组合结构设计原理 第2版 课件 第2章-结构设计方法及材料性能

第二章结构设计方法及材料性能钢与混凝土组合结构设计原理结构设计原则材料性能本章小结思考题2.12.12.22.2content目录钢－混凝土组合结构采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法进行设计，以可靠指标度量结构的可靠度。按照GB50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》（以下简称《统一标准》），组合结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：(1)能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用（如荷载、外加变形、约束变形等）；(2)保持良好的使用性能，如不发生过大的变形、振幅和引起使用者不安的裂缝等；(3)具有足够的耐久性能，如不发生严重的钢材锈蚀，以及混凝土的严重风化、腐蚀、脱落等而影响结构的使用寿命；(4)当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力；(5)当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。在上述四项功能要求中，第（1）、（4）、（5）项是结构安全性的要求，第（2）项是结构适用性的要求，第（3）项是结构耐久性的要求，安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性，其概率度量称为结构的可靠度。2.1结构设计原则2.1.1组合结构的预定功能1．极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。结构的极限状态分为以下三类：（1）承载能力极限状态

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：1）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；2）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；3）结构转变为机动体系；4）结构或结构构件丧失稳定；5）结构因局部破坏而发生连续倒塌；6）地基丧失承载力而破坏；7）结构或结构构件的疲劳破坏。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法1．极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。结构的极限状态分为以下三类：（2）正常使用极限状态

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：1）影响正常使用或外观的变形；2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其他特定状态。

对结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值。（3）耐久性极限状态

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了耐久性极限状态：1）影响承载能力和正常使用的材料性能劣化；2）影响耐久性的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱等；3）影响耐久性的其他特定状态。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法2．设计状况建筑结构设计时应区分下列设计状况：（1）持久设计状况，适用于结构使用时的正常情况；（2）短暂设计状况，适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况等；（3）偶然设计状况，适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等；（4）地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。建筑结构设计时，对不同的设计状况，应采用相应的结构体系、可靠度水平、基本变量和荷载组合等。对上述四种设计状况应分别进行下列极限状态设计：（1）对四种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；（2）对持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态和耐久性极限状态设计；（3）对短暂设计状况和地震设计状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；（4）对偶然设计状况，可不进行正常使用极限状态和耐久性极限状态设计。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法式（2-1）即为极限状态方程。当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时，极限状态方程可写为：3.极限状态方程和功能函数

极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式。影响结构可靠度的各基本变量，如结构上的各种作用、材料性能、几何参数、计算公式精确性等因素一般都具有随机性，记为符号Xi（i=1,2,

，n）。结构的极限状态可采用包括各有关基本变量Xi在内的函数式来表达：（2-1）（2-2）

其中Z称为结构的功能函数，可用其判别结构所处的状态：图2-1结构所处的状态

当Z＞0时，结构处于可靠状态；

当Z＜0时，结构处于失效状态；

当Z=0时，结构处于极限状态。

结构所处的状态也可用图2-1来表达。当基本变量满足极限状态方程Z=R-S=0时，结构达到极限状态，即图2-1中的45°直线。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法4.结构可靠度与可靠指标结构能够完成预定功能（安全性、适用性和耐久性）的概率称为可靠概率，用ps表示，ps=P(Z＞0)；结构不能完成预定功能的概率称为失效概率，用pf表示，pf=P（Z＜0）。显然，ps+pf=0。用失效概率pf度量结构可靠性具有明确的物理意义，但失效概率pf的计算比较复杂，通常采用可靠指标β来度量结构的可靠性。当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均服从正态分布时，pf和β存在下列关系：

