组合结构材料与设计原理.doc

080832
蒋楠
组合结构材料性能与设计方法

Abstract
With the objective of building a structure at minimum cost to meet engineering requirements and improving material utilization, composite structures in which different materials can be arranged in an optimum geometric configuration are greatly developed and studied in these years. Compared with its non-composite counterpart, a composite structure tends to have great stiffness, higher load capacity and higher collapse capacity. To satisfy the practical application, in design, the random nature of loading, the variability of materials and the defects are needed into account. A limit state function Z can be used to determine whether or not the composite structure is safe or unsafe. The purpose of the limit state concept is to provide a unified framework for expressing probability of failure definitions.  The limit state defines the boundary between the safe and unsafe regions of the design space.  In addition, information on the properties of structural steel, concrete and reinforcement is also need to pay some attention. A suitable strength class concrete for composite structures is between C20 and C30. The steel used in composite structures is better to choose Q235 with levels B, C, D or E depending on different situation.

1.概述
组合结构是将两种及两种以上的材料组成的能共同受力、协调变形的结构。它可以充分利用组成结构的材料各自的优点，而克服其缺点，具有承载力高、变形性好且经济合理等优越性，具有十分广阔的应用发展前景。组合结构在结构的受力性能、施工性及经济性方面所具有的特点如下：
1.1受力性能
（1）重量轻、跨度大，可用于高层建筑，为满足安全性及建筑功能要求，结构应具有足够的承载力和必要的刚度。
（2）可以有效利用高强材料和高性能材料。
（3）结构物可形成明确的、可控制的抗塌破坏机构。
1.2劳动生产率和施工性能
（1）可节约材料，减少劳动力的使用。
（2）提高生产效率，保证施工质量。
（3）易于现场管理。
1.3经济性
（1）缩短工期。
（2）降低建设成本。
2．组合结构材料
一般的土木工程结构中使用的材料，有木材、混凝土、钢、塑料、砌块、玻璃等。在组合结构中多采用型钢和混凝土组合而成的结构，如：型钢混凝土（SRC）、钢管混凝土（CFT）、组合桁架等。
将钢和混凝土这两种不同的材料组合在一起形成组合结构，其优点是能将材料单独使用时不能发挥出来的优越性展现出来。钢材在受力是其强度和塑性变形能力都非常好，但在受压时容易发生屈曲破坏。与此相反，混凝土材料的抗压强度高而抗拉强度较低，如果将两种材料组合起来，钢材抗拉强度高和混凝土抗压性能好的优点能得到更好利用。
2.1钢材
钢与混凝土组合结构构件中的钢材，应更具结构特点选择其牌号和材质，并保证抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性和硫、磷含量符合使用要求，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证，以确保结构具有必要的强度、塑性和可焊性的必要条件。
钢材宜选用Q235B、C、D、E等级的碳素结构钢，或Q345B、C、D、E级的低合金高强度结构钢。组合梁中的钢梁可采用Q235、Q345和Q390钢。Q235-A钢不应用于焊接结构，而含碳量C≤0.20%是结构具有良好可焊性的重要保证。重要的焊接构件宜采用碳、硫、磷含量较低的C、D、E级结构钢和D、E级低合金结构钢。
考虑地震作用的结构用钢，其强屈比不应小于1.2，且应有明显的屈服台阶和良好的可焊性。强屈比是指钢材的极限抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值。对钢材的强屈比进行规定主要是为了确保结构具有足够的安全储备和较好的延性。
钢材的强度设计值应根据钢材厚度和直径，按标2-1取用。
表2-1国产钢材的强度设计值（N/mm2）
钢材牌号
钢材厚度（mm）
强度设计值
抗拉、抗压、抗弯
抗剪
端面承压（刨平顶紧）
Q235
≤16
215
125
325
16-40
205
120
40-60
200
115
60-100
190
110
Q345
≤16
310
180
400
16-35
295
170
35-50
265
155
50-100
250
145
Q390
≤16
350
205
415
16-35
335
190
35-50
315
180
50-100
295
170
Q420
≤16
380
220
440
16-35
360
210
35-50
340
195
50-100
325
185
钢材的物理性能指标，见表2-2。
表2-2钢材的物理性能指标
弹性模量E（N/mm2）
剪变模量G（N/mm2）
线膨胀系数α（/℃）
质量密度ρ（kg/m3）
2.06×105
79×103
12×10-6
7850

