組合結構設計原理 第2版 課件 第1、2章 緒論、結構設計方法及材料性能

第一章緒論鋼與混凝土組合結構設計原理組合結構的定義及分類組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀鋼與混凝土的組合作用本章小結1.11.11.21.21.31.3content目錄

土木工程中較常使用的承重材料有木材、混凝土、鋼材、砌體材料、塑料、合成纖維等等，它們中的兩種或者兩種以上組合在一起，形成能夠共同受力、協(xié)調變形的結構或構件，就稱為組合結構(廣義)或組合結構構件。

本書介紹的組合結構主要是由鋼材和混凝土組成的鋼-混凝土組合結構(狹義的組合結構)。鋼材可以分為鋼筋和鋼骨（型鋼）兩大類，由鋼筋和混凝土組成的鋼筋混凝土（簡稱RC）結構或預應力混凝土結構本質上也屬于組合結構的范疇，但因其各成體系?！督M合結構設計規(guī)范》（JGJ1382016）中定義，組合結構構件是指由型鋼、鋼管或鋼板與鋼筋混凝土組合能整體受力的結構構件（狹義，即鋼-混凝土組合結構）。1.1組合結構的定義及分類土木工程結構中幾種典型的鋼-混凝土組合結構

土木工程中較常使用的承重材料有木材、混凝土、鋼材、砌體材料、塑料、合成纖維等等，它們中的兩種或者兩種以上組合在一起，形成能夠共同受力、協(xié)調變形的結構或構件，就稱為組合結構(廣義)或組合結構構件。

本書介紹的組合結構主要是由鋼材和混凝土組成的鋼-混凝土組合結構(狹義的組合結構)。鋼材可以分為鋼筋和鋼骨（型鋼）兩大類，由鋼筋和混凝土組成的鋼筋混凝土（簡稱RC）結構或預應力混凝土結構本質上也屬于組合結構的范疇，但因其各成體系。《組合結構設計規(guī)范》（JGJ1382016）中定義，組合結構構件是指由型鋼、鋼管或鋼板與鋼筋混凝土組合能整體受力的結構構件（狹義，即鋼-混凝土組合結構）。1.1組合結構的定義及分類土木工程結構中幾種典型的鋼-混凝土組合結構如圖1-1(a)所示的型鋼混凝土（簡稱SRC）柱是在型鋼的周圍設置鋼筋并澆筑混凝土形成的柱，圖1-1(b)為在型鋼梁的外圍包裹鋼筋混凝土而成的型鋼混凝土梁，其型鋼是埋置在混凝土截面中，兩者統(tǒng)稱為型鋼混凝土構件。圖1-1型鋼混凝土柱、梁及節(jié)點(a)SRC柱(b)SRC梁1.1組合結構的定義及分類(c)某項目SRC節(jié)點三維示意圖(d)某項目SRC節(jié)點施工照片在鋼管中填入混凝土而成的鋼管混凝土（簡稱CFST）柱（圖1-2），又可分為圓鋼管混凝土柱和方鋼管混凝土柱。圖1-1型鋼混凝土剪力墻截面構造(c)圓CFST柱

(d)方CFST柱1.1組合結構的定義及分類（a）圓形鋼管混凝土（b）方形鋼管混凝土（c）矩形鋼管混凝土圖1-2鋼管混凝土（d）鋼管混凝土應用于高層建筑（e）鋼管混凝土應用于橋梁1.1組合結構的定義及分類圖1-3所示為將RC板與鋼梁以一定的方式結合起來而成的組合梁，其型鋼通常是非埋入式的，我們通常所講的鋼-混凝土組合梁即是指該種形式的梁。除了柱和梁之外，在壓型鋼板上澆筑混凝土使之一體化而形成的組合板（圖1-4）、在RC抗震墻中設置鋼板（或鋼斜撐）或在其中埋入鋼骨的組合墻（圖1-5）等都是組合結構構件的形式。圖1-3鋼-混凝土組合梁圖1-4壓型鋼板-混凝土組合樓板圖1-5鋼-混凝土組合剪力墻由組合結構構件組成的結構，以及由組合結構構件與鋼構件、鋼筋混凝土構件組成的結構，稱為組合結構。也就是說，可以采用鋼骨（S）、鋼筋混凝土（RC）、型鋼混凝土（SRC）或鋼管混凝土（CFST）進行任意的形式的構件組合，例如，可以采用SRC柱-SRC梁（圖1-6）、SRC柱-鋼梁（圖1-7）、CFST柱-RC梁（圖1-8）、SRC柱-鋼梁（圖1-9）、CFST柱-SC梁（圖1-10）、RC柱-鋼梁（圖1-11）的組合方式，也可以采用含組合梁的鋼框架結構、含SRC柱的鋼框架結構或含CFST柱的鋼框架結構，這些都是不同組合構件之間的組合。1.1組合結構的定義及分類圖1-9CFST柱-S梁圖1-11RC柱-S梁圖1-10CFST柱-SC梁圖1-6SRC柱-SRC梁圖1-7SRC柱-S梁圖1-8SRC柱-RC梁1.1組合結構的定義及分類圖1-12SRC-RC轉換柱圖1-13S-SRC-RC混合框架而結構系統(tǒng)的組合或混合，例如，高層建筑的上部采用RC結構而下部采用SRC結構（圖1-8），或者上部樓層采用鋼（S）結構，其余的地面以上部分采用SRC結構，地面以下到基礎部分采用RC結構（圖1-9），都是在高度方向上由不同類型的結構進行組合。此外，由RC墻和S框架組成的結構、以及由S墻和RC框架組合而成的結構等在實際工程中也多有應用。