pf=Φ（-β）（2-3）式中Φ（*）为标准正态分布函数。由式可见，可靠指标β与失效概率pf具有数值上的对应关系和相对应的物理意义。β越大，失效概率pf就越小，结构就越可靠。结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等的严重性，将建筑结构划分为三个安全等级。在设计时应采用不同的结构重要性系数γ0。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法另外，结构构件的破坏状态有延性破坏和脆性破坏之分。延性破坏发生前结构构件有明显的变形或其他预兆，而脆性破坏的发生往往比较突然，危害性较大，因此其可靠指标应高于延性破坏的可靠指标。《统一标准》根据结构的安全等级和破坏类型，给出了结构构件持久设计状况承载能力极限状态设计的可靠指标，如表2-1所示。结构构件持久设计状况正常使用极限状态设计的可靠指标，宜根据其可逆程度取0～1.5。持久设计状况耐久性极限状态设计的可靠指标，宜根据其可逆程度取1.0～2.0。表2-1房屋建筑结构的安全等级与结构构件承载能力极限状态设计的可靠指标安全等级破坏后果示例可靠指标延性破坏脆性破坏一级很严重：对人的生命、经济、社会或环境影响很大大型的公共建筑等重要的结构3.74.2二级严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较大普通的住宅和办公楼等一般的结构3.23.7三级不严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较小小型的或临时性贮存建筑等次要的结构2.73.2注：建筑结构抗震设计中的甲类建筑和乙类建筑，其安全等级宜规定为一级；丙类建筑，其安全等级宜规定为二级；丁类建筑，其安全等级宜规定为三级。2.1结构设计原则2.1.2概率极限状态设计方法为了实用上的简便和考虑广大工程设计人员的习惯，《统一标准》采用了由荷载的代表值、材料性能的标准值、几何参数的标准值和各相应的分项系数构成的极限状态设计表达式进行设计。1．承载能力极限状态对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：（2-4）（2-5）式中：γ0—结构重要性系数，对持久设计状况和短暂设计状况，安全等级为一级时，不应小于1.1；安全等级为二

级时，不应小于1.0；安全等级为三级时，不应小于0.9；对偶然设计状况和地震设计状况，不应小于1.0；Sd—荷载组合的效应设计值，如轴力、弯矩、剪力、扭矩等的设计值；Rd—结构或结构构件的抗力设计值；γM—材料性能的分项系数；fk—材料性能的标准值；ad—几何参数的设计值ak，可采用几何参数的标准值。当几何参数的变异性对结构性能有明显影响时，几何

参数的设计值可按下式确定：式中：△a—几何参数的附加量。2.1结构设计原则2.1.3

概率极限状态设计表达式

（1）基本组合对持久设计状况和短暂设计状况，应采用荷载的基本组合。荷载基本组合的效应设计值，应按下式进行计算：（2-6）式中：γGi—第i个永久荷载的分项系数；当永久荷载效应对结构不利时，取1.3；当永久荷载效应对结构有利时，

不应大于1.0；γQj—第j个可变荷载的分项系数，其中γQ1为主导可变荷载Q1的分项系数；当可变荷载效应对结构不利时，

取1.5；γLj—第j个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，其中γL1为主导可变荷载Q1考虑设计使用年

限的调整系数；楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数，应按表2-2采用；SGik—第i个永久荷载标准值Gik的效应；SQ1k—第1个可变荷载标准值Q1k的效应；SQjk—第j个可变荷载标准值Qjk的效应；Ψcj—第j个可变荷载Qj的组合值系数，其值不应大于1。2.1结构设计原则2.1.3

概率极限状态设计表达式

2.1结构设计原则2.1.3

概率极限状态设计表达式

表2-2楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数γL结构设计使用年限5501000.91.01.1注：对设计使用年限为25年的结构构件，应按各种材料结构设计规范的规定采用。应当指出，基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况；当对无法明显判断时，应轮次以各可变荷载效应作为，并选取其中最不利的荷载组合的效应设计值。（2）偶然组合对偶然设计状况，应采用荷载的偶然组合。荷载偶然组合的效应设计值Sd可按下列规定采用：①用于承载能力极限状态计算的效应设计值，应按下式进行计算：（2-8）式中：SAd—按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值；Ψf1

—第1个可变荷载的频遇值系数；Ψqi

—第i个可变荷载的准永久值系数。②用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算的效应设计值，应按下式进行计算：（2-9）

以上组合中的设计值，仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。2.1结构设计原则2.1.3

概率极限状态设计表达式

2．正常使用极限状态对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：（2-10）式中：Sd—荷载组合的效应设计值，如变形、裂缝等的效应设计值；C—设计对变形、裂缝等规定的相应限值。（2-11）

以上组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。(1)荷载标准组合的效应设计值Sd应按下式进行计算：(3)荷载标准组合的效应设计值Sd应按下式进行计算：(2)荷载标准组合的效应设计值Sd应按下式进行计算：（2-12）（2-13）2.1结构设计原则2.1.3

