直于地梁并与支撑梁平行，但有时加劲肋也垂直于支撑梁。钢制带头螺栓锚栓的安装与没有钢板时的方法相同，螺柱通过钢板直接焊接到横梁上。
混凝土固化前
AISCI3.lb要求，当不提供临时支撑时，钢筋形状本身必须具有足够的强度，以抵抗在混凝土达到其强度f的75％之前所受到的所有荷载fc。根据规范的章节F（本书第5章），以通常的方式计算抗弯强度。根据其设计，混凝土板的模板可能会（也可能不会）为钢梁提供侧向支撑的作用力。如果不是，则必须考虑无支撑长度Lb，并且扭转和屈曲可以控制弯曲强度。如果不使用临时支撑，钢梁也可能需要抵抗偶然荷载。考虑到这些荷载，建议每平方英尺增加20磅。
混凝土固化后
在达到复合行为后，随后施加的所有荷载将由复合梁支撑。然而，在失效时，所有的荷载都将受到与失效时的应力分布相对应的内部荷载的抵抗。 因此，复合材料部分必须具有足够的强度来抵抗所有荷载，包括在混凝土固化之前施加在钢梁上的荷载（除了不再作用的施工荷载）。
在支撑结构中，只需考虑复合梁，因为钢筋不需要支撑除自身重量以外的任何其他材料的重量。
抗剪强度
AISC I4.2保守要求所有的剪力都应按规范（本书第5章）第G章的规定由钢筋网承受作用力。
显然，支撑结构比非支撑结构更有效率，因为钢结构不需要支撑除自身 重量以外的任何其他部分。在某些情况下，使用支撑可以使用较小的钢材形 状。然而，大多数复合材料建筑都没有设计，因为过高的额外成本，尤其是劳动力成本，超过了钢材用量方面节省的成本。因此，我们将本章的其余部分用于复合结构。
9.3 有效的法兰宽度
与钢梁复合作用的楼板部分是由多个因素组成的函数，包括跨度或长度和梁间距。
AISC I3.1a要求梁中心线两侧的楼板有效宽度取最小值
1. 跨度或长度的八分之一。
2. 梁中心间距的一半。
3. 从梁中心线到平板边缘的距离。
第三个标准仅适用于边缘光束，因此对于内部，全部有效宽度将是跨度或长度的四分之一或梁的的中心到中心间距（假设梁均匀间隔）中的较小者。
9.4 钢头螺柱
正如我们已经了解的那样，在混凝土和钢之间传递的水平剪力等于混凝土中的压缩力C.我们分析过这个水平剪力V。V由As=Fy，0.85fc=Ac或 Qn中最小者给出。如果由As=Fy或0.85fc=Ac控制，则将存在全合成情况，并且零和最大值之间所需的锚点数量为
(9.2)
其中Q是一个锚的标准抗剪强度。N1锚点应该在需要的长度内均匀分布。 AISC规范给出了螺柱和通道锚固件的强度等式。正如本章开头所指出的，螺 栓锚是最常见的，我们只考虑这种类型。对于一个螺柱，
当使用成型钢板时，Rg和Rp取决于钢板属性。这在本书的第9.7节“钢板的组合梁”中被考虑。
对于在组合梁中用作锚栓的抗拉强度Fu为65ksi（AWS，2008）。 AISC公 式I8-1给出的数值基于实验研究。Qn不适用因素（既不是LRFD的阻力系数，也不是ASD的安全系数）;总体弯曲阻力系数或安全系数考虑了所有的强度不确定性。
公式9.2给出了零与最大值点之间所需的锚点数量。因此，对于简单支撑，均匀荷载的梁，将需要2N1锚，并且它们应该是等距的。当存在集中荷载时，AISC I8.2c要求将足够的N1锚定件放置在集中荷载与邻近零点之间，以产生负载所需的力矩。我们表示这部分N2如图9.10所示。请注意，螺栓的总数不受此要求的影响。
图9.10
钢头螺栓锚栓的其他要求
以下要求来自AISC I8.1，I8.2和I8.2d：
bull; 最大直径=2.5钢板厚度（除非直接放在模板上）
bull; 最小长度=4螺柱直径
bull; 最小纵向间距（中心到中心）=6 螺柱直径
bull; 最大纵向间距（中心到中心）=8板厚/36英寸
bull; 最小横向间距（中心到中心）= 4螺柱直径