圖1-14外部S框架-RC核心筒混合結構圖1-15外圍RC框架-內部鋼框架混合結構鋼-混凝土組合結構或混合結構與一般由單一材料組成的結構不同，它可以充分發(fā)揮鋼材與混凝土兩種材料各自的優(yōu)點，而克服其缺點，具有承載能力高、剛度大、變形性能好等突出特點，且造價相對較低、施工便捷，因而具有十分廣闊的應用和發(fā)展前景。1.1組合結構的定義及分類近些年，在高層或超高層建筑中還出現(xiàn)了由鋼框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的混合結構，它們是在平面上由不同結構組合而成的結構形式，如外部S框架-內部核心筒混合結構（圖1-14）、外圍RC框架-內部鋼框架混合結構（圖1-15）。（1）型鋼混凝土型鋼混凝土（SRC）結構是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發(fā)展起來的一種新型結構，起源于歐美，其最早的型式是在鋼構件外包裹磚砌體，磚主要作為鋼材的防火材料，其后磚砌體逐漸被混凝土構件尤其是鋼筋混凝土構件所取代，形成了型鋼混凝土結構，其承載力顯著提高。

在日本，由內藤多仲設計的興業(yè)銀行是一幢地下1層，地上7層，高約30m的型鋼混凝土結構房屋，它建成于1923年并經(jīng)歷了同年9月發(fā)生的關東大地震。震后的震害調查發(fā)現(xiàn)，外包磚鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚砌體結構都發(fā)生了較大的破壞，而興業(yè)銀行基本沒有損壞，從此以后，SRC結構優(yōu)越的抗震性能逐漸被人們所認知，并在6~9層的多高層建筑中得到應用。從1991年至1995年5年間平均每年建造的建筑物數(shù)量來看，6層以上房屋采用SRC結構的棟數(shù)占總數(shù)的27%，建筑面積占全部的45%，可見SRC結構已成為日本高層建筑的主要結構形式。但是1995年1月發(fā)生的兵庫縣南部地震中，有32幢SRC結構的房屋發(fā)生較嚴重的破壞。經(jīng)調查，發(fā)現(xiàn)倒塌的房屋都是1975年以前建造的，其柱子均采用空腹式配鋼柱，而1975年以后建造的采用實腹式配鋼的SRC結構房屋基本沒有破壞。目前SRC結構主要用于中、高層住宅及辦公樓等抗震建筑中。

前蘇聯(lián)對型鋼混凝土結構的研究也相當重視，并在第二次世界大戰(zhàn)后的恢復重建中，大量地使用型鋼混凝土結構建造主廠房。

我國自20世紀80年代中期以后，掀起了型鋼混凝土結構的研究熱潮，在90年代末和21世紀初相繼頒布了型鋼混凝土結構的設計標準，促進了這種結構在我國的推廣應用。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀（2）鋼管混凝土鋼管混凝土（CFST）結構的應用由來已久，最早于1879年英國建造的Severn鐵路橋的橋墩中即有采用，在鋼管內澆灌混凝土以防止鋼管內部銹蝕。

20世紀初，美國在一些單層和多層廠房中采用了圓鋼管混凝土柱作為承重柱。60年代以后，前蘇聯(lián)、歐美及日本等一些工業(yè)發(fā)達國家對鋼管混凝土開展了大量的試驗研究和理論分析，闡明了套箍作用及其工作機理，并用極限平衡法推導出鋼管混凝土軸心受壓短柱承載力的計算公式。

日本在20世紀50年代開始將鋼管混凝土用于地鐵車站的承重柱，60年代又用于送變電塔的弦桿中。在建筑結構中采用鋼管混凝土是在20世紀70年代，至90年代進入建設的高峰期，各種高度、各類用途的建筑物均有采用鋼管混凝土的結構，其抗震性能非常優(yōu)越。兵庫縣南部地震中，在建筑物破壞最嚴重的神戶市三宮地區(qū)，至少有5棟7~12層的CFT建筑物沒有發(fā)生破壞。CFT結構現(xiàn)在在日本已經(jīng)非常普及，在東京，21世紀最初的3年中，采用CFST結構建造的高度在100m以上的房屋就有20余棟。

我國自20世紀70年代以后，在冶金、造船、電力和市政等行業(yè)的工程建設中也已開始廣泛推廣和應用鋼管混凝土結構，目前，鋼管混凝土結構已發(fā)展成為強風、強震區(qū)高層、超高層建筑和大跨拱橋結構的一種重要結構形式。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀（3）鋼-混凝土組合梁在國外，鋼與混凝土組合梁最早應用于橋梁結構中，前蘇聯(lián)于1944年建成了第一座組合公路橋。

我國自20世紀50年代開始，已將鋼與混凝土組合梁應用于工業(yè)與民用建筑及橋梁結構中，進入20世紀80年代，組合梁的應用范圍已涉及（超高層）建筑、橋梁、高聳結構、地下結構、工程加固等各個領域，取得了良好的效果。

人們對混凝土板與H型鋼通過抗剪連接件連接在一起形成的組合梁的研究和開發(fā)，始于20世紀50年代左右。最初，組合梁基本上是按換算截面法進行計算，即將組合梁視為一個整體，先將組合截面換算成同一材料的截面，然后根據(jù)彈性理論進行截面設計。60年代以后，則逐漸轉入塑性理論進行分析，重點研究抗剪連接件的計算方法、組合梁的靜、動力性能、部分抗剪連接組合梁的工作性能、連續(xù)組合梁、預應力組合梁的受力性能以及鋼梁與混凝土翼板交界面上的相對滑移對組合梁受力性能的影響等。近年來，我國許多研究單位又對鋼—高強混凝土組合梁、預應力鋼—混凝土組合梁、壓型鋼板混凝土組合梁以及組合梁的豎向抗剪性能、組合梁的彎剪扭復合受力性能等進行了大量的試驗研究，豐富了鋼—混凝土組合梁的形式，拓寬了其應用范圍。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀（4）壓型鋼板-混凝土組合板

