組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 薛建陽 第2版 課件全套 第1-9章 緒論、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及材料性能-混合結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一章緒論鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理組合結(jié)構(gòu)的定義及分類組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀鋼與混凝土的組合作用本章小結(jié)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(diào)變形的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，就稱為組合結(jié)構(gòu)(廣義)或組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

本書介紹的組合結(jié)構(gòu)主要是由鋼材和混凝土組成的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(狹義的組合結(jié)構(gòu))。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(jié)構(gòu)或預應力混凝土結(jié)構(gòu)本質(zhì)上也屬于組合結(jié)構(gòu)的范疇，但因其各成體系?！督M合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JGJ1382016）中定義，組合結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件（狹義，即鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)）。1.1組合結(jié)構(gòu)的定義及分類土木工程結(jié)構(gòu)中幾種典型的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

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(diào)變形的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，就稱為組合結(jié)構(gòu)(廣義)或組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

本書介紹的組合結(jié)構(gòu)主要是由鋼材和混凝土組成的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(狹義的組合結(jié)構(gòu))。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(jié)構(gòu)或預應力混凝土結(jié)構(gòu)本質(zhì)上也屬于組合結(jié)構(gòu)的范疇，但因其各成體系?！督M合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JGJ1382016）中定義，組合結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件（狹義，即鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)）。1.1組合結(jié)構(gòu)的定義及分類土木工程結(jié)構(gòu)中幾種典型的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)造(c)圓CFST柱

(d)方CFST柱1.1組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，以及由組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，稱為組合結(jié)構(gòu)。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(gòu)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(jié)構(gòu)、含SRC柱的鋼框架結(jié)構(gòu)或含CFST柱的鋼框架結(jié)構(gòu)，這些都是不同組合構(gòu)件之間的組合。1.1組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的定義及分類圖1-12SRC-RC轉(zhuǎn)換柱圖1-13S-SRC-RC混合框架而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組合或混合，例如，高層建筑的上部采用RC結(jié)構(gòu)而下部采用SRC結(jié)構(gòu)（圖1-8），或者上部樓層采用鋼（S）結(jié)構(gòu)，其余的地面以上部分采用SRC結(jié)構(gòu)，地面以下到基礎(chǔ)部分采用RC結(jié)構(gòu)（圖1-9），都是在高度方向上由不同類型的結(jié)構(gòu)進行組合。此外，由RC墻和S框架組成的結(jié)構(gòu)、以及由S墻和RC框架組合而成的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖1-15外圍RC框架-內(nèi)部鋼框架混合結(jié)構(gòu)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)與一般由單一材料組成的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，它們是在平面上由不同結(jié)構(gòu)組合而成的結(jié)構(gòu)形式，如外部S框架-內(nèi)部核心筒混合結(jié)構(gòu)（圖1-14）、外圍RC框架-內(nèi)部鋼框架混合結(jié)構(gòu)（圖1-15）。（1）型鋼混凝土型鋼混凝土（SRC）結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，起源于歐美，其最早的型式是在鋼構(gòu)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(gòu)件尤其是鋼筋混凝土構(gòu)件所取代，形成了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，其承載力顯著提高。

在日本，由內(nèi)藤多仲設(shè)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(jié)構(gòu)房屋，它建成于1923年并經(jīng)歷了同年9月發(fā)生的關(guān)東大地震。震后的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，外包磚鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚砌體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的棟數(shù)占總數(shù)的27%，建筑面積占全部的45%，可見SRC結(jié)構(gòu)已成為日本高層建筑的主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的房屋發(fā)生較嚴重的破壞。經(jīng)調(diào)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(jié)構(gòu)房屋基本沒有破壞。目前SRC結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計標準，促進了這種結(jié)構(gòu)在我國的推廣應用。1.2組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀（2）鋼管混凝土鋼管混凝土（CFST）結(jié)構(gòu)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(nèi)澆灌混凝土以防止鋼管內(nèi)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(jié)構(gòu)中采用鋼管混凝土是在20世紀70年代，至90年代進入建設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)中也已開始廣泛推廣和應用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，目前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的一種重要結(jié)構(gòu)形式。1.2組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工程加固等各個領(lǐng)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(shè)計。60年代以后，則逐漸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(AIJ-SRC)中就給出了關(guān)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(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中編入了型鋼混凝土剪力墻設(shè)計的內(nèi)容。鋼板混凝土組合剪力墻由內(nèi)填鋼板和一側(cè)或者兩側(cè)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(cè)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(nèi)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(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS159)給出了帶矩形鋼管混凝土邊框的剪力墻的設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)房屋，該建筑35層，總高137m，采用了RC核心筒混合結(jié)構(gòu)。二十世紀八十年代，上部采用鋼（S）結(jié)構(gòu)、下部采用SRC結(jié)構(gòu)而地下部分采用RC結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、下部其余幾層采用SRC結(jié)構(gòu)的工程在日本也相繼出現(xiàn)。以前，鋼結(jié)構(gòu)建筑的柱和梁都采用鋼構(gòu)件，SRC結(jié)構(gòu)的柱和梁都采用SRC構(gòu)件，而近年來柱采用SRC構(gòu)件、梁采用鋼構(gòu)件，或者柱采用RC柱、梁采用鋼梁的各類組合或混合結(jié)構(gòu)在工程中也日漸普及。

