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第1章

导言

1.1组合梁和板

在建筑和桥梁结构设计中，主要涉及在承重水平面上的提供和支持。除了在一些大跨度结构中，其地板或甲板通常是由钢筋混凝土组成的，因为没有其他材料提供了一个更加低成本，高强度，耐腐蚀，磨损和火灾的组合。

一个钢筋混凝土板的经济跨径要小于其厚度足以抵抗这一点它可以在建筑物内的荷载及提供声音绝缘要求的跨径。超过几米的跨度，去支撑梁板、肋或壁比增加厚度更经济。梁或肋也是混凝土浇筑的，施工的整体性使得大量的宽板作为翼缘顶支撑梁的翼缘。

在火灾中，特别是跨度超过约10米钢材容易失去强度不是一个难以克服难题。因为在大多数桥梁中，钢梁往往比混凝土梁经济。起先，人们在设计的钢结构的时候，认为由钢材承担整体混凝土板重量及其承载力，但是在1950年的时候，剪力连接件的发展使其在梁的连接上是可行的，所以在混凝土施工中通常起到T梁的作用。在本书中所使用的术语“组合梁”指的是这种类型的结构。

在预应力和现场浇筑混凝土共同作用的梁中使用相同的术语，还有许多其他的例子在结构中的作用，如砖墙和梁之间的作用，或在钢框架棚和它的包层之间的作用，但这些都是这本书的范围之外。

投资一个多层建筑如大型办公楼，在它被租用之前并不会使投资方获得收益。对于一个建筑物来说，典型楼层的的施工时间极大的影响整体的施工进度，在这里结构钢对于现浇混凝土中具有优势。

即使是在永久性钢模板上，也可以节省更多的时间。钢模板起先是作为一个工作平台，稍后又可以作为底板加固。这种被称为异形压型钢板的模板，最开始是在美国北部开始被使用的[ 1 ]，现在是作为标准在欧洲和其他地方的实行。有些地板的跨度只有一个方向，被称为组合板。而当钢板是平的且是双向延伸的，这些结构被称作符合板。这些情况都在箱梁桥中才会出现。

钢压型钢板和偏厚的预制混凝土板被称为结构模板。有时使用纤维增强水泥或塑料异型布。在设计过程中，它对成品板的强度所作出的贡献通常是被忽略的。

必须提供的防火等级是另一个因素，这个因素影响了在混凝土、钢结构与混凝土这些结构之间的选择。这时候，混凝土有一个优点。对于开放式多层停车场，一个中等数额的办公楼，和最重要的公共建筑和仓库来说需要很少或根本不用防火保护。经过长时间的发展，有很多方法用于提供钢结构防火。

设计防火和耐火性的预测被称为消防工程[2]。几个欧洲规范的1.2部分致力于它。全部或部分钢筋混凝土相对于是一种经济的结构,因为套管使柱更强。全套钢梁曾经被广泛使用 ,现在却比使用轻质非结构性材料更昂贵。在梁的架设完成的外包混凝土的网在欧洲大陆比英国更常见，它被写进了欧洲标准中（EN 1994-1-1 [3]）。它提高了构件的屈曲阻力（4.2.4）以及提供消防。

对于一个特殊的结构，在钢，混凝土和复合材料施工之间的选择取决于许多因素，但这些都不在本书的内容中。对于一个混凝土板或桥面的中、大跨度结构，因为其他原因，在那里有一个快速建设的溢价，和在低或中等水平的防火钢结构是足够的，复合材料施工是特别有竞争力的。

1.2组合柱和框架

在钢框架柱首先被包裹在混凝土保护他们免受火灾，如果它们是裸露出来的，它们就是设计出来去承担负载的。当时发现，装箱减少列的有效长径，可以增加了其能够承担的屈曲荷载。一些减少长细比的实证法仍然存在一些钢结构设计规范中。