20世紀60年代，歐美等一些西方國家和日本開始將壓型鋼板與混凝土形成的板應用于多、高層民用建筑和工業(yè)廠房，當時僅把壓型鋼板當作永久性模板及用作施工作業(yè)的平臺。后來人們認識到，在壓型鋼板上做出凹凸肋或壓出不同形式的槽紋，可以改善鋼板與混凝土之間的粘結性能，保證兩者的共同工作，使壓型鋼板象鋼筋一樣受拉或受壓，為此開展了大量的試驗研究與理論分析，探討了壓型鋼板受壓翼緣有效寬度的計算方法、組合板縱向剪切黏結承載力計算方法，以及組合板正截面抗彎、斜截面抗剪、抗沖切承載力及耐火等性能。20世紀80年代中期，壓型鋼板與混凝土組合板引入我國，廣大科技工作者對壓型鋼板的板型、加工工藝、抗剪連接設計，以及壓型鋼板與混凝土組合板的破壞模式、承載力計算、撓曲變形的實用計算方法、組合板在一定耐火時限內溫度變化與變形發(fā)展規(guī)律等進行了大量的研究和應用開發(fā)。目前，我國的一些高層鋼結構房屋的樓蓋系統(tǒng)中已廣泛采用了壓型鋼板與混凝土組合板。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀（5）組合剪力墻組合剪力墻包括型鋼混凝土剪力墻、鋼板混凝土組合剪力墻、帶鋼斜撐混凝土剪力墻，以及帶型鋼（鋼管）混凝土邊框的剪力墻等多種類型。日本在1987年修訂的型鋼混凝土結構設計規(guī)范(AIJ-SRC)中就給出了關于剪力墻的計算公式。Yamada、Kwan、Matsumoto等對各種型鋼混凝土組合剪力墻的承載機制、破壞特征、剛度退化、抗震性能等進行了探討；美國加州洛杉磯大學的Wallace研究了邊緣構件中埋入寬翼緣型鋼的組合剪力墻的滯回特性，并進行了擬合分析。我國自20世紀90年代開始，對型鋼混凝土剪力墻的抗彎性能、抗剪性能、極限變形，以及洞口、邊框、內藏鋼桁架對剪力墻抗震性能的影響規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》中編入了型鋼混凝土剪力墻設計的內容。鋼板混凝土組合剪力墻由內填鋼板和一側或者兩側現(xiàn)澆或者預制鋼筋混凝土板組成，它們之間通過抗剪連接件（如栓釘）進行連接。美國加州伯克利大學的Astaneh-Asl等對鋼框架填充單側鋼板-混凝土組合剪力墻進行了研究，并提出一種改進的措施，即在混凝土墻板和鋼框架之間留縫，以減輕混凝土材料的破壞。日本的Emori、Wright等對雙面鋼板內填混凝土的組合剪力墻進行了抗壓和抗剪性能試驗。我國于1995年較早開展了鋼板外包混凝土剪力墻在低周反復荷載作用下的試驗研究。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀目前，帶鋼管混凝土邊框的組合剪力墻主要有2種形式，一種是帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻，即在鋼管混凝土框架中內嵌一塊鋼板；另一種是帶鋼管混凝土邊框的鋼筋混凝土組合剪力墻。1999~2001年，美國加州伯克利大學的Astaneh-Asl和Zhao等進行了帶鋼管混凝土邊框的鋼板剪力墻模型的抗震性能試驗，表明這種剪力墻具有良好的延性和耗能能力。2004年開始實施的《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》(CECS159)給出了帶矩形鋼管混凝土邊框的剪力墻的設計方法。2008年之后，我國的一些科研單位又對鋼管混凝土邊框-鋼板（組合）剪力墻或內藏斜撐肋鋼板組合墻進行了低周反復加載試驗，對這種組合墻的承載力、延性、剛度及其衰減、滯回特性、耗能能力及破壞特征等進行了研究，建立了組合墻體承載力計算模型。（6）鋼－混凝土混合結構1972年在美國建造的GatewayⅢBuilding是世界上較早的一幢鋼－混凝土混合結構房屋，該建筑35層，總高137m，采用了RC核心筒混合結構。二十世紀八十年代，上部采用鋼（S）結構、下部采用SRC結構而地下部分采用RC結構的建筑物，或者在10層左右的辦公樓建筑中，上部6層左右采用RC結構、下部其余幾層采用SRC結構的工程在日本也相繼出現(xiàn)。以前，鋼結構建筑的柱和梁都采用鋼構件，SRC結構的柱和梁都采用SRC構件，而近年來柱采用SRC構件、梁采用鋼構件，或者柱采用RC柱、梁采用鋼梁的各類組合或混合結構在工程中也日漸普及。