由于鋼、RC或SRC結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式很有必要。例如在超高層建筑的上部采用鋼（S）結(jié)構(gòu)，則可以減小結(jié)構(gòu)重量并降低地震作用。1.2組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)力，依靠二者的粘結(jié)作用來傳遞內(nèi)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(shè)兩根勻質(zhì)、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(jié)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。跨中最大撓度為：與（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(gòu)件的正截面承載力和抗彎剛度均顯著提高，亦即構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(diào)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(gòu)件的兩端通過節(jié)點與其他構(gòu)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(jié)構(gòu)而言，設(shè)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(diào)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(diào)變形的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，就稱為組合結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。本書中所講的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件。最基本的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，以及由組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，稱為組合結(jié)構(gòu)。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(gòu)件組合，即形成組合結(jié)構(gòu)。2、在高度方向上由不同類型的結(jié)構(gòu)進行組合，如高層建筑的上部采用RC結(jié)構(gòu)而下部采用SRC結(jié)構(gòu)，或者上部樓層采用鋼（S）結(jié)構(gòu)，其余的地面以上部分采用SRC結(jié)構(gòu)，地面以下到基礎(chǔ)部分采用RC結(jié)構(gòu)，為豎向混合結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，為平面混合結(jié)構(gòu)，如高層或超高層建筑中常采用的外部鋼框架-內(nèi)部鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)、外圍RC框架-內(nèi)部S框架混合結(jié)構(gòu)。3、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)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(gòu)件的抗彎承載力和剛度顯著提高，變形減小。本章小結(jié)第二章結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及材料性能鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理結(jié)構(gòu)設(shè)計原則材料性能本章小結(jié)思考題2.12.12.22.2content目錄鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)、以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設(shè)計方法進行設(shè)計，以可靠指標度量結(jié)構(gòu)的可靠度。按照GB50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（以下簡稱《統(tǒng)一標準》），組合結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)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(jié)構(gòu)的使用壽命；(4)當發(fā)生火災時，在規(guī)定的時間內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。在上述四項功能要求中，第（1）、（4）、（5）項是結(jié)構(gòu)安全性的要求，第（2）項是結(jié)構(gòu)適用性的要求，第（3）項是結(jié)構(gòu)耐久性的要求，安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性，其概率度量稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.1組合結(jié)構(gòu)的預定功能1．極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)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(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為以下三類：（1）承載能力極限狀態(tài)

當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡；3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；4）結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定；5）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法1．極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)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(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為以下三類：（2）正常使用極限狀態(tài)

當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法2．設(shè)計狀況建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應區(qū)分下列設(shè)計狀況：（1）持久設(shè)計狀況，適用于結(jié)構(gòu)使用時的正常情況；（2）短暫設(shè)計狀況，適用于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的臨時情況，包括結(jié)構(gòu)施工和維修時的情況等；（3）偶然設(shè)計狀況，適用于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的異常情況，包括結(jié)構(gòu)遭受火災、爆炸、撞擊時的情況等；（4）地震設(shè)計狀況，適用于結(jié)構(gòu)遭受地震時的情況，在抗震設(shè)防地區(qū)必須考慮地震設(shè)計狀況。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同的設(shè)計狀況，應采用相應的結(jié)構(gòu)體系、可靠度水平、基本變量和荷載組合等。對上述四種設(shè)計狀況應分別進行下列極限狀態(tài)設(shè)計：（1）對四種設(shè)計狀況，均應進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計；（2）對持久設(shè)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(shè)計；（3）對短暫設(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；（4）對偶然設(shè)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(shè)計。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法式（2-1）即為極限狀態(tài)方程。當僅有作用效應和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時各有關(guān)基本變量的關(guān)系式。影響結(jié)構(gòu)可靠度的各基本變量，如結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可采用包括各有關(guān)基本變量Xi在內(nèi)的函數(shù)式來表達：（2-1）（2-2）