这个简单的方法是不合理的，因为装箱也有承担轴向载荷和弯矩。更合理的方法，通过测试验证，给出在欧洲标准EN 1994（5.6）

一个组合柱，通过填充钢管混凝土，也可以不使用模板。一个著名的早期使用填充管（1966）是在一四级高速公路交汇处[ 4 ]。它们设计是包含在第5.6.7部分。

在框架结构中，有可能是钢构件，组合梁，复合柱，或所有这些，有许多类型的梁柱节点。它们的状态包括从“铰接”到“刚接”，并影响整个框架的弯矩。上世纪60年代初，在英国建造了具有刚性连接的复合框架结构，剑桥的一个[ 5 ]和一个在伦敦[ 6 ]。目前的做法主要是用铰接。在建筑物中，为使节点足够坚固要把它变成刚节点，但这样做很贵。即使有很多有足够的刚度，接头通常被视为管脚，以减少挠度到一个有用的程度。深入研究近年来[ 7，8，9 ]使钢组合框架节点是欧洲标准3 [ 10 ]和4给予全面的设计规则。其中一些导致了大量的计算，但他们提供的基础设计在使用时，可能会带来半刚性连接的使用。

1.3 设计理念和欧洲标准

1.3.1 背景

在设计中，必须考虑荷载的随机性材料的变异性及施工中的缺陷减少不安全或失败的概率结构中，它的设计寿命为可接受的低水平。这一主题的广泛研究，因为约1950已经导致了一个全面的极限状态的设计理念的产生，代替了旧的“安全系数”和“负载因素”的设计方法。它的第一个重要应用在英国的标准是在1972，在CP 110，《混凝土结构的应用》。它是用在所有当前的英国结构设计规范。

第一次世界大战开始后，钢结构混凝土结构就开始投入使用了。一个复合材料结构委员会，在1971成立，编写了1981 [ 11 ]的模型规范。从1982年开始，欧盟委员会已经支持欧洲标准的使用，并已授权的欧洲标准化管理（CEN），总部在布鲁塞尔。这是国家标准机构协会（NSIS）的欧盟国家，比如欧洲自由贸易区和越来越多的来自中欧和东欧的其他国家。

欧洲标准1990至1999，超过50的部分，每一个国家附录，一直在被发表，从2002到2007，正如序言中解释的。与这本书最相关的是作为参考文献3，10和12～16，由英国标准学会在英国在预期或实际日期出版。它们提供了一个连贯的系统，在这信息的重复已减至最低。举个例子，欧洲标准1994参考了欧洲标准1990，《结构设计基础》[ 12 ]，用于设计理念，大多数定义，极限状态要求，以及荷载和其他行为的部分因素的值。

不依赖于材料的负载和其他作用的值用于结构（绝大多数）被写在了欧洲标准1991

中，《结构中的作用》[13]。适用于钢材和复合材料结构的所有规定都在欧洲标准1993，《钢结构的设计》[15]。相似的，对于混凝土来说，欧洲标准1994参考但是没有重复欧洲标准1992，

《混凝土结构设计》[14]。

即使是在欧洲标准4中，应用在建筑物和桥梁中的材料是由区别的，对于建筑物是一套标准，对于桥梁又是另一套标准。在欧洲标准1994-1-1中，第一个建立的是通用条款，第二个建立的是对于建筑物的条款，第三个建立的是对于桥梁的条款。欧洲标准1994-1-2 [16]部分是关于防火设计的，对于材料的高温性能在欧洲便准1992和欧洲标准1993有合适的交叉引用。对于基础的设计包含在欧洲标准1997，《岩土工程设计》。对于抗震设计包含在欧洲标准1998，《抗震结构设计》。

这本书介绍了理论，方法和“通用”模式和适用于建筑物欧洲规范4的规则，包括从有关资料欧洲规范1，2和3，但并未提及或特定评论条款。在欧洲标准1994-1-1的注释将会在参考文献，并且在相关“设计”指南中的其他代码“，如文献[18]。在2004年，英国现行的最相关的这本书是第3部分：第3.1节和BS5950[19]的第4部分。和欧洲标准1994相比，它们有很多通用之处，因为它们是平行发展的，但是它们的范围更窄。举个例子来说，柱，网包裹梁，箱梁不包括。