由于鋼、RC或SRC結構的剛度、承載力、延性等均不相同，根據(jù)各種材料各自的特性，選擇合理且經(jīng)濟的結構形式很有必要。例如在超高層建筑的上部采用鋼（S）結構，則可以減小結構重量并降低地震作用。1.2組合結構與混合結構的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀將鋼材和混凝土這兩種不同的材料組合在一起形成組合結構，其優(yōu)點是將兩種材料各自的優(yōu)越性充分展現(xiàn)出來。鋼材在受拉時其強度和塑性變形性能都非常好，但在受壓時鋼材容易發(fā)生屈曲破壞。而混凝土材料能承擔較大的壓力，但是混凝土抗拉強度較低。如果將這兩種材料組合起來形成構件，其抗拉和抗壓方面的優(yōu)越性能都能得到發(fā)揮，兩種材料得到了充分利用。1.3鋼與混凝土的組合作用混凝土提高鋼材的穩(wěn)定性為了使鋼材和混凝土能夠組合在一起，形成具有良好受力性能的組合結構，兩種材料必須形成一個整體共同工作，其前提是鋼材與混凝土之間存在粘結力，依靠二者的粘結作用來傳遞內力。鋼與混凝土之間的組合效應一般反映在兩個方面:一是能起到傳遞鋼材與混凝土界面上縱向剪力的作用;二是還能抵抗鋼材與混凝土之間的掀起作用。1.3鋼與混凝土的組合作用PI型鋼混凝土組合梁中的界面相互作用（組合效應）圖1-16無連接的疊置梁下面就對這種組合作用及其基本原理進行介紹。

假設兩根勻質、材料和斷面都相同的矩形截面梁疊置在一起，兩者之間無任何連接，梁的跨中作用有集中荷載P，每根梁的寬度均為b，截面高度為h，跨度為l，如圖1-16所示。由于兩根梁之間為光滑的交界面，只能傳遞相互之間的壓力而不能傳遞剪力作用，每根梁的變形情況相同，均只能承擔1/2的荷載作用。按照彈性理論，每根梁跨中截面的最大彎矩均為Pl/8，最大正應力發(fā)生在各自截面的最外邊緣纖維處，其值為：1.3鋼與混凝土的組合作用圖1-17截面應力分布（a）正應力（b）剪應力無剪切連接完全剪切連接σmaxτmaxl/2l/2Pl/2hh(1-1)

沿截面高度的正應力分布如圖1-17（a）中實線所示。最大剪力為V=P/4。根據(jù)材料力學可知，梁截面沿高度方向剪應力的分布如圖1-17（b）中實線所示。每根梁的剪應力呈拋物線形分布，最大剪應力發(fā)生在各自的中和軸處，其值為：

此時跨中的最大撓度為：

如果兩根梁之間可靠連接，完全組合在一起而沒有任何滑移時，則可以作為一根截面寬度為b、高度為2h的整體受力梁來計算。此時，跨中截面的最大正應力為：(1-2)(1-3)(1-4)1.3鋼與混凝土的組合作用(1-5)與（1-1）式相比可知，組合后梁的最大正應力僅為無黏結疊置梁最大正應力的1/2，中和軸在兩根梁的交界面上，應力分布如圖1-17（a）中虛線所示。組合梁截面的最大剪應力為：與（1-2）式相比可知，組合梁的最大剪應力與無組合的梁的最大剪應力在數(shù)值上相等，不過并非發(fā)生在上、下梁各自截面高度的1/2處，而是發(fā)生在兩根梁的交界面上，即組合梁截面高度的1/2位置處。此時沿截面高度剪應力的分布如圖1-17（b）中虛線所示。從總體上看，剪應力的分布趨于均勻?？缰凶畲髶隙葹椋号c（1-3）式相比可知，組合梁的跨中撓度僅為無組合梁跨中撓度的1/4。以上例子說明，通過將兩根梁組合在一起，能夠在不增加材料用量和截面高度的情況下，使構件的正截面承載力和抗彎剛度均顯著提高，亦即構件的受力性能得到顯著改善。(1-6)1.3鋼與混凝土的組合作用無抗剪連接的疊置梁，荷載作用后的變形如圖1-18所示。由于上梁底面纖維受拉而伸長，下梁頂面纖維受壓而縮短，原來界面處上、下梁對應各點產(chǎn)生了明顯的縱向錯動，即產(chǎn)生了相對滑移。如果要使上下梁完全連接成整體，可采用以下幾種方法：