其中Z稱為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，可用其判別結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)：圖2-1結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)

當Z＞0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

當Z＜0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；

當Z=0時，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)，即圖2-1中的45°直線。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法4.結(jié)構(gòu)可靠度與可靠指標結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的可靠性。當僅有作用效應和結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)系和相對應的物理意義。β越大，失效概率pf就越小，結(jié)構(gòu)就越可靠。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)劃分為三個安全等級。在設(shè)計時應采用不同的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法另外，結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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。《統(tǒng)一標準》根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級和破壞類型，給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件持久設(shè)計狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的可靠指標，如表2-1所示。結(jié)構(gòu)構(gòu)件持久設(shè)計狀況正常使用極限狀態(tài)設(shè)計的可靠指標，宜根據(jù)其可逆程度取0～1.5。持久設(shè)計狀況耐久性極限狀態(tài)設(shè)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(jié)構(gòu)的安全等級與結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2.73.2注：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法為了實用上的簡便和考慮廣大工程設(shè)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(gòu)成的極限狀態(tài)設(shè)計表達式進行設(shè)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(shè)計值，并應采用下列設(shè)計表達式進行設(shè)計：（2-4）（2-5）式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)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(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況，不應小于1.0；Sd—荷載組合的效應設(shè)計值，如軸力、彎矩、剪力、扭矩等的設(shè)計值；Rd—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)性能有明顯影響時，幾何

參數(shù)的設(shè)計值可按下式確定：式中：△a—幾何參數(shù)的附加量。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設(shè)計表達式

（1）基本組合對持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況，應采用荷載的基本組合。荷載基本組合的效應設(shè)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(jié)構(gòu)不利時，取1.3；當永久荷載效應對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不利時，

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

限的調(diào)整系數(shù)；樓面和屋面活荷載考慮設(shè)計使用年限的調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設(shè)計表達式

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設(shè)計表達式

表2-2樓面和屋面活荷載考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù)γL結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限5501000.91.01.1注：對設(shè)計使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應按各種材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定采用。應當指出，基本組合中的設(shè)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(shè)計值。（2）偶然組合對偶然設(shè)計狀況，應采用荷載的偶然組合。荷載偶然組合的效應設(shè)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(shè)計值，應按下式進行計算：（2-8）式中：SAd—按偶然荷載標準值A(chǔ)d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(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性驗算的效應設(shè)計值，應按下式進行計算：（2-9）

以上組合中的設(shè)計值，僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設(shè)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(shè)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(shè)計表達式進行設(shè)計：（2-10）式中：Sd—荷載組合的效應設(shè)計值，如變形、裂縫等的效應設(shè)計值；C—設(shè)計對變形、裂縫等規(guī)定的相應限值。（2-11）

以上組合中的設(shè)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(shè)計值Sd應按下式進行計算：(3)荷載標準組合的效應設(shè)計值Sd應按下式進行計算：(2)荷載標準組合的效應設(shè)計值Sd應按下式進行計算：（2-12）（2-13）2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計原則2.1.3

概率極限狀態(tài)設(shè)計表達式

鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼及Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，質(zhì)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(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591和《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700的規(guī)定。當采用較厚的鋼板時，可選用材質(zhì)、材性符合現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》GB/T19879的各牌號鋼板，其質(zhì)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計值端面承壓（刨平頂緊）設(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)計值(N/mm2)牌號強度標準值強度設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)用鋼，其強度標準值、設(shè)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(zhì)量等級應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205的規(guī)定，焊縫強度設(shè)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(shè)計值（N/mm2）焊接方法鋼材牌號鋼板厚度（mm）對接焊縫強度設(shè)計值角焊縫強度設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)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(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈與技術(shù)條件》GB/T1228或《鋼結(jié)構(gòu)用扭剪型高強度螺栓連接副》(GB/T3632)、《鋼結(jié)構(gòu)用扭剪型高強度螺栓連接副技術(shù)條件》(GB/T3633)的規(guī)定；（3）普通螺栓連接的強度設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)鋼》GB/700、《低合金高強度結(jié)構(gòu)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(shè)計值（N/mm2）螺拴的性能等級、錨栓和構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件接觸面的構(gòu)件的鋼號構(gòu)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(jié)構(gòu)中應優(yōu)先采用具有較好延性、韌性和可焊性的鋼筋?？v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(shè)計值應按表2-12的規(guī)定采用。表2-12鋼筋強度標準值、設(shè)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(shè)計值

