第一章 绪论
1.1组合结构简介与分类
同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。由于组合结构相对于传统的单一结构而言，在工程稳定性、力学性能等方面都有较为显著地优越性，因而在国内外的工程中有着比较广泛的应用。目前国内外常用的组合结构有：（1）压型钢板与混凝土组合楼板；（2）钢与混凝土组合梁；（3）型钢混凝土结构（也叫劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构（6）组合砌体结构等几类。钢管混凝土结构在轴向压力下，混凝土受到周围钢管的约束，形成三向压力，抗压强度得到较大提高，故钢管混凝土被广泛地应用到高轴压力的构件中。外包钢结构在前苏联研究最早，应用最广泛，近年来我国主要在电厂建筑中推广使用了这种结构，取得不少工程经验和经济效益。现浇混凝土多层框架结构及楼板需满堂红脚手架和满铺模板，而采用组合结构柱、型钢混凝土梁和压型钢板与混凝土组合楼板等足以克服这些缺点，有较好的技术经济效益。由于组合结构有节约钢材、提高混凝土利用系数，降低造价，抗震性能好，施工方便等优点，在各国建设中得到迅速发展。我国对组合结构的研究与应用虽然起步较晚，但发展较快，目前有些已编入规范，有些已编成规程，对推动组合结构在我国的发展起到积极作用。
1.2组合结构的发展历史与应用现状
组合结构的雏形最早于1894年出现于美国，当时出于防火的需要在钢梁外面包混凝土，但并未考虑混凝土与钢的共同受力。具有现代意义的钢一混凝土组合梁出现于20世纪20年代，并在30年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法。1908年美国首先对外包混凝土的钢柱进行了试验，此后的一系列研究证明混凝土的存在可以提高柱的承载力。60年代后当钢管结构得到应用后不久，又出现了在钢管内填充混凝土的钢管混凝土结构。由于两种材
料之间的相互约束作用，钢管混凝土的性能比外包混凝土柱显著增强。早期的组合结构主要采用钢材与混凝土两种材料，将钢梁、混凝土板、钢管、钢骨等不同构件单元组合在一起共同工作。随着压型钢板、玻璃、FRP等新型材料以及高强度合金、高性能混凝土的开发应用，近年来组合结构的类型也在不断扩大。
随着组合结构的推广应用，在相关研究工作的基础上，部分国家也制订了多部有关组合结构的设计规范。1944年，美国AASHTO规范首次列入了有关组合梁的设计条文。美国AISC、加拿大建筑设计规范、德国DINl078分别在1952年、1953年和1954年首次列入有关组合梁的设计条文。1981年由欧洲国际混凝土委员会(CEB)、欧洲钢结构协会(ECCS)、国际预应力联合会(FIP)以及国际桥梁与结构工程协会(MBsE)共同组成的组合结构委员会颁布了组合结构规范(Composite Structures，Model Code)。以该规范为基础进行修订和补充，欧洲标准委员会(CEN)于1994年颁布了欧洲规范4(ECA)，这是目前世界上关于钢。混凝土组合结构最完整的一部设计规范，为组合结构的研究和应用作了比较全面的总结，并指出了今后的发展方向。我国在1974年颁布的《公路桥涵设计规范(试行)》第五章中首次提到了组合梁的设计概念，并于1986年颁布的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中对有关组合梁的内容进行了补充。1988年，我国《钢结构设计规范》(GBJ17—88)首次列入了一章“钢与混凝土组合梁”的内容，标志着钢一混凝土组合梁在我国的应用开始受到广泛的重视。随后，《钢一混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》、《钢管混凝土结构设计与施工规程》、《钢骨混凝土结构设计规程》、《钢．混凝土组合结构设计规程》等一系列规程的颁布对促进组合结构在我国的发展起到了重要作用。2003年颁布实施的《钢结构设计规范》(GB 50017--2003)中有关组合梁一章的内容，在原规范基础上得到了进一步的充实和拓宽，增加了叠合板组合梁、连续组合梁等设计内容，吸收了我国近年来在钢．混凝土组合梁研究和应用领域的最新成果，并首次采用了较为精确的折减刚度法来计算组合梁的刚度。
