组合结构设计原理 第2版 课件 第1章-绪论

第一章绪论钢与混凝土组合结构设计原理组合结构的定义及分类组合结构与混合结构的发展历史及现状钢与混凝土的组合作用本章小结1.11.11.21.21.31.3content目录

土木工程中较常使用的承重材料有木材、混凝土、钢材、砌体材料、塑料、合成纤维等等，它们中的两种或者两种以上组合在一起，形成能够共同受力、协调变形的结构或构件，就称为组合结构(广义)或组合结构构件。

本书介绍的组合结构主要是由钢材和混凝土组成的钢-混凝土组合结构(狭义的组合结构)。钢材可以分为钢筋和钢骨（型钢）两大类，由钢筋和混凝土组成的钢筋混凝土（简称RC）结构或预应力混凝土结构本质上也属于组合结构的范畴，但因其各成体系。《组合结构设计规范》（JGJ1382016）中定义，组合结构构件是指由型钢、钢管或钢板与钢筋混凝土组合能整体受力的结构构件（狭义，即钢-混凝土组合结构）。1.1组合结构的定义及分类土木工程结构中几种典型的钢-混凝土组合结构

土木工程中较常使用的承重材料有木材、混凝土、钢材、砌体材料、塑料、合成纤维等等，它们中的两种或者两种以上组合在一起，形成能够共同受力、协调变形的结构或构件，就称为组合结构(广义)或组合结构构件。

本书介绍的组合结构主要是由钢材和混凝土组成的钢-混凝土组合结构(狭义的组合结构)。钢材可以分为钢筋和钢骨（型钢）两大类，由钢筋和混凝土组成的钢筋混凝土（简称RC）结构或预应力混凝土结构本质上也属于组合结构的范畴，但因其各成体系。《组合结构设计规范》（JGJ1382016）中定义，组合结构构件是指由型钢、钢管或钢板与钢筋混凝土组合能整体受力的结构构件（狭义，即钢-混凝土组合结构）。1.1组合结构的定义及分类土木工程结构中几种典型的钢-混凝土组合结构如图1-1(a)所示的型钢混凝土（简称SRC）柱是在型钢的周围设置钢筋并浇筑混凝土形成的柱，图1-1(b)为在型钢梁的外围包裹钢筋混凝土而成的型钢混凝土梁，其型钢是埋置在混凝土截面中，两者统称为型钢混凝土构件。图1-1型钢混凝土柱、梁及节点(a)SRC柱(b)SRC梁1.1组合结构的定义及分类(c)某项目SRC节点三维示意图(d)某项目SRC节点施工照片在钢管中填入混凝土而成的钢管混凝土（简称CFST）柱（图1-2），又可分为圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱。图1-1型钢混凝土剪力墙截面构造(c)圆CFST柱

(d)方CFST柱1.1组合结构的定义及分类（a）圆形钢管混凝土（b）方形钢管混凝土（c）矩形钢管混凝土图1-2钢管混凝土（d）钢管混凝土应用于高层建筑（e）钢管混凝土应用于桥梁1.1组合结构的定义及分类图1-3所示为将RC板与钢梁以一定的方式结合起来而成的组合梁，其型钢通常是非埋入式的，我们通常所讲的钢-混凝土组合梁即是指该种形式的梁。除了柱和梁之外，在压型钢板上浇筑混凝土使之一体化而形成的组合板（图1-4）、在RC抗震墙中设置钢板（或钢斜撑）或在其中埋入钢骨的组合墙（图1-5）等都是组合结构构件的形式。图1-3钢-混凝土组合梁图1-4压型钢板-混凝土组合楼板图1-5钢-混凝土组合剪力墙由组合结构构件组成的结构，以及由组合结构构件与钢构件、钢筋混凝土构件组成的结构，称为组合结构。也就是说，可以采用钢骨（S）、钢筋混凝土（RC）、型钢混凝土（SRC）或钢管混凝土（CFST）进行任意的形式的构件组合，例如，可以采用SRC柱-SRC梁（图1-6）、SRC柱-钢梁（图1-7）、CFST柱-RC梁（图1-8）、SRC柱-钢梁（图1-9）、CFST柱-SC梁（图1-10）、RC柱-钢梁（图1-11）的组合方式，也可以采用含组合梁的钢框架结构、含SRC柱的钢框架结构或含CFST柱的钢框架结构，这些都是不同组合构件之间的组合。1.1组合结构的定义及分类图1-9CFST柱-S梁图1-11RC柱-S梁图1-10CFST柱-SC梁图1-6SRC柱-SRC梁图1-7SRC柱-S梁图1-8SRC柱-RC梁1.1组合结构的定义及分类图1-12SRC-RC转换柱图1-13S-SRC-RC混合框架而结构系统的组合或混合，例如，高层建筑的上部采用RC结构而下部采用SRC结构（图1-8），或者上部楼层采用钢（S）结构，其余的地面以上部分采用SRC结构，地面以下到基础部分采用RC结构（图1-9），都是在高度方向上由不同类型的结构进行组合。此外，由RC墙和S框架组成的结构、以及由S墙和RC框架组合而成的结构等在实际工程中也多有应用。

