组合结构材料与设计原理

1、080832 蒋楠 组合结构材料性能与设计方法AbstractWith 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 gieatly developed and studied in

2、these years. Compared with its non-composite counteipart, a composite structure tends to have great stiffhess, liiglier load capacity and higlier collapse capacity. To satisfy the practical application, in design, the random nahire of loading, the variability of materials and the defects are needed

3、into account. A limit state fiinction Z can be used to detemiine whether or not the composite structure is safe or unsafe. Tlie puipose of the limit state concept is to provide a unified framework for expressing probability of failure definitions. Hie limit state defines the boundaiy between the saf

4、e and unsafe regions of the design space. In addition, information on the properties of stnichiral steel, concrete and reinforcement is also need to pay some attention. A suitable strength class concrete for composite structures is between C20 and C30. Tlie steel used in composite stnichires is bett

5、er to choose Q235 with levels B, C, D or E depending on different situation.L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 以充分利用组族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 工性及经齐隹方面所具有的特点如下：1.1受力性能重量轻、跨度大，可用于高层建筑，为离足安全隹及建筑功能要求，结构应具有 足够0勺承载力和必要的冈U度。可以有效利用高强材料和高性材K(3 )结构物可形成明确的、可控制的抗塌

6、破坏机构。1.2劳动生和施工性能可节约材料，减少劳动力的使用。提高生,保证施工质量。(3 )易于现场管理。1.3经济性缩短工期。圈氐建设g组合结构材料一般的土木工程结构中使用的材料，有木材、：最疑、钢、塑料、砌块、玻璃等。 在组合结构中多采用型钢和:最疑土组合而成的结构，如：型钢i最疑土( src )、钢管( CFT )、组合桁架等。捋钢和i昆疑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堕隹变形力都非 常好，但在受压时容易发生屈曲破坏。与此相反，i昆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

7、拉强度高和i豌土抗压性好的优点能得 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，对煌 擦吉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*0.20%段构具有良好可煌性0勺重要保证。重要的焯接构件 宜采用碳、硫、磷含量较低的C、D、E级结构钢和D、E级低

8、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0勺屈服台阶和良好 的可焊性。强屈比是指钢材0勺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吉构具有足够的安全储备和较好的延性。钢材0勺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Ktl值抗拉、抗压、抗弯抗萸端面承压(刨平顶紧)Q2351621512532516-4020512040-6020011560-100190110Q3451631018040016-3529517035-5026515550-10025

9、0145Q3901635020541516-3533519035-5031518050-100295170Q420240142.2.3钢筋钢与混凝土组合结构中应优先采用具有较好延佳、韧性和可煌性0勺钢筋。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混段钢：土组合结构宜采用晋道昆疑土。型钢:豌土及钢管混凝土组合结构中采用的j昆疑土，其强度等级不宜等于C30； 组合梁翼缘板采用的j最疑土强度等级不宜低于C20 ,宜采用C20-C30.(3 )的强度标准值、强度igth直分别按表2-4和表2-5取用。表2-4 j昆凝土强度

10、标准值(N/mm2 )种类温疑C2OC25C3OC35C40C45土强度等级C50C55C60C65C7OC75C80轴心 抗压13.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2轴心 抗拉1.541.782.012.202.392.512.642.712.852.932.993.053.11表2-5混凝土强度设计种类混凝土强度等级C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80轴心抗压9.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9轴心 抗拉1.101.27

11、1.431.571.711.801.891.962.042.092.142.182.22(4 )的弹性模量按表2-6采用。表2-6混凝土弹性模量(xio4N/mm2 )强度等级C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80弹性模星2.552.803.003.153.253.353.453.553.603.653.703.753.80(5 )的剪变模量,可按表2-6中弹性模爨攵值的0.4倍采用。组合结构设计原则钢混凝土组合结构采用略极限状态设计方法，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

12、定的设计使用年限内应满足下列功能要求：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、夕卜加变形、约 束变形等)；在正常使用时具有良好a勺工作性能，如不发生过大的变形、振幅和引起使用者不 安的裂缝等；在正常维护下具有足够0勺耐久性能，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）两项燮吉构安全性的要求，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

13、靠隹，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、几何尺寸等一0殳都具有随机性, 可用符号 （i=l,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（Xi,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）=RS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）;结构不能够完成预定功能的概唏为失效雌，用再表示， Pf=P （ Z (P)由此可见

14、，可靠周祁与失效概率Pf之间具有数值上的对应关系及相应的物理意义。P 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Y。另外，结构构4W勺破坏状态有延性破坏和脆性破坏之分。延佳破坏发生前结构构 彳柯明显的变形或其他预兆，而脆性破坏的发生往往比缺然，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，给出了结构构件承总力极限状态的设计可靠指标,如表31所

15、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0-1.5O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诙物缨可靠指标脆性破坏延性咐级很严重重要的房屋4.23.7二级严重T殳的房屋3.73.2三级不严重次要的房屋3.22.73.4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AM表达的极限状态设计表达式。341承载力极限状态对于承载能力极限状态，结构构件应按荷橱应的基本组合或偶然组合，用下列 极限状态设计表达式：YoSRR=R(Yr, fk z ak,)式中Yo结构重要性系数，对安全等级

16、为一级或设计使用年B艮为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B眇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K艮为s年的结构构件，不应小于0.9 ；S承载力极限状态的荷勃应组合的设计值，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；Yr材料分项系数；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:可变荷载效应控制的组合S=YGSGk+YQiSQik+遂=2 eciyQiSQik永久荷载效应控制的组合SYgSgic+EH gyQiSQik式中Yg永久荷载分项

17、系数，当永久荷橱应对结构不利时，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，Fi况下应取1.0 ,对结构的倾覆、滑移或漂浮验算应取0.9 ;YQ1, YQ.分别为第1个和第I个可变荷载的分项系数，一0殳情况下应取1.4 ,对标 准值大于4kN/m2的工业房屋结构的活荷载应取13;SGk按永久荷载标准值Gk计算的荷勃应值；SQlk按可变在和标准值Q,k计算的荷勃应值，其中、。此为诸可变荷载效应中起控 制作用者；0a可变荷载Q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参与组合的可变荷奉激。对

18、于偶然组合，荷奉徵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，分别按照荷载枚应的标准组合、 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:SdC式中Sd变形、裂缝等荷载妪Z的设计值；C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。变形、裂缝等荷载枚应的设计值Sd应符合下列规定:(1)标准组合Sd=SGk+SQik+S2 (jJciSQik(2)频遇组合Sd= SGk+SSQik+Z 金 2qiSQik(3 )准永久组合Sd= SGk + 金 1 (jjqiSQik式中可变荷载Qi的频谒值系数；S可变