随着建筑材料、设计理论和设计方法的发展，组合结构也由构件层次向结构体系方向发展。组合结构体系是由组合承重构件或组合抗侧力构件形成的结构体系，可以充分发挥不同材料和体系的优势，克服传统结构体系的固有缺点。例如，纯钢结构随着建筑高度的增加，存在侧向刚度小、抗侧移能力相对较差等问题，在地震和强风作用下易产生过大的振动，影响正常使用的舒适度，并且钢结构抗火能力相对较差、防腐代价相对较高。对于钢筋混凝土结构，随着建筑层数的增加和柱网尺寸的增大，单柱荷载的增大使得柱截面不断加大，从而形成对抗震不利的短柱。而且混凝土本身延性较差，为提高结构安全性所采取的很多构造措施又大大增加了施工的难度和成本。通过组合概念则可以充分发挥钢材和混凝土的各自材料特性，形成一系列新颖、高效的结构体系。目前，我国已建成或在建的上海环球金融中心(492m)、金茂大厦(421m)、深圳地王大厦(384m)、赛格广场(292m)等超高层建筑以及上海杨浦大桥(602m)、东海大桥(420m)、芜湖长江大桥(312m)、深圳彩虹桥(150m)等大跨度桥梁都全部或部分采用了组合结构。在高层
及超高层结构领域，日本曾于1992年建造了两幢高度分别为78m和107m的钢框架．混凝土核心筒组合(混合)结构的高层建筑，并结合这两幢建筑对这种结构形式开展了研究。近年来，钢一混凝土组合结构体系开始大量用于我国高层建筑特别是超高层建筑结构，其中已建或在建的一百多幢高层钢结构建筑中，一半以上都全部或部分采用了组合结构体系。组合结构体系兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低的优点，在很多情况下被认为是一种符合我国国情的超高层建筑结构形式。在解决了钢材与混凝土之间抗剪连接的疲劳问题后，组合结构在桥梁结构领域获得了迅速发展。简支组合梁桥能够充分发挥不同材料的性能，是一种得到广泛应用的桥梁结构形式。随着技术不断发展，组合梁的应用范围也扩展到连续梁桥、拱桥和斜拉桥等多种桥梁结构体系。组合梁桥中的钢梁也由早先单一的钢板梁拓展到钢箱梁、钢槽形梁和钢桁梁等。与此同时，采用体外预应力来改善组合梁的受力性能也是一个发展方向。组合桥面系具有很高的强度和刚度，同时在造价、耐久性和行车舒适度方面也具有很强的竞争力。深圳北站桥(彩虹桥)则是首座全钢．混凝土组合结构桥梁，主拱为四肢桁式钢管混凝土，桥面为预应力钢．混凝土空心叠合板组合梁。20世纪80年代初，法国首次设计和建造了采用波形钢腹板组合梁桥。这种组合梁桥利用波形钢板较强的抗剪和抗屈曲性能作为混凝土箱梁的腹板，同时利用波形钢板纵向刚度小的特点使其几乎不对预应力产生抵抗，从而大大提高了预应力导人的效果。
1.3本文研究背景
地震是自然界中危害最严重的灾害之一，破坏能力强，对人类危害极大，也是大部分工程结构的关键控制荷载之一。我国是一个地震频发的国家，6度以及6度以上地震区几乎遍及全国各个省和自治区，约有一半城市位于基本烈度7度和7度以上地区。2008年5月发生在中国四川的“5.12汶川大地震”更是造成了人员的巨大伤亡、房屋的大量破坏和倒塌，从而引发了一系列社会问题和经济问题。
结构抗震成为一门工程科学是在20世纪20年代左右，至今已有90年左右的历史。目前进行结构的抗震性能研究最主要的两种方法就是振动台试验法和理论计算分析法。振动台试验是指按照一定的相似关系，将原型结构换算成模型结构，并制作相应的模型，通过振动台输入地震记录，并通过预先先布置在模型结构上的传感器获得模型结构在不同地震输入过程中的频谱、加速度、应变、位移等特征，再将结果按照相应的比率转化到原型结构。振动台试验法，可以直观的反应结构在不同地震波输入下的结构抗震性能的变化，是最为有效的一种抗震研
究方法，但是受到设备、经费等的限制，一般只针对个别较为特殊的建筑物进行振动台试验的研究。理论计算分析法主要包括：振型分解反应谱法、时程分析法等。