抗壓強度設(shè)計值

HPB3006~22300420不小于10270270HRB3356~50335455不小于7.5300300HRB4006~50400540360360HRB5006~50500630435410注：1.當采用直徑大于40mm的鋼筋時，應有可靠的工程經(jīng)驗；2.用作受剪、受扭、受沖切承載力計算的箍筋，其強度設(shè)計值fyv應按表中fy數(shù)值取用，且其數(shù)值不應大于360N/mm2。

鋼筋彈性模量Es應按表2-13采用。表2-13鋼筋彈性模量種類EsHPB3002.1HRB400、HRB500、HRB3352.02.2材料性能2.2.5鋼筋

（1）型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用的混凝土強度等級不宜低于C30;有抗震設(shè)防要求時，剪力墻不宜超過C60;其他構(gòu)件，設(shè)防烈度9度時不宜超過C60;8度時不宜超過C70。鋼管中的混凝土強度等級，對Q235鋼管，不宜低于C40;對Q345鋼管，不宜低于C50;對Q390、Q420鋼管，不應低于C50。組合樓板用的混凝土強度等級不應低于C20。

（2）混凝土軸心抗壓強度標準值fck

、軸心抗拉強度標準值ftk應按表2-14的規(guī)定采用;軸心抗壓強度設(shè)計值fc

、軸心抗拉強度設(shè)計值ft應按表2-15的規(guī)定采用。表2-14混凝土強度標準值

（N/mm2）強度混凝土強度等級C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck13.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11表2-15混凝土強度設(shè)計值（N/mm2）強度混凝土強度等級C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fc9.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9ft1.101.271.431.571.711.801.891.962.042.092.142.182.222.2材料性能2.2.6混凝土（3）混凝土受壓和受拉彈性模量Ec應按表2-16的規(guī)定采用，混凝土的剪切變形模量可按相應彈性模量數(shù)值的0.4倍采用，混凝土泊松比可按0.2采用。表2-16混凝土彈性模量（N/mm2）混凝土強度等級C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80Ec2.552.803.003.153.253.353.453.553.603.653.703.753.80