图1-14外部S框架-RC核心筒混合结构图1-15外围RC框架-内部钢框架混合结构钢-混凝土组合结构或混合结构与一般由单一材料组成的结构不同，它可以充分发挥钢材与混凝土两种材料各自的优点，而克服其缺点，具有承载能力高、刚度大、变形性能好等突出特点，且造价相对较低、施工便捷，因而具有十分广阔的应用和发展前景。1.1组合结构的定义及分类近些年，在高层或超高层建筑中还出现了由钢框架（框筒）、型钢混凝土框架（框筒）、钢管混凝土框架（框筒）与钢筋混凝土核心筒体所组成的共同承受水平和竖向作用的混合结构，它们是在平面上由不同结构组合而成的结构形式，如外部S框架-内部核心筒混合结构（图1-14）、外围RC框架-内部钢框架混合结构（图1-15）。（1）型钢混凝土型钢混凝土（SRC）结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，起源于欧美，其最早的型式是在钢构件外包裹砖砌体，砖主要作为钢材的防火材料，其后砖砌体逐渐被混凝土构件尤其是钢筋混凝土构件所取代，形成了型钢混凝土结构，其承载力显著提高。

在日本，由内藤多仲设计的兴业银行是一幢地下1层，地上7层，高约30m的型钢混凝土结构房屋，它建成于1923年并经历了同年9月发生的关东大地震。震后的震害调查发现，外包砖钢结构、钢筋混凝土结构、砖砌体结构都发生了较大的破坏，而兴业银行基本没有损坏，从此以后，SRC结构优越的抗震性能逐渐被人们所认知，并在6~9层的多高层建筑中得到应用。从1991年至1995年5年间平均每年建造的建筑物数量来看，6层以上房屋采用SRC结构的栋数占总数的27%，建筑面积占全部的45%，可见SRC结构已成为日本高层建筑的主要结构形式。但是1995年1月发生的兵库县南部地震中，有32幢SRC结构的房屋发生较严重的破坏。经调查，发现倒塌的房屋都是1975年以前建造的，其柱子均采用空腹式配钢柱，而1975年以后建造的采用实腹式配钢的SRC结构房屋基本没有破坏。目前SRC结构主要用于中、高层住宅及办公楼等抗震建筑中。

前苏联对型钢混凝土结构的研究也相当重视，并在第二次世界大战后的恢复重建中，大量地使用型钢混凝土结构建造主厂房。

我国自20世纪80年代中期以后，掀起了型钢混凝土结构的研究热潮，在90年代末和21世纪初相继颁布了型钢混凝土结构的设计标准，促进了这种结构在我国的推广应用。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状（2）钢管混凝土钢管混凝土（CFST）结构的应用由来已久，最早于1879年英国建造的Severn铁路桥的桥墩中即有采用，在钢管内浇灌混凝土以防止钢管内部锈蚀。