2.2焊接材料、螺栓及锚栓、栓钉、钢筋
2.2.1焊接材料
手工焊接用焊条应符合现行国家标准《碳钢焊条》（GB/T5117）或《低合金钢焊条》（GB/T5118）的规定，选择的焊条应与主体金属力学性能相适应。自动焊或半自动焊采用的焊丝和焊剂应与主体金属力学性能相适应。对直接承受动力荷载或振动荷载且想要验算疲劳的结构，以及重要性工程，构件板厚或截面尺寸较大，连接节点比较复杂，刚性较大时，宜采用低氢型焊条。当接头采用两种不同强度的钢材时应按强度较低的钢材选用焊条。
2.2.2栓钉
钢与混凝土组合结构中采用的栓钉一般为圆柱头栓钉，其规格应符合国家标准《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》（GB/T10433）的规定。它可用作抗剪连接件、预埋件和锚固件。圆柱头栓钉和钢梁焊接时，应在所焊的母材上设置焊接瓷环，以保证焊接质量。栓钉通常采用相当于Q235的碳素镇静钢制作。在钢和混凝土组合楼盖中常用的栓钉规格有三种，其直径分别为16mm、19mm和22mm。在型钢和混凝土之间传力较大部位需要再型钢上设置抗剪栓钉时，栓钉的直径宜选用19、22mm，栓钉的直径不应大于其焊接的母材钢板厚度的2.5倍，其长度不应小于4倍栓钉直径。栓钉的机械性能，见表2-3。
表2-3栓钉的机械性能
钢号
抗拉强度（MPa）
屈服强度（MPa）
伸长率（%）
Q235
400-500
≥240
≥14

2.2.3钢筋
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HRB335级、HRB400级热轧钢筋，箍筋可采用HPB235级、HRB335级热轧钢筋。
2.2.4混凝土
（1）钢-混凝土组合结构宜采用普通混凝土。
（2）型钢混凝土及钢管混凝土组合结构中采用的混凝土，其强度等级不宜等于C30;组合梁翼缘板采用的混凝土强度等级不宜低于C20宜采用C20-C30。
（3）混凝土材料的强度标准值、强度设计值分别按表2-4和表2-5取用。
表2-4混凝土强度标准值（N/mm2）
强度种类
混凝土强度等级
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
C65
C70
C75
C80
轴心抗压
13.4
16.7
20.1
23.4
26.8
29.6
32.4
35.5
38.5
41.5
44.5
47.4
50.2
轴心抗拉
1.54
1.78
2.01
2.20
2.39
2.51
2.64
2.71
2.85
2.93
2.99
3.05
3.11
表2-5混凝土强度设计
强度种类
混凝土强度等级
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
C65
C70
C75
C80
轴心抗压
9.6
11.9
14.3
16.7
19.1
21.1
23.1
25.3
27.5
29.7
31.8
33.8
35.9
轴心抗拉
1.10
1.27
1.43
1.57
1.71
1.80
1.89
1.96
2.04
2.09
2.14
2.18
2.22
（4）混凝土的弹性模量按表2-6采用。