（1）如果是木梁連接，可采用結構膠或其他界面粘合劑（圖1-19(a)）；（2）采用機械連接的方法，在上下梁界面上設置足夠強度和剛度的抗剪連接件（圖1-19(b)），如鋼與混凝土組合梁的連接；（3）采用對拉螺栓的方法（圖1-19(c)），依靠螺栓的抗剪作用及界面的摩擦力，使得上下梁協(xié)調變形；（4）通過端部連接，阻止上下梁的相對滑動，保證二者共同工作（圖1-19(d)）。如SRC構件的兩端通過節(jié)點與其他構件相連，則鋼骨與RC部分之間不產(chǎn)生滑移。圖1-18非組合梁的變形圖1-19組合連接的方法(a)(b)(c)(d)1.3鋼與混凝土的組合作用對鋼與混凝土組合結構而言，設置在型鋼與混凝土之間的抗剪連接件還有另一功能，即抵抗鋼與混凝土交界面上的掀起力。以圖1-20為例，AB梁疊置于CD梁上，其上作用有集中荷載P。如果AB梁的抗彎剛度比CD梁的抗彎剛度大很多，則CD梁所產(chǎn)生的撓曲變形遠遠超過AB梁的變形，則二者的變形曲線不能協(xié)調一致，產(chǎn)生了相互分離的趨勢。另一方面，AB梁傳至CD梁的荷載，不再通過整個AB界面?zhèn)鬟f，而只能通過AB梁與CD梁的接觸點傳遞，這就改變了CD梁的受力狀態(tài)。因此，抗剪連接件還應能承受上、下梁間引起分離趨勢的“掀起力”，并且本身不能發(fā)生破壞或產(chǎn)生過大的變形。圖1-20組合連接的方法1.3鋼與混凝土的組合作用1、由兩種或者兩種以上不同的材料組合在一起，形成能夠共同受力、協(xié)調變形的結構或構件，就稱為組合結構或組合結構構件。本書中所講的組合結構構件，是指由型鋼、鋼管或鋼板與鋼筋混凝土組合能整體受力的結構構件。最基本的組合結構構件包括型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁、鋼管混凝土柱、鋼-混凝土組合梁、壓型鋼板-混凝土組合板、組合剪力墻等。由組合結構構件組成的結構，以及由組合結構構件與鋼構件、鋼筋混凝土構件組成的結構，稱為組合結構。也就是說，可以采用鋼骨（S）、鋼筋混凝土（RC）、型鋼混凝土（SRC）或鋼管混凝土（CFST）進行任意的形式的構件組合，即形成組合結構。2、在高度方向上由不同類型的結構進行組合，如高層建筑的上部采用RC結構而下部采用SRC結構，或者上部樓層采用鋼（S）結構，其余的地面以上部分采用SRC結構，地面以下到基礎部分采用RC結構，為豎向混合結構。由鋼框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的結構，為平面混合結構，如高層或超高層建筑中常采用的外部鋼框架-內部鋼筋混凝土核心筒混合結構、外圍RC框架-內部S框架混合結構。3、鋼與混凝土組合結構或混合結構具有承載能力高、剛度大、延性和耗能性能好等優(yōu)點，并且經(jīng)濟性好，施工快捷方便，因此越來越廣泛地應用于大跨重載結構、高聳結構和高層、超高層建筑，尤其是地震區(qū)建筑。4、組合作用是鋼與混凝土共同工作的前提條件。組合作用一般反映在兩個方面，一是傳遞鋼材與混凝土界面上縱向剪力，二是抵抗鋼材與混凝土之間的掀起力。由于鋼與混凝土之間的組合作用，使構件的抗彎承載力和剛度顯著提高，變形減小。本章小結第二章結構設計方法及材料性能鋼與混凝土組合結構設計原理結構設計原則材料性能本章小結思考題2.12.12.22.2content目錄鋼－混凝土組合結構采用以概率理論為基礎、以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法進行設計，以可靠指標度量結構的可靠度。按照GB50068-2018《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（以下簡稱《統(tǒng)一標準》），組合結構在規(guī)定的設計使用年限內應滿足下列功能要求：(1)能承受在施工和使用期間可能出現(xiàn)的各種作用（如荷載、外加變形、約束變形等）；(2)保持良好的使用性能，如不發(fā)生過大的變形、振幅和引起使用者不安的裂縫等；(3)具有足夠的耐久性能，如不發(fā)生嚴重的鋼材銹蝕，以及混凝土的嚴重風化、腐蝕、脫落等而影響結構的使用壽命；(4)當發(fā)生火災時，在規(guī)定的時間內可保持足夠的承載力；(5)當發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯誤等偶然事件時，結構能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結構的連續(xù)倒塌。在上述四項功能要求中，第（1）、（4）、（5）項是結構安全性的要求，第（2）項是結構適用性的要求，第（3）項是結構耐久性的要求，安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性，其概率度量稱為結構的可靠度。2.1結構設計原則2.1.1組合結構的預定功能1．極限狀態(tài)整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。結構的極限狀態(tài)分為以下三類：（1）承載能力極限狀態(tài)

當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了承載能力極限狀態(tài)：1）結構構件或連接因超過材料強度而破壞，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；2）整個結構或其一部分作為剛體失去平衡；3）結構轉變?yōu)闄C動體系；4）結構或結構構件喪失穩(wěn)定；5）結構因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；6）地基喪失承載力而破壞；7）結構或結構構件的疲勞破壞。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法1．極限狀態(tài)整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。結構的極限狀態(tài)分為以下三類：（2）正常使用極限狀態(tài)

當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了正常使用極限狀態(tài)：1）影響正常使用或外觀的變形；2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞；3）影響正常使用的振動；4）影響正常使用的其他特定狀態(tài)。

對結構的各種極限狀態(tài)，均應規(guī)定明確的標志或限值。（3）耐久性極限狀態(tài)

當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了耐久性極限狀態(tài)：1）影響承載能力和正常使用的材料性能劣化；2）影響耐久性的裂縫、變形、缺口、外觀、材料削弱等；3）影響耐久性的其他特定狀態(tài)。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法2．設計狀況建筑結構設計時應區(qū)分下列設計狀況：（1）持久設計狀況，適用于結構使用時的正常情況；（2）短暫設計狀況，適用于結構出現(xiàn)的臨時情況，包括結構施工和維修時的情況等；（3）偶然設計狀況，適用于結構出現(xiàn)的異常情況，包括結構遭受火災、爆炸、撞擊時的情況等；（4）地震設計狀況，適用于結構遭受地震時的情況，在抗震設防地區(qū)必須考慮地震設計狀況。建筑結構設計時，對不同的設計狀況，應采用相應的結構體系、可靠度水平、基本變量和荷載組合等。對上述四種設計狀況應分別進行下列極限狀態(tài)設計：（1）對四種設計狀況，均應進行承載能力極限狀態(tài)設計；（2）對持久設計狀況，尚應進行正常使用極限狀態(tài)和耐久性極限狀態(tài)設計；（3）對短暫設計狀況和地震設計狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計；（4）對偶然設計狀況，可不進行正常使用極限狀態(tài)和耐久性極限狀態(tài)設計。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法式（2-1）即為極限狀態(tài)方程。當僅有作用效應和結構抗力兩個基本變量時，極限狀態(tài)方程可寫為：3.極限狀態(tài)方程和功能函數(shù)