20世纪初，美国在一些单层和多层厂房中采用了圆钢管混凝土柱作为承重柱。60年代以后，前苏联、欧美及日本等一些工业发达国家对钢管混凝土开展了大量的试验研究和理论分析，阐明了套箍作用及其工作机理，并用极限平衡法推导出钢管混凝土轴心受压短柱承载力的计算公式。

日本在20世纪50年代开始将钢管混凝土用于地铁车站的承重柱，60年代又用于送变电塔的弦杆中。在建筑结构中采用钢管混凝土是在20世纪70年代，至90年代进入建设的高峰期，各种高度、各类用途的建筑物均有采用钢管混凝土的结构，其抗震性能非常优越。兵库县南部地震中，在建筑物破坏最严重的神户市三宫地区，至少有5栋7~12层的CFT建筑物没有发生破坏。CFT结构现在在日本已经非常普及，在东京，21世纪最初的3年中，采用CFST结构建造的高度在100m以上的房屋就有20余栋。

我国自20世纪70年代以后，在冶金、造船、电力和市政等行业的工程建设中也已开始广泛推广和应用钢管混凝土结构，目前，钢管混凝土结构已发展成为强风、强震区高层、超高层建筑和大跨拱桥结构的一种重要结构形式。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状（3）钢-混凝土组合梁在国外，钢与混凝土组合梁最早应用于桥梁结构中，前苏联于1944年建成了第一座组合公路桥。

我国自20世纪50年代开始，已将钢与混凝土组合梁应用于工业与民用建筑及桥梁结构中，进入20世纪80年代，组合梁的应用范围已涉及（超高层）建筑、桥梁、高耸结构、地下结构、工程加固等各个领域，取得了良好的效果。

人们对混凝土板与H型钢通过抗剪连接件连接在一起形成的组合梁的研究和开发，始于20世纪50年代左右。最初，组合梁基本上是按换算截面法进行计算，即将组合梁视为一个整体，先将组合截面换算成同一材料的截面，然后根据弹性理论进行截面设计。60年代以后，则逐渐转入塑性理论进行分析，重点研究抗剪连接件的计算方法、组合梁的静、动力性能、部分抗剪连接组合梁的工作性能、连续组合梁、预应力组合梁的受力性能以及钢梁与混凝土翼板交界面上的相对滑移对组合梁受力性能的影响等。近年来，我国许多研究单位又对钢—高强混凝土组合梁、预应力钢—混凝土组合梁、压型钢板混凝土组合梁以及组合梁的竖向抗剪性能、组合梁的弯剪扭复合受力性能等进行了大量的试验研究，丰富了钢—混凝土组合梁的形式，拓宽了其应用范围。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状（4）压型钢板-混凝土组合板