表2-6混凝土弹性模量（×104N/mm2）
强度等级
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
C65
C70
C75
C80
弹性模量
2.55
2.80
3.00
3.15
3.25
3.35
3.45
3.55
3.60
3.65
3.70
3.75
3.80
（5）混凝土的剪变模量，可按表2-6中弹性模量数值的0.4倍采用。
3．组合结构设计原则
钢-混凝土组合结构采用概率极限状态设计方法，以可靠度指标度量结构的可靠度，采用以多个分项系数表达的使用设计表达式进行设计。
3.1组合结构的功能要求
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）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用（如荷载、外加变形、约束变形等）；
（2）在正常使用时具有良好的工作性能，如不发生过大的变形、振幅和引起使用者不安的裂缝等；
（3）在正常维护下具有足够的耐久性能，如不发生严重的钢材腐蚀，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）在设计规定的偶然事件（如罕遇地震、强风、爆炸、撞击等）发生时及发生后，人能保持必须的整体稳定性。
在上述四项功能要求中，第（1）、（4）两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、适用性和耐久性可概括为结构的可靠性，其概率度量成为结构的可靠度。
3.2极限状态方程和功能函数
极限状态方程是当结构处于界限状态时各有股按基本变量的关系式。影响结构可靠度的各基本变量，如结构上的各种作用和材料性能、几何尺寸等一般都具有随机性，可用符号Xi（i=1,2，…，n）表示。结构的极限状态应采用下列极限状态方程描述：
Z=g（X1，X2，…，Xn）=0
式中Z成为结构的功能函数，当仅作用效应S和结构抗力R两个基本变量时，极限状态方程可写为：
Z=g(R,S)=R-S
通过功能函数Z可以判别结构所处的状态：
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。
3.3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、耐久性）的概率称为可靠概率，用ps表示，ps=P（Z＞0）；结构不能够完成预定功能的概率称为失效概率，用pf表示，pf=P（Z＜0）。用失效概率度量结构可靠性具有明确的物理意义，但失效概率的计算比较复杂，常采用可靠度指标β来度量结构的可靠性，一般而言：
pf=1-ϕ（β）
由此可见，可靠指标β与失效概率pf之间具有数值上的对应关系及相应的物理意义。β越大，失效概率就越小，结构就越可靠。
结构设计时，应根据房屋的重要性，采用不同的可靠度水准。《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）用结构的安全等级来 表示房屋的重要性程度。其中将建筑结构的安全等级划分为三个等级，在设计时采用不同的结构重要性系数γ0。
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，给出了结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标，如表3-1所示。结构构件正常使用极限状态的可靠指标，更具其可逆程度取0-1.5。
表3-1，建筑结构的安全等级与结构构件承载能力极限状态的可靠指标
安全等级
破坏后果
建筑物类型
可靠指标
脆性破坏
延性破坏
一级
很严重
重要的房屋
4.2
3.7
二级
严重
一般的房屋
3.7
3.2
三级
不严重
次要的房屋
3.2
2.7

3.4概率极限状态设计表达式
为了使用上的渐变和考虑广大工程设计人员的习惯，《统一标准》采用了以基本变量标准值和分项系数形式表达的极限状态设计表达式。
3.4.1承载能力极限状态
对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合或偶然组合，用下列极限状态设计表达式：
γ0S≤R
R=R(γR, fk，ak，…)
式中
γ0——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9；
S——承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值，分别表示轴向力、弯矩、剪力、扭矩等的设计值；
R——结构构件的承载力设计值；
γR——材料分项系数；
fk——材料强度的标准值；
ak——几何参数的标准值。
对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：
①可变荷载效应控制的组合
S=γGSGk+γQ1SQ1k+i=2nϕciγQiSQik
②永久荷载效应控制的组合
S=γGSGk+i=1nϕciγQiSQik
式中
γG——永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35，当永久荷载效应对结构有利时，一般情况下应取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算应取0.9；
γQ1，γQi——分别为第1个和第i个可变荷载的分项系数，一般情况下应取1.4，对标准值大于4kN/m2的工业房屋结构的活荷载应取1.3；
SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；
SQik——按可变在和标准值Qik计算的荷载效应值，其中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者；
Φci——可变荷载Qi的组合值系数，除风荷载组合值系数取0.6外，大部分荷载组合值系数取0.7；
n——参与组合的可变荷载数。
对于偶然组合，荷载效应组合的设计值按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。
3.4.2正常使用极限状态
对于正常使用极限状态，应根据不同设计目的，分别按照荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，采用下列极限状态设计表达式：
Sd≤C
式中
Sd——变形、裂缝等荷载效应的设计值；
C——设计对变形、裂缝等规定的相应限值。
变形、裂缝等荷载效应的设计值Sd应符合下列规定：
（1） 标准组合
Sd=SGk+SQ1k+i=2nϕciSQik
2） 频遇组合
Sd= SGk+ϕf1SQ1k+i=2nϕqiSQik
（3） 准永久组合
Sd= SGk +i=1nϕqiSQik
式中
ϕf1——可变荷载Q1的频遇值系数；
ϕqi——可变荷载Qi的准永久值系数。
4．总结
（1）组合结构在规定的使用年限内应满足结构的可靠性。
（2）结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。通过功能函数Z可以判别结构所处的状态。
（3）组合结构的钢材宜选用Q235B、C、D、E等级的碳素结构钢，或Q345B、C、D、E级的低合金高强度结构钢。组合梁中的钢梁可采用Q235、Q345和Q390钢。
（4）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HRB335级、HRB400级热轧钢筋，箍筋可采用HPB235级、HRB335级热轧钢筋。
（5）组合结构宜采用普通混凝土，其强度等级不宜过低。