概率极限状态设计表达式

钢与混凝土组合结构中的钢材，宜采用镇定钢，并应具有屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击韧性和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证及冷弯试验的合格保证，以确保结构具有必要的强度、塑性和可焊性的必要条件。钢材宜采用Q345、Q390和Q420低合金高强度结构钢及Q235碳素结构钢，质量等级不宜低于B级，且应分别符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T1591和《碳素结构钢》GB/T700的规定。当采用较厚的钢板时，可选用材质、材性符合现行国家标准《建筑结构用钢板》GB/T19879的各牌号钢板，其质量等级不宜低于B级。当采用其他牌号的钢材时，尚应符合国家现行有关标准的规定。钢板厚度大于或等于40mm，且承受沿板厚方向拉力的焊接连接板件，钢板厚度方向截面收缩率，不应小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313中Z15级规定的容许值。考虑地震作用的结构用钢，其屈强比不应大于0.85，同时钢材应有明显的屈服台阶、伸长率应大于20%。屈强比是指钢材的屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值的比值。对钢材的屈强比进行规定主要是使极限抗拉强度与屈服强度不会太接近，以确保结构具有必要的安全储备并具有足够的塑形变形能力。2.2材料性能2.2.1钢材钢材强度指标按表2-3、表2-4采用。表2-3钢材强度指标（N/mm2）钢材牌号钢材厚度（mm）极限抗拉强度最小值

屈服强度

强度标准值强度设计值端面承压（刨平顶紧）设计值抗拉、抗压、抗弯

抗拉、抗压、抗弯抗剪

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钢材表2-4冷弯成型矩形钢管强度设计值(N/mm2)钢材牌号抗拉、抗压、抗弯

fa抗剪

fav端面承压（刨平顶紧）

fceQ235205120310Q345300175400

钢材的物理性能指标，见表2-5。表2-5钢材物理性能指标弹性模量

Ea（N/mm2）剪变模量

Ga（N/mm2）线膨胀系数

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

注：压型钢板采用冷轧钢板时，弹性模量取1.90×105。2.2材料性能2.2.1钢材表2-6压型钢板强度标准值、设计值(N/mm2)牌号强度标准值强度设计值抗拉、抗压、抗弯

fak抗拉、抗压、抗弯

fa抗剪

favS250250205120S350350290170S5504703952302.2材料性能

压型钢板质量应符合现行国家标准《建筑用压型钢板》GB/T12755的规定，压型钢板的基板应选用热浸镀锌钢板，不宜选用镀铝锌板。镀锌层应符合现行国家标准《连续热镀锌薄钢板及钢带》GB/T2518的规定。

压型钢板宜采用符合现行国家标准《连续热镀锌薄钢板及钢带》GB/T2518规定的S250(S250GD+Z、S250GD+ZF)、S350(S350GD+Z、S350GD+ZF)、S550(S550GD+Z、S550GD+ZF)牌号的结构用钢，其强度标准值、设计值应按表2-6的规定采用。2.2.1钢材手工焊接用焊条应与主体金属力学性能相适应，且应符合现行国家标准《非合金钢及细晶粒钢焊条)GB/T5117、《热强钢焊条》GB/T5118的规定。选择的焊条应。自动焊接或半自动焊接采用的焊丝和焊剂，应与主体金属力学性能相适应，且应符合现行国家标准《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》GB/T5293、《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》GB/T12470、《气体保护电弧焊用嵌钢、低合金钢焊丝》GB/T8110的规定。焊缝质量等级应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205的规定，焊缝强度设计值应按表2-7的规定采用。2.2材料性能2.2.2焊接材料表2-7焊缝强度设计值（N/mm2）焊接方法钢材牌号钢板厚度（mm）对接焊缝强度设计值角焊缝强度设计值焊条型号抗压抗拉