20世纪60年代，欧美等一些西方国家和日本开始将压型钢板与混凝土形成的板应用于多、高层民用建筑和工业厂房，当时仅把压型钢板当作永久性模板及用作施工作业的平台。后来人们认识到，在压型钢板上做出凹凸肋或压出不同形式的槽纹，可以改善钢板与混凝土之间的粘结性能，保证两者的共同工作，使压型钢板象钢筋一样受拉或受压，为此开展了大量的试验研究与理论分析，探讨了压型钢板受压翼缘有效宽度的计算方法、组合板纵向剪切黏结承载力计算方法，以及组合板正截面抗弯、斜截面抗剪、抗冲切承载力及耐火等性能。20世纪80年代中期，压型钢板与混凝土组合板引入我国，广大科技工作者对压型钢板的板型、加工工艺、抗剪连接设计，以及压型钢板与混凝土组合板的破坏模式、承载力计算、挠曲变形的实用计算方法、组合板在一定耐火时限内温度变化与变形发展规律等进行了大量的研究和应用开发。目前，我国的一些高层钢结构房屋的楼盖系统中已广泛采用了压型钢板与混凝土组合板。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状（5）组合剪力墙组合剪力墙包括型钢混凝土剪力墙、钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土剪力墙，以及带型钢（钢管）混凝土边框的剪力墙等多种类型。日本在1987年修订的型钢混凝土结构设计规范(AIJ-SRC)中就给出了关于剪力墙的计算公式。Yamada、Kwan、Matsumoto等对各种型钢混凝土组合剪力墙的承载机制、破坏特征、刚度退化、抗震性能等进行了探讨；美国加州洛杉矶大学的Wallace研究了边缘构件中埋入宽翼缘型钢的组合剪力墙的滞回特性，并进行了拟合分析。我国自20世纪90年代开始，对型钢混凝土剪力墙的抗弯性能、抗剪性能、极限变形，以及洞口、边框、内藏钢桁架对剪力墙抗震性能的影响规律进行了系统研究，《型钢混凝土组合结构技术规程》中编入了型钢混凝土剪力墙设计的内容。钢板混凝土组合剪力墙由内填钢板和一侧或者两侧现浇或者预制钢筋混凝土板组成，它们之间通过抗剪连接件（如栓钉）进行连接。美国加州伯克利大学的Astaneh-Asl等对钢框架填充单侧钢板-混凝土组合剪力墙进行了研究，并提出一种改进的措施，即在混凝土墙板和钢框架之间留缝，以减轻混凝土材料的破坏。日本的Emori、Wright等对双面钢板内填混凝土的组合剪力墙进行了抗压和抗剪性能试验。我国于1995年较早开展了钢板外包混凝土剪力墙在低周反复荷载作用下的试验研究。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状目前，带钢管混凝土边框的组合剪力墙主要有2种形式，一种是带钢管混凝土边框的钢板剪力墙，即在钢管混凝土框架中内嵌一块钢板；另一种是带钢管混凝土边框的钢筋混凝土组合剪力墙。1999~2001年，美国加州伯克利大学的Astaneh-Asl和Zhao等进行了带钢管混凝土边框的钢板剪力墙模型的抗震性能试验，表明这种剪力墙具有良好的延性和耗能能力。2004年开始实施的《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159)给出了带矩形钢管混凝土边框的剪力墙的设计方法。2008年之后，我国的一些科研单位又对钢管混凝土边框-钢板（组合）剪力墙或内藏斜撑肋钢板组合墙进行了低周反复加载试验，对这种组合墙的承载力、延性、刚度及其衰减、滞回特性、耗能能力及破坏特征等进行了研究，建立了组合墙体承载力计算模型。（6）钢－混凝土混合结构1972年在美国建造的GatewayⅢBuilding是世界上较早的一幢钢－混凝土混合结构房屋，该建筑35层，总高137m，采用了RC核心筒混合结构。二十世纪八十年代，上部采用钢（S）结构、下部采用SRC结构而地下部分采用RC结构的建筑物，或者在10层左右的办公楼建筑中，上部6层左右采用RC结构、下部其余几层采用SRC结构的工程在日本也相继出现。以前，钢结构建筑的柱和梁都采用钢构件，SRC结构的柱和梁都采用SRC构件，而近年来柱采用SRC构件、梁采用钢构件，或者柱采用RC柱、梁采用钢梁的各类组合或混合结构在工程中也日渐普及。

由于钢、RC或SRC结构的刚度、承载力、延性等均不相同，根据各种材料各自的特性，选择合理且经济的结构形式很有必要。例如在超高层建筑的上部采用钢（S）结构，则可以减小结构重量并降低地震作用。1.2组合结构与混合结构的发展历史及现状将钢材和混凝土这两种不同的材料组合在一起形成组合结构，其优点是将两种材料各自的优越性充分展现出来。钢材在受拉时其强度和塑性变形性能都非常好，但在受压时钢材容易发生屈曲破坏。而混凝土材料能承担较大的压力，但是混凝土抗拉强度较低。如果将这两种材料组合起来形成构件，其抗拉和抗压方面的优越性能都能得到发挥，两种材料得到了充分利用。1.3钢与混凝土的组合作用混凝土提高钢材的稳定性为了使钢材和混凝土能够组合在一起，形成具有良好受力性能的组合结构，两种材料必须形成一个整体共同工作，其前提是钢材与混凝土之间存在粘结力，依靠二者的粘结作用来传递内力。钢与混凝土之间的组合效应一般反映在两个方面:一是能起到传递钢材与混凝土界面上纵向剪力的作用;二是还能抵抗钢材与混凝土之间的掀起作用。1.3钢与混凝土的组合作用PI型钢混凝土组合梁中的界面相互作用（组合效应）图1-16无连接的叠置梁下面就对这种组合作用及其基本原理进行介绍。