（4）型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土最大骨料直徑宜小于型鋼外側(cè)混凝土保護層厚度的1/3，且不宜大于25mm。對澆筑難度較大或復雜節(jié)點部位，宜采用骨料更小，流動性更強的高性能混凝土。鋼管混凝土構(gòu)件中混凝土最大骨料直徑不宜大于25mm。2.2材料性能2.2.6混凝土(1)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應滿足安全性、適用性、耐久性的要求，該三方面功能要求統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。(2)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定的狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。通過功能函數(shù)可以判別結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)，即可靠狀態(tài)、失效狀態(tài)和極限狀態(tài)。(3)結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》GB50153采用可靠指標來度量結(jié)構(gòu)的可靠性,根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級和破壞類型，給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計可靠指標來度量不同的可靠度水準。(4)考慮到實用上的簡便和廣大工程設(shè)計人員的習慣，《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》GB50153采用了以基本變量標準值和各相應的分項系數(shù)構(gòu)成的極限狀態(tài)設(shè)計表達式進行設(shè)計。(5)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中的鋼材，宜采用Q345、Q390和Q420低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼及Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，質(zhì)量等級不宜低于B級。壓型鋼板的基板應選用熱浸鍍鋅鋼板，不宜選用鍍鋁鋅板。(6)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中應優(yōu)先采用具有較好延性、韌性和可焊性的鋼筋?？v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。(7)組合結(jié)構(gòu)宜采用普通混凝土，其強度等級不宜過低。對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，混凝土強度等級不宜低于C30；鋼管混凝土構(gòu)件，不宜低于C40；組合樓板用的混凝土強度等級不應低于C20。本章小結(jié)(1)什么是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)？極限狀態(tài)分為幾類？(2)什么是結(jié)構(gòu)的可靠度？什么是失效概率？(3)分析承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式中各符號的意義。(4)組合結(jié)構(gòu)中的鋼材有哪些基本要求？(5)組合結(jié)構(gòu)中的鋼筋和混凝土有何要求？思考題第三章壓型鋼板-混凝土組合樓板鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理壓型鋼板截面特征施工階段組合樓板承載力及變形計算使用階段承載力計算使用階段剛度、撓度及裂縫寬度計算3.23.23.33.33.43.43.53.5content目錄概述3.13.1組合樓板構(gòu)造要求3.63.6本章小結(jié)壓型鋼板-混凝土組合樓板是指在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土組成壓型鋼板與混凝土共同承受載荷的樓板，簡稱為組合樓板，如圖3-1a所示。組合樓板中的壓型鋼板可采用開口型壓型鋼板、縮口型壓型鋼板和閉口型壓型鋼板（圖3-1b）。圖3-1a壓型鋼板—混凝土組合樓板構(gòu)造示意圖圖3-2b鋼與混凝土組合樓板中壓型鋼板的形式3.1概述3.1.1壓型鋼板-混凝土組合樓板概念在壓型鋼板上澆筑混凝土而成的樓板結(jié)構(gòu)，通常采用下面三種形式：（1）由壓型鋼板承擔所有的樓面荷載，其上的混凝土僅起提供平整工作面的作用，并不參與抵抗外力，在設(shè)計中作為外加荷載來考慮。（2）壓型鋼板作為澆筑混凝土時的永久性模板和施工平臺，它僅承擔施工時的外荷載，因此只需進行施工階段的承載力計算和變形驗算。待混凝土達到設(shè)計強度后，壓型鋼板并不拆除，但在使用階段不考慮其承擔荷載的作用。（3）鋼板不僅用作澆筑混凝土時的永久性模板而且待混凝土達到設(shè)計強度后，壓型鋼板與混凝土結(jié)合成整體共同工作，從而全部或部分取代受拉鋼筋。前兩種板稱為非組合樓板，第三種才是組合樓板。壓型鋼板與混凝土之間組合作用的取得，須在壓型鋼板表面形式、壓型鋼板截面形狀或者壓型鋼板端部進行一定的構(gòu)造處理以實現(xiàn)界面之間的縱向剪力傳遞。3.1概述3.1.1壓型鋼板-混凝土組合樓板概念型鋼板通常分為以下四種形式：（1）通過壓型鋼板本身的形狀來提高組合作用，如采用閉口型或縮口型壓型鋼板，或?qū)盒弯摪遄龀删哂欣饨堑耐估撸▓D3-2(a)）；（2）在壓型鋼板的翼緣或腹板上軋制凹凸不平的齒槽或設(shè)置加勁肋（圖3-2(b)）；（3）在壓型鋼板表面開小孔，或在其上翼緣上焊接附加橫向鋼筋（圖3-2(c)）；（4）支承在鋼梁上的壓型鋼板，可用栓釘連接件穿透壓型鋼板并與鋼梁上翼緣可靠地焊接，或?qū)盒弯摪宥瞬坷邏浩街苯雍赣阡摿荷希▓D3-2(d)）。3.1概述3.1.1壓型鋼板-混凝土組合樓板概念圖3-2壓型鋼板-混凝土組合樓板主要形式（c）（d）（1）施工工期短。壓型鋼板可作為施工平臺和澆筑混凝土的永久性模板，節(jié)省施工中支模和拆模工序以及大部分臨時支撐；另外，各樓層可以同時施工，大大加快施工進度；（2）在組合樓蓋的施工過程中，壓型鋼板可以作為鋼梁的側(cè)向支撐，提高了鋼梁的整體穩(wěn)定性；（3）壓型鋼板一般很薄，因此交叉疊放、運輸和安裝都非常方便。另外，壓型鋼板在使用階段可替代板中受力鋼筋，因而減少了鋼筋的用量及制作和安裝的費用；（4）自重輕，抗震性能好。組合樓板剛度大，且省去許多受拉區(qū)混凝土，因而自重較小，這對于減小地震作用非常有利；（5）壓型鋼板的肋部便于敷設(shè)水、電力、通訊、采暖等管線；同時，壓型鋼板可以直接用作建筑頂棚，無需安裝吊頂3.1概述