極限狀態(tài)方程是當結構處于極限狀態(tài)時各有關基本變量的關系式。影響結構可靠度的各基本變量，如結構上的各種作用、材料性能、幾何參數(shù)、計算公式精確性等因素一般都具有隨機性，記為符號Xi（i=1,2,

，n）。結構的極限狀態(tài)可采用包括各有關基本變量Xi在內的函數(shù)式來表達：（2-1）（2-2）

其中Z稱為結構的功能函數(shù)，可用其判別結構所處的狀態(tài)：圖2-1結構所處的狀態(tài)

當Z＞0時，結構處于可靠狀態(tài)；

當Z＜0時，結構處于失效狀態(tài)；

當Z=0時，結構處于極限狀態(tài)。

結構所處的狀態(tài)也可用圖2-1來表達。當基本變量滿足極限狀態(tài)方程Z=R-S=0時，結構達到極限狀態(tài)，即圖2-1中的45°直線。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法4.結構可靠度與可靠指標結構能夠完成預定功能（安全性、適用性和耐久性）的概率稱為可靠概率，用ps表示，ps=P(Z＞0)；結構不能完成預定功能的概率稱為失效概率，用pf表示，pf=P（Z＜0）。顯然，ps+pf=0。用失效概率pf度量結構可靠性具有明確的物理意義，但失效概率pf的計算比較復雜，通常采用可靠指標β來度量結構的可靠性。當僅有作用效應和結構抗力兩個基本變量且均服從正態(tài)分布時，pf和β存在下列關系：

pf=Φ（-β）（2-3）式中Φ（*）為標準正態(tài)分布函數(shù)。由式可見，可靠指標β與失效概率pf具有數(shù)值上的對應關系和相對應的物理意義。β越大，失效概率pf就越小，結構就越可靠。結構設計時，應根據(jù)結構破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、對社會或環(huán)境產(chǎn)生影響等的嚴重性，將建筑結構劃分為三個安全等級。在設計時應采用不同的結構重要性系數(shù)γ0。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法另外，結構構件的破壞狀態(tài)有延性破壞和脆性破壞之分。延性破壞發(fā)生前結構構件有明顯的變形或其他預兆，而脆性破壞的發(fā)生往往比較突然，危害性較大，因此其可靠指標應高于延性破壞的可靠指標?！督y(tǒng)一標準》根據(jù)結構的安全等級和破壞類型，給出了結構構件持久設計狀況承載能力極限狀態(tài)設計的可靠指標，如表2-1所示。結構構件持久設計狀況正常使用極限狀態(tài)設計的可靠指標，宜根據(jù)其可逆程度取0～1.5。持久設計狀況耐久性極限狀態(tài)設計的可靠指標，宜根據(jù)其可逆程度取1.0～2.0。表2-1房屋建筑結構的安全等級與結構構件承載能力極限狀態(tài)設計的可靠指標安全等級破壞后果示例可靠指標延性破壞脆性破壞一級很嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響很大大型的公共建筑等重要的結構3.74.2二級嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響較大普通的住宅和辦公樓等一般的結構3.23.7三級不嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響較小小型的或臨時性貯存建筑等次要的結構2.73.2注：建筑結構抗震設計中的甲類建筑和乙類建筑，其安全等級宜規(guī)定為一級；丙類建筑，其安全等級宜規(guī)定為二級；丁類建筑，其安全等級宜規(guī)定為三級。2.1結構設計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設計方法為了實用上的簡便和考慮廣大工程設計人員的習慣，《統(tǒng)一標準》采用了由荷載的代表值、材料性能的標準值、幾何參數(shù)的標準值和各相應的分項系數(shù)構成的極限狀態(tài)設計表達式進行設計。1．承載能力極限狀態(tài)對于承載能力極限狀態(tài)，應按荷載的基本組合或偶然組合計算荷載組合的效應設計值，并應采用下列設計表達式進行設計：（2-4）（2-5）式中：γ0—結構重要性系數(shù)，對持久設計狀況和短暫設計狀況，安全等級為一級時，不應小于1.1；安全等級為二

級時，不應小于1.0；安全等級為三級時，不應小于0.9；對偶然設計狀況和地震設計狀況，不應小于1.0；Sd—荷載組合的效應設計值，如軸力、彎矩、剪力、扭矩等的設計值；Rd—結構或結構構件的抗力設計值；γM—材料性能的分項系數(shù)；fk—材料性能的標準值；ad—幾何參數(shù)的設計值ak，可采用幾何參數(shù)的標準值。當幾何參數(shù)的變異性對結構性能有明顯影響時，幾何

參數(shù)的設計值可按下式確定：式中：△a—幾何參數(shù)的附加量。2.1結構設計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設計表達式

（1）基本組合對持久設計狀況和短暫設計狀況，應采用荷載的基本組合。荷載基本組合的效應設計值，應按下式進行計算：（2-6）式中：γGi—第i個永久荷載的分項系數(shù)；當永久荷載效應對結構不利時，取1.3；當永久荷載效應對結構有利時，

不應大于1.0；γQj—第j個可變荷載的分項系數(shù)，其中γQ1為主導可變荷載Q1的分項系數(shù)；當可變荷載效應對結構不利時，

取1.5；γLj—第j個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，其中γL1為主導可變荷載Q1考慮設計使用年

限的調整系數(shù)；樓面和屋面活荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，應按表2-2采用；SGik—第i個永久荷載標準值Gik的效應；SQ1k—第1個可變荷載標準值Q1k的效應；SQjk—第j個可變荷載標準值Qjk的效應；Ψcj—第j個可變荷載Qj的組合值系數(shù)，其值不應大于1。2.1結構設計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設計表達式