bull; 在垂直于剪切力的方向上的最小混凝土保护层厚度，V=1英寸
bull; 从螺柱中心到剪切力方向的自由边缘的最小距离=普通混凝土为8英寸，轻质混凝土为10英寸。
请注意，除非使用成型钢板，否则不存在最小垂直覆盖。这在第9.7节中有介绍。
AWS结构代码（AWS，2008）列出了1/2，5/8，3/4，7/8和1英寸的标准螺柱直径。1/2,2，5/8(21/2，3/5/1的共同螺柱尺寸与AISC规定的最小长度相匹配。TF615）/7/8/ 31/2和1/4（但可以使用更长的螺柱）。
请注意，设计钢锚时，LRFD和ASD之间没有区别。这是因为所需的螺栓数量是通过将额定强度V除以额定强度Qn确定的，并且不涉及所施加的荷载。
9.5 设计
设计楼板的第一步是选择楼板的厚度，无论是实心还是有肋（与钢板构 成）。厚度将是梁间距的函数，可能需要研究板厚和梁间距的几种组合形式，以便找到最经济的方案。然而，板的设计超出了本文的研究范围，我们将假设板厚和梁间距是已知的。做出这样的假设之后，我们可以采取以下步骤来完成一个非地面系统的设计。
1. 计录混凝土固化前后的时刻。
2. 选择钢材形状进行试用。
3. 比较钢筋的可用强度与混凝土固化前所需的弯矩强度。如果模板没有 提供足够的横向支撑，请考虑无支撑长度。如果这种形状不令人满意，请尝试更大的形状。
4. 计算复合截面的可用强度，并将其与总需求力矩强度进行比较。如果 复合部分不合适，请选择另一种钢材进行试验。
5.检查钢筋的剪切强度。
6.设计钢锚：
a.计算混凝土和钢之间的水平剪力。
b.将该力除以Qn（单个螺柱的剪切能力）以获得Nl，其在大多数情况下是所需螺栓总数的一半。使用这些螺柱数量将提供完整的复合行为。如果需要部分复合动作，则可以减少双头螺栓的数量（这在第 9.7节中有介绍）。
7. 检查偏转（我们在第9.6节中介绍了这一点）。刚刚概述过程中的主要任务是选择试验钢的形状。如果假设钢材的高度，可以建立一个公式，该公式将给出所需面积（或者，或者每英尺长度所需的重量）。 假设完全复合作用和板中的PNA（即钢作为主要控制主体，完全复合作用最常见的情况），我们可以将标准强度（参见图9.12）写为
LRFD程序:将设计强度等同于荷载并解决As：
图9.12
公式9.3也可以用重量而不是面积来表示。由于一英尺的体积为As/ 144立方英尺，结构钢的重量为490磅/立方英尺，
9.6 挠度弯曲
由于变形部分的惯性矩较大，组合梁的挠度小于非复合梁的挠度。对于无支撑的施工，只有在混凝土板已经固化后才能获得这种较大的惯性力矩。 在混凝土固化之前施加的荷载引起的挠曲必须用钢的惯性矩计算。如果梁在混凝土固化之后承受持续的荷载，例如隔墙的重量，则会出现复杂情况。在正力矩区域，混凝土会不断受到压缩并出现蠕变现象。蠕变是需要的变形处于持续的压缩荷载下。初始变形后，在长时间内会发生非常缓慢的变形。对组合梁的影响是增加曲率，从而增加垂直偏转。减小长期偏转的一种技术是在变换部分使用混凝土面积减小的部分，以获得较小的惯性矩和较大的计算挠度。通过使用2n或3n而不是实际的模数比n来计算缩小的面积。对于普通建筑物，由持续静载引起的附加徐变挠度非常小，本书不会涉及。如果活荷载的很大一部分被认为是持续的，则应考虑徐变。Viest等人发表了该主题的详细报道以及混凝土在养护过程中收缩造成的挠度。（1997年）。减小收缩偏移的方法可以在规范评注中找到。
使用转换后的惯性矩来计算组合梁中的挠度往往会低估实际挠度（Viest，etal。，1997）。为了弥补这一点，本规范的评注建议通过两种方法中的一种来减少计算出的转换惯性矩。
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