3.1.2組合樓板的優(yōu)點壓型鋼板均由薄鋼板制作，由腹板和翼緣組成各種形狀。翼緣與腹板上的應力是通過二者交界面上的縱向剪應力傳遞的。由彈性力學分析可知，受壓翼緣截面上的縱向壓應力并非均勻分布，存在剪力滯后效應，使得與腹板相交處的應力最大，距腹板越遠，應力越小，其應力分布呈曲線型，如圖3-3(a)所示。剪力滯后所導致的應力分布不均勻的情況，與翼緣的實際寬厚比、應力大小及分布情況、受壓鋼板的支承形式等諸多因素有關(guān)。如果翼緣板的寬厚比較大，在達到極限狀態(tài)時，距腹板較遠處鋼板的應力可能尚小，不可能翼緣的全截面都充分發(fā)揮作用，甚至在受壓的情況下先發(fā)生局部屈曲，當有剛強的周邊板件時，其屈曲后的承載能力還會有較大的提高。因此在實用計算中，常根據(jù)應力等效的原則，把翼緣上的應力分布簡化為在有效寬度上的均布應力，如圖3-3(b)所示。圖3-3壓型鋼板翼緣上的應力分布(a)在全寬上的實際應力分布(b)在等效寬度上的假定應力分布3.2壓型鋼板截面特征壓型鋼板的受壓翼緣應小于表3-1給出的容許最大寬厚比，并按表3-2給出的相應公式確定受壓板件的有效計算寬度和有效寬厚比。在計算壓型鋼板截面特征時，如果受壓板件的寬厚比大于有效寬厚比，則應按圖3-4所示位置從毛截面中扣除超出部分來確定其有效截面，并按有效翼緣寬度進行計算。圖3-4受壓翼緣的有效計算寬度（a）無中間加勁肋的兩邊支承板（c）有中間加勁肋的兩邊支承板（b）一邊支承一邊卷邊加勁板（d）一邊支承一邊自由板應當指出，由于σc是未知的，因此計算時可先假定一個σc的初值，然后經(jīng)反復迭代求解be，計算相當繁瑣，而通常情況下組合樓板中采用的壓型鋼板形狀較簡單，在實用計算中，常取be=50。因此，當壓型鋼板受壓翼緣的實際寬度大于有效計算寬度時，截面特征應按有效截面計算。截面的受拉部分全部有效。3.2壓型鋼板截面特征表3-2壓型鋼板受壓翼緣有效計算寬度的公式板元的受力狀態(tài)計算公式兩邊支承，無中間加勁肋兩邊支承，上下翼緣不對稱，

一邊支承，一邊卷邊，

有1～2個中間加勁肋的兩邊支承受壓翼緣，

當

時，

當

時，5.一邊支承，一邊卷邊，

6.有1～2個中間加勁肋的兩邊支承受壓翼緣，

其中

7.一邊支承，一邊自由當

時，

當

時，

當

時，注：be—受壓翼緣的有效計算寬度(mm)；—折減的有效計算寬度(mm)；bt—受壓翼緣的實際寬度(mm)；t—壓型鋼板的板厚(mm)；σc—按有效截面計算時，受壓翼緣板支承邊緣處的實際應力(N/mm2)；E—板材的彈性模量(N/mm2)。3.2壓型鋼板截面特征表3-1受壓翼緣板件的容許最大寬厚比翼緣板件支承條件寬厚比bt/t兩邊支承(有中間加勁肋時，包括中間加勁肋)500一邊支承、一邊卷邊60一邊支承、一邊自由601.施工階段的荷載（1）永久荷載：壓型鋼板、鋼筋和混凝土自重。（2）可變荷載：施工荷載與附加荷載。施工荷載應包括施工人員和施工機具等，并考慮施工過程中可能產(chǎn)生的沖擊和振動。當有過量的沖擊、混凝土堆放以及管線等應考慮附加荷載。可變荷載應以工地實際荷載為依據(jù)。（3）當沒有可變荷載實測數(shù)據(jù)或施工荷載實測值小于1.0kN/m2時，施工荷載取值不應小于1.0kN/m2。3.3施工階段組合樓板承載力及變形計算組合樓板應按施工階段和使用兩個階段分別進行計算。在施工階段，壓型鋼板作為澆筑混凝土的模板，承擔樓板上全部永久荷載和施工活荷載，此時，需按照鋼結(jié)構(gòu)理論對壓型鋼板進行承載力計算和撓度驗算。不應小于1.0kN/m2。3.3.1施工階段承載力計算2.施工階段驗算原則在施工階段，壓型鋼板應按以下原則驗算：（1）不加臨時支撐時，壓型鋼板承受施工時的全部荷載，不考慮混凝土承載作用，即施工階段按純壓型鋼板進行承載力和變形驗算；（2）在施工階段要求壓型鋼板處于彈性階段，不能產(chǎn)生塑性變形，所以壓型鋼板強度和撓度驗算均采用彈性方法計算；（3）壓型鋼板應沿強邊（順肋）方向按單向板驗算正、負彎矩和相應撓度是否滿足要求，弱邊（垂直肋）方向不計算，也不進行壓型鋼板抗