2.1結構設計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設計表達式

表2-2樓面和屋面活荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)γL結構設計使用年限5501000.91.01.1注：對設計使用年限為25年的結構構件，應按各種材料結構設計規(guī)范的規(guī)定采用。應當指出，基本組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況；當對無法明顯判斷時，應輪次以各可變荷載效應作為，并選取其中最不利的荷載組合的效應設計值。（2）偶然組合對偶然設計狀況，應采用荷載的偶然組合。荷載偶然組合的效應設計值Sd可按下列規(guī)定采用：①用于承載能力極限狀態(tài)計算的效應設計值，應按下式進行計算：（2-8）式中：SAd—按偶然荷載標準值Ad計算的荷載效應值；Ψf1

—第1個可變荷載的頻遇值系數(shù)；Ψqi

—第i個可變荷載的準永久值系數(shù)。②用于偶然事件發(fā)生后受損結構整體穩(wěn)固性驗算的效應設計值，應按下式進行計算：（2-9）

以上組合中的設計值，僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。2.1結構設計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設計表達式

2．正常使用極限狀態(tài)對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合，并應按下列設計表達式進行設計：（2-10）式中：Sd—荷載組合的效應設計值，如變形、裂縫等的效應設計值；C—設計對變形、裂縫等規(guī)定的相應限值。（2-11）

以上組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。(1)荷載標準組合的效應設計值Sd應按下式進行計算：(3)荷載標準組合的效應設計值Sd應按下式進行計算：(2)荷載標準組合的效應設計值Sd應按下式進行計算：（2-12）（2-13）2.1結構設計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設計表達式

鋼與混凝土組合結構中的鋼材，宜采用鎮(zhèn)定鋼，并應具有屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊韌性和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證及冷彎試驗的合格保證，以確保結構具有必要的強度、塑性和可焊性的必要條件。鋼材宜采用Q345、Q390和Q420低合金高強度結構鋼及Q235碳素結構鋼，質量等級不宜低于B級，且應分別符合現(xiàn)行國家標準《低合金高強度結構鋼》GB/T1591和《碳素結構鋼》GB/T700的規(guī)定。當采用較厚的鋼板時，可選用材質、材性符合現(xiàn)行國家標準《建筑結構用鋼板》GB/T19879的各牌號鋼板，其質量等級不宜低于B級。當采用其他牌號的鋼材時，尚應符合國家現(xiàn)行有關標準的規(guī)定。鋼板厚度大于或等于40mm，且承受沿板厚方向拉力的焊接連接板件，鋼板厚度方向截面收縮率，不應小于現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T5313中Z15級規(guī)定的容許值?？紤]地震作用的結構用鋼，其屈強比不應大于0.85，同時鋼材應有明顯的屈服臺階、伸長率應大于20%。屈強比是指鋼材的屈服強度實測值與極限抗拉強度實測值的比值。對鋼材的屈強比進行規(guī)定主要是使極限抗拉強度與屈服強度不會太接近，以確保結構具有必要的安全儲備并具有足夠的塑形變形能力。2.2材料性能2.2.1鋼材鋼材強度指標按表2-3、表2-4采用。表2-3鋼材強度指標（N/mm2）鋼材牌號鋼材厚度（mm）極限抗拉強度最小值

屈服強度

強度標準值強度設計值端面承壓（刨平頂緊）設計值抗拉、抗壓、抗彎

抗拉、抗壓、抗彎抗剪

Q235≤16370235235215125325>16~40370225225205120>40~60370215215200115>60~100370215215190110Q345≤16470345345310180400>16~35470335335295170>35~50470325325265155>50~100470315315250145Q345GJ6~16490345345310180400>16~35490345345310180>35~50490335335300175>50~100490325325290170Q390≤16490390390350205415>16~35490370370335190>35~50490350350315180>50~100490330330295170Q420≤16520420420380220440>16~35520400400360210>35~50520380380340195>50~1005203603603251852.2材料性能2.2.1鋼材表2-4冷彎成型矩形鋼管強度設計值(N/mm2)鋼材牌號抗拉、抗壓、抗彎

fa抗剪

fav端面承壓（刨平頂緊）

fceQ235205120310Q345300175400

鋼材的物理性能指標，見表2-5。表2-5鋼材物理性能指標彈性模量

Ea（N/mm2）剪變模量

Ga（N/mm2）線膨脹系數(shù)

α（/°C）質量密度（kg/m3）2.06×10579×10312×10-67850

注：壓型鋼板采用冷軋鋼板時，彈性模量取1.90×105。2.2材料性能2.2.1鋼材表2-6壓型鋼板強度標準值、設計值(N/mm2)牌號強度標準值強度設計值抗拉、抗壓、抗彎

fak抗拉、抗壓、抗彎

fa抗剪

favS250250205120S350350290170S5504703952302.2材料性能

壓型鋼板質量應符合現(xiàn)行國家標準《建筑用壓型鋼板》GB/T12755的規(guī)定，壓型鋼板的基板應選用熱浸鍍鋅鋼板，不宜選用鍍鋁鋅板。鍍鋅層應符合現(xiàn)行國家標準《連續(xù)熱鍍鋅薄鋼板及鋼帶》GB/T2518的規(guī)定。