抗剪抗拉、抗压、抗剪

一级、二级三级自动焊、半自动焊和E43××型焊条的手工焊Q235≤16215215185125160（140）>16~40205205175120>40~60200200170115>60~100190190160110自动焊、半自动焊和E50××型焊条的手工焊Q345≤16310310265180200（195）>16~35295295250170>35~50265265225155>50~100250250210145自动焊、半自动焊和E55型焊条的手工焊Q390≤16350350300205220>16~35335335285190>35~50315315270180>50~100295295250170Q420≤16380380320220220>16~35360360305210>35~50340340290195>50~100325325275185注:1.表中所列一级、二级、三级指焊缝质量等级；2.括号中的数值用于冷成型薄壁型钢。2.2材料性能2.2.2焊接材料钢与混凝土组合结构中钢构件连接使用的螺栓、锚栓材料应符合下列规定：（1）普通螺栓应符合现行国家标准《六角头螺栓》GB/T5782和《六角头螺栓—C级GB/T5780的规定；A、B级螺栓孔的精度和孔壁表面粗糙度，C级螺栓孔的允许偏差和孔壁表面粗糙度，均应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205的规定。（2）高强度螺栓应符合现行国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈与技术条件》GB/T1228或《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》(GB/T3632)、《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件》(GB/T3633)的规定；（3）普通螺栓连接的强度设计值应按表2-8采用;高强度螺栓连接的钢材摩擦面抗滑移系数值应按表2-9采用;高强度螺栓连接的设计预拉力应按表2-10采用。（4）锚栓可采用符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/700、《低合金高强度结构钢》GB/T1591规定的Q235钢、Q345钢。2.2材料性能2.2.3螺栓和锚栓表2-8螺栓连接的强度设计值（N/mm2）螺拴的性能等级、锚栓和构件钢材的牌号普通螺栓锚栓承压型连接高强度螺栓C级螺栓A级、B级螺栓抗拉抗剪承压抗拉抗剪承压抗拉抗拉抗剪承压普通螺栓4.6级、4.8级170140－－－－－－－－5.6级－－－210190－－－－－8.8级－－－400320－－－－－锚栓（C级普通螺栓）Q235（165）（125）－－－－140－－－Q345－－－－－－180－－－承压型连接高强度螺栓8.8级－－－－－－－400250－10.9级－－－－－－－500310－承压构件Q235－－305（295）－－405－－－470Q345－－385（370）－－510－－－590Q390－－400－－530－－－615Q420－－425－－560－－－655注：1.A级螺栓于d≤24mm和l≤10d或l≤150mm（按较小值）的螺拴；B级螺栓于d>24mm或l>10d或l>150mm（按较小值）的螺栓。d为公称直径，l为螺杆公称长度。2.表中带括号的数值用于冷成型薄壁型钢。2.2材料性能2.2.3螺栓和锚栓表2-9摩擦面的抗滑移系数表2-10一个高强度螺栓的预拉力(kN)

钢与混凝土组合结构中采用的栓钉应符合国家标准《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》GB/T10433的规定，其材料及力学性能应符合表2-11规定。表2-11栓钉材料及力学性能连接处构件接触面的构件的钢号构件的钢号Q235Q345、Q390Q420喷砂(丸)0.450.500.50喷砂(丸)后涂元机富锌漆0.350.400.40喷砂(丸)后生赤锈0.450.500.50钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.300.350.40螺栓的性能等级螺栓公称直径(mm)M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355材料极限抗拉强度(N/mm2)屈服强度(N/mm2)伸长率(%)ML15、ML15Al

400

320≥142.2材料性能2.2.3螺栓和锚栓2.2.4栓钉钢与混凝土组合结构中应优先采用具有较好延性、韧性和可焊性的钢筋。纵向受力钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRB335热轧钢筋；箍筋宜采用HRB400、HRB335、HPB300、HRB500热轧钢筋。其强度标准值、设计值应按表2-12的规定采用。表2-12钢筋强度标准值、设计值(N/mm2)种类符号公称直径d/mm屈服强度标准值

极限强度标准值

最大拉力下总伸长率

(%)抗拉强度设计值

抗压强度设计值

HPB3006~22300420不小于10270270HRB3356~50335455不小于7.5300300HRB4006~50400540360360HRB5006~50500630435410注：1.当采用直径大于40mm的钢筋时，应有可靠的工程经验；2.用作受剪、受扭、受冲切承载力计算的箍筋，其强度设计值fyv应按表中fy数值取用，且其数值不应大于360N/mm2。

钢筋弹性模量Es应按表2-13采用。表2-13钢筋弹性模量种类EsHPB3002.1HRB400、HRB500、HRB3352.02.2材料性能2.2.5钢筋

（1）型钢混凝土结构构件采用的混凝土强度等级不宜低于C30;有抗震设防要求时，剪力墙不宜超过C60;其他构件，设防烈度9度时不宜超过C60;8度时不宜超过C70。钢管中的混凝土强度等级，对Q235钢管，不宜低于C40;对Q345钢管，不宜低于C50;对Q390、Q420钢管，不应低于C50。组合楼板用的混凝土强度等级不应低于C20。

（2）混凝土轴心抗压强度标准值fck

、轴心抗拉强度标准值ftk应按表2-14的规定采用;轴心抗压强度设计值fc

、轴心抗拉强度设计值ft应按表2-15的规定采用。表2-14混凝土强度标准值

（N/mm2）强度混凝土强度等级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混凝土强度设计值（N/mm2）强度混凝土强度等级C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fc9.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9ft1.101.271.431.571.711.801.