1.3.2 极限状态设计理念

1.3.2.1 基本设计和作用

欧洲标准1992，1993和1994的1.1部分有一个第二节，基础设计，它参考了欧洲标准 1990中的极限状态设计中使用的标准。在第四节，基本变量，将这些行动，环境影响，原材料和产品的性能，和几何尺寸（例如，初始垂直一列）。各种作用也是的：

·直接作用（施加于结构的力或荷载）

·间接作用，例如，通过地基的沉降、温度的变化或混凝土的收缩等来施加在结构上的变形。

“作用”的含义比“负载”更加广泛。同样的道理，在欧洲规范术语中“作用效果”比“应力的效果”有更广泛的意义，因为它包含了压力、应变、变形、裂缝宽度等等，以及弯矩、剪力等。欧洲规范的术语“内力”指的是内力或力矩。这本书在下面介绍的设计实例是极限状态设计方法。在设计中有两种极限状态：

最终的极限状态（ULS），与结构失效相关联的，无论是破裂，破碎，屈曲，疲劳或倾覆等等

·使用的性极限状态（SLS）,例如混凝土的过大变形、振动或裂缝宽度等。

按任意两种类型极限状态设计在施工，或维修，或从超载，耐久性方面都无法达到最佳的

的结果。

有三种类型的设计情况：

·永久状态设计，对应于正常使用；

·暂时状态设计，例如在施工过程中，翻新或修补；

·偶然情况设计，意外，如火灾，爆炸或地震。

有三种主要类型的作用效应：

·永久作用（G或者g） ，如结构的自重（以前被称作恒载）,包括结构自重;

·可变作用（Q或者q）,比如结构附加荷载、风荷载、雪荷载（以前被称为活载），包括预期的温度变化。

·偶然作用（A），如从车辆和火灾高温的影响。

空间的变化也是一种作用：

·固定作用（典型的永久行动）；

·自由作用（典型的其他行动），并意味着该作用与发生在该地区的一部分或长度有关。

永久作用由一个特定值Gk.表示。这个“特征值”意味着一个确定的统计分布假设的分点，

作为一个随机变量模型。永久荷载，它通常是平均值（50%）

可变作用有四个代表值：

·特征值(Qk)，通常5%以上；

·组合值(gamma;0Qk)，因为使用的行动被假定为伴随着另一个变量的行动，这是“主导作用效应”的设计的终极价值；

·频遇值(gamma;1Qk)，例如，每周至少发生一次的作用；

·准永久值(gamma;2Qk)。

对于组合因素psi;₀推荐值，psi;₁和₂（均小于1）都被给出在欧洲标准1990中。准确的值通常被给出在国家标准的附录中。例如，在办公室地板上施加荷载，推荐值是psi;₀ = 0.7，psi;₁= 0.5

和psi;₂ = 0.3。

作用的设计值，在一般情况下，Fd gamma;FFk，并且有特别的公式:

Gd gamma;GGk (1.1)

Qd gamma;_QQk 或者 Qd gamma;_QPsi;iQk (1.2)

部分作用的分项系数gamma;_G和gamma;_Q被写在在欧洲标准1990和各个国家规范的附录中。它们取决于所考虑的极限状态，以及考虑该行动是否有不利的或有利的（即，倾向于增加或减少）的作用效果。在这本书中使用的这些值被给出在表1.1中。作用的效果是结构对作用的反应：

Ed E(Fd) （1.3）

表1.1 在永久状态下的gamma;_G和gamma;_Q

*除了检查损失的平衡，或变异系数较大

变量E代表结构分析过程。其中的效果是一个内部力量或力矩，验证为极限状态包括检查：

gamma;_dle;R_d （1.4）

gamma;_d指系统或部件或截面的相关设计阻力。

1.3.2.2 阻力

阻力，R_d，是有材料性能的设计值计算的，X_d。由公式：

X_d=X_k/gamma;_m

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