壓型鋼板宜采用符合現(xiàn)行國家標準《連續(xù)熱鍍鋅薄鋼板及鋼帶》GB/T2518規(guī)定的S250(S250GD+Z、S250GD+ZF)、S350(S350GD+Z、S350GD+ZF)、S550(S550GD+Z、S550GD+ZF)牌號的結構用鋼，其強度標準值、設計值應按表2-6的規(guī)定采用。2.2.1鋼材手工焊接用焊條應與主體金屬力學性能相適應，且應符合現(xiàn)行國家標準《非合金鋼及細晶粒鋼焊條)GB/T5117、《熱強鋼焊條》GB/T5118的規(guī)定。選擇的焊條應。自動焊接或半自動焊接采用的焊絲和焊劑，應與主體金屬力學性能相適應，且應符合現(xiàn)行國家標準《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》GB/T5293、《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》GB/T12470、《氣體保護電弧焊用嵌鋼、低合金鋼焊絲》GB/T8110的規(guī)定。焊縫質量等級應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》GB50205的規(guī)定，焊縫強度設計值應按表2-7的規(guī)定采用。2.2材料性能2.2.2焊接材料表2-7焊縫強度設計值（N/mm2）焊接方法鋼材牌號鋼板厚度（mm）對接焊縫強度設計值角焊縫強度設計值焊條型號抗壓抗拉

抗剪抗拉、抗壓、抗剪

一級、二級三級自動焊、半自動焊和E43××型焊條的手工焊Q235≤16215215185125160（140）>16~40205205175120>40~60200200170115>60~100190190160110自動焊、半自動焊和E50××型焊條的手工焊Q345≤16310310265180200（195）>16~35295295250170>35~50265265225155>50~100250250210145自動焊、半自動焊和E55型焊條的手工焊Q390≤16350350300205220>16~35335335285190>35~50315315270180>50~100295295250170Q420≤16380380320220220>16~35360360305210>35~50340340290195>50~100325325275185注:1.表中所列一級、二級、三級指焊縫質量等級；2.括號中的數(shù)值用于冷成型薄壁型鋼。2.2材料性能2.2.2焊接材料鋼與混凝土組合結構中鋼構件連接使用的螺栓、錨栓材料應符合下列規(guī)定：（1）普通螺栓應符合現(xiàn)行國家標準《六角頭螺栓》GB/T5782和《六角頭螺栓—C級GB/T5780的規(guī)定；A、B級螺栓孔的精度和孔壁表面粗糙度，C級螺栓孔的允許偏差和孔壁表面粗糙度，均應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》GB50205的規(guī)定。（2）高強度螺栓應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈與技術條件》GB/T1228或《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副》(GB/T3632)、《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副技術條件》(GB/T3633)的規(guī)定；（3）普通螺栓連接的強度設計值應按表2-8采用;高強度螺栓連接的鋼材摩擦面抗滑移系數(shù)值應按表2-9采用;高強度螺栓連接的設計預拉力應按表2-10采用。（4）錨栓可采用符合現(xiàn)行國家標準《碳素結構鋼》GB/700、《低合金高強度結構鋼》GB/T1591規(guī)定的Q235鋼、Q345鋼。2.2材料性能2.2.3螺栓和錨栓表2-8螺栓連接的強度設計值（N/mm2）螺拴的性能等級、錨栓和構件鋼材的牌號普通螺栓錨栓承壓型連接高強度螺栓C級螺栓A級、B級螺栓抗拉抗剪承壓抗拉抗剪承壓抗拉抗拉抗剪承壓普通螺栓4.6級、4.8級170140－－－－－－－－5.6級－－－210190－－－－－8.8級－－－400320－－－－－錨栓（C級普通螺栓）Q235（165）（125）－－－－140－－－Q345－－－－－－180－－－承壓型連接高強度螺栓8.8級－－－－－－－400250－10.9級－－－－－－－500310－承壓構件Q235－－305（295）－－405－－－470Q345－－385（370）－－510－－－590Q390－－400－－530－－－615Q420－－425－－560－－－655注：1.A級螺栓于d≤24mm和l≤10d或l≤150mm（按較小值）的螺拴；B級螺栓于d>24mm或l>10d或l>150mm（按較小值）的螺栓。d為公稱直徑，l為螺桿公稱長度。2.表中帶括號的數(shù)值用于冷成型薄壁型鋼。2.2材料性能2.2.3螺栓和錨栓表2-9摩擦面的抗滑移系數(shù)表2-10一個高強度螺栓的預拉力(kN)

鋼與混凝土組合結構中采用的栓釘應符合國家標準《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》GB/T10433的規(guī)定，其材料及力學性能應符合表2-11規(guī)定。表2-11栓釘材料及力學性能連接處構件接觸面的構件的鋼號構件的鋼號Q235Q345、Q390Q420噴砂(丸)0.450.500.50噴砂(丸)后涂元機富鋅漆0.350.400.40噴砂(丸)后生赤銹0.450.500.50鋼絲刷清除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面0.300.350.40螺栓的性能等級螺栓公稱直徑(mm)M16M20M22M24M27M308.8級8012515017523028010.9級100155190225290355材料極限抗拉強度(N/mm2)屈服強度(N/mm2)伸長率(%)ML15、ML15Al

400

320≥142.2材料性能2.2.3螺栓和錨栓2.2.4栓釘鋼與混凝土組合結構中應優(yōu)先采用具有較好延性、韌性和可焊性的鋼筋。縱向受力鋼筋宜采用HRB400、HRB500、HRB335熱軋鋼筋；箍筋宜采用HRB400、HRB335、HPB300、HRB500熱軋鋼筋。其強度標準值、設計值應按表2-12的規(guī)定采用。表2-12鋼筋強度標準值、設計值(N/mm2)種類符號公稱直徑d/mm屈服強度標準值

極限強度標準值

最大拉力下總伸長率

(%)抗拉強度設計值

抗壓強度設計值

HPB3006~22300420不小于10270270HRB3356~50335455不小于7.5300300HRB4006~50400540360360HRB5006~50500630435410注：1.當采用直徑