假设两根匀质、材料和断面都相同的矩形截面梁叠置在一起，两者之间无任何连接，梁的跨中作用有集中荷载P，每根梁的宽度均为b，截面高度为h，跨度为l，如图1-16所示。由于两根梁之间为光滑的交界面，只能传递相互之间的压力而不能传递剪力作用，每根梁的变形情况相同，均只能承担1/2的荷载作用。按照弹性理论，每根梁跨中截面的最大弯矩均为Pl/8，最大正应力发生在各自截面的最外边缘纤维处，其值为：1.3钢与混凝土的组合作用图1-17截面应力分布（a）正应力（b）剪应力无剪切连接完全剪切连接σmaxτmaxl/2l/2Pl/2hh(1-1)

沿截面高度的正应力分布如图1-17（a）中实线所示。最大剪力为V=P/4。根据材料力学可知，梁截面沿高度方向剪应力的分布如图1-17（b）中实线所示。每根梁的剪应力呈抛物线形分布，最大剪应力发生在各自的中和轴处，其值为：

此时跨中的最大挠度为：

如果两根梁之间可靠连接，完全组合在一起而没有任何滑移时，则可以作为一根截面宽度为b、高度为2h的整体受力梁来计算。此时，跨中截面的最大正应力为：(1-2)(1-3)(1-4)1.3钢与混凝土的组合作用(1-5)与（1-1）式相比可知，组合后梁的最大正应力仅为无黏结叠置梁最大正应力的1/2，中和轴在两根梁的交界面上，应力分布如图1-17（a）中虚线所示。组合梁截面的最大剪应力为：与（1-2）式相比可知，组合梁的最大剪应力与无组合的梁的最大剪应力在数值上相等，不过并非发生在上、下梁各自截面高度的1/2处，而是发生在两根梁的交界面上，即组合梁截面高度的1/2位置处。此时沿截面高度剪应力的分布如图1-17（b）中虚线所示。从总体上看，剪应力的分布趋于均匀。跨中最大挠度为：与（1-3）式相比可知，组合梁的跨中挠度仅为无组合梁跨中挠度的1/4。以上例子说明，通过将两根梁组合在一起，能够在不增加材料用量和截面高度的情况下，使构件的正截面承载力和抗弯刚度均显著提高，亦即构件的受力性能得到显著改善。(1-6)1.3钢与混凝土的组合作用无抗剪连接的叠置梁，荷载作用后的变形如图1-18所示。由于上梁底面纤维受拉而伸长，下梁顶面纤维受压而缩短，原来界面处上、下梁对应各点产生了明显的纵向错动，即产生了相对滑移。如果要使上下梁完全连接成整体，可采用以下几种方法：

（1）如果是木梁连接，可采用结构胶或其他界面粘合剂（图1-19(a)）；（2）采用机械连接的方法，在上下梁界面上设置足够强度和刚度的抗剪连接件（图1-19(b)），如钢与混凝土组合梁的连接；（3）采用对拉螺栓的方法（图1-19(c)），依靠螺栓的抗剪作用及界面的摩擦力，使得上下梁协调变形；（4）通过端部连接，阻止上下梁的相对滑动，保证二者共同工作（图1-19(d)）。如SRC构件的两端通过节点与其他构件相连，则钢骨与RC部分之间不产生滑移。图1-18非组合梁的变形图1-19组合连接的方法(a)(b)(c)(d)1.3钢与混凝土的组合作用对钢与混凝土组合结构而言，设置在型钢与混凝土之间的抗剪连接件还有另一功能，即抵抗钢与混凝土交界面上的掀起力。以图1-20为例，AB梁叠置于CD梁上，其上作用有集中荷载P。如果AB梁的抗弯刚度比CD梁的抗弯刚度大很多，则CD梁所产生的挠曲变形远远超过AB梁的变形，则二者