建筑物是人类日常生活的空间，地震造成建筑物的倒塌破坏必将给人类造成严重灾害。据世界主要地震资料统计，世界上130多次伤亡巨大的地震中，95％以上的人员伤亡是由于建筑物倒塌所致。随着科技的发展、社会需求的变化，高层建筑结构向高层次、高强度和组合结构发展，结构体系的选择将根据建筑的功能效果和外观以及建筑的可造性来决定，进而使得结构体系多样化和结构材料多样性。在20世纪80年代以前，我国的高层建筑大多采用钢筋混凝土结构形式，但随着建筑高度的不断增加和使用功能的日趋复杂，单一的结构形式已不能满足建筑设计要求。由钢－混凝土组合梁或组合柱作为主要受力构件的组合结构体系由于兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、便于建筑平面布置等优点，得到了迅速的发展和越来越广泛的应用，成为目前在高层建筑领域内应用较多的一种结构形式。近年来国内建成或在建的高层及超高层建筑数量已达数百幢之多，其中除少数仍采用传统的钢筋混凝土结构形式外，大多数尤其是超高层建筑往往采用钢－混凝土组合结构形式。例如上海金茂大厦、深圳中兴研发大楼、广州珠江新城西塔、大连国贸中心等高层建筑或超高层建筑都全部或部分采用钢－混凝土组合结构形式。
钢－混凝土组合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。钢－混凝土组合结构是指含有钢－混凝土组合构件的结构。钢－混凝土组合构件主要有钢－混凝土组合梁和钢－混凝土组合柱。钢－混凝土组合梁是由钢梁和混凝土板通过抗剪连接件连成整体而共同受力的横向承重构件。钢－混凝土组合柱包括钢管混凝土柱和型钢混凝土柱。实际应用中，为了节约钢材和降低造价，大多数多层和小高层钢结构房屋常采用钢－混凝土组合柱代替钢柱。组合柱在我国目前又以钢管混凝土柱为首选形式。钢－混凝土组合构件可应用于各种结构体系中从而形成组合框架结构体系、组合框架－剪力墙体系、组合框架－核心筒体系、组合框筒结构体系等。钢－混凝土组合结构同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，增加构件和结构的延性等；同钢结构相比，可以减小用钢量、降低造价、提高刚度、增加稳定性和整体性，增强结构的抗火性和耐久性等。近年来，钢－混凝土组合结构在我国的应用实践表明，这一结构体系具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，已成为结构体系的重要发展方向之一。
钢－混凝土组合结构是由钢、混凝土两种材料性能完全不同的结构组成，其抗震性能比钢结构和钢筋混凝土结构更复杂。虽然组合结构较少经历地震考验，
缺乏震害资料，但在美国和日本均有由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体（或剪力墙）组成的混合结构的局部破坏记录，破坏的原因除了地震动较大之外，还与结构布置、结构设计以及构造措施等有很大关系。同样，由于我国很多城市位于高烈度区，钢－混凝土组合结构也可能在强震作用下发生破坏，因此钢－混凝土组合结构抗震性能的研究是不能忽略的。
国内外对钢－混凝土组合结构的基本构件（钢－混凝土组合梁、钢管混凝土柱等）和不同类型组合构件的节点在静载和反复荷载作用下的力学性能进行了大量的理论和试验研究，提出了一些用于组合构件弹塑性分析的力学模型。但是由于组合构件的多样性、受力的复杂性以及试验手段、条件的限制，或由于试验目的的局限，这些力学模型具有一定的局限性，是否适用于钢－混凝土组合结构整体弹塑性分析都需要进一步研究。通过对钢－混凝土组合构件弹塑性模型的研究可以为组合结构整体性能的分析奠定基础。
钢－混凝土组合结构作为继钢结构和混凝土结构之后发展起来的一种重要结构形式，当前最重要的一个发展方向是从构件层次的研究转移到结构体系的研究上来，以便为实际的工程应用提供理论基础和可靠的技术保证。虽然钢－混凝土组合结构在工程中得到了广泛的应用，但对钢－混凝土组合结构整体抗震性能尚未开展系统研究，关于整体结构的抗震性能与试验研究工作还较为滞后。在我国，随着社会经济的发展，为满足建筑的要求，组合结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。国内还没有出台有关高层钢－混凝土组合结构的抗震设计规程或规范，对其抗震性能研究也尚不够充分与完善，与之相应的试验工作开展的也不多，存在的主要抗震性能问题没能很好地解决，如各种组合结构的变形性能、受力机制，破坏状态、易损性能等。
由于对钢―混凝土组合结构抗震性能的研究开展不充分、设计依据不足，目前已建成的组合结构绝大部分分布在抗震设防烈度较低的城市。近年来，钢－混凝土组合结构已逐渐在我国高烈度区开始应用，如何确保这种新型的结构体系在强地震作用下的安全性是一个亟待解决的问题。因此，对钢－混凝土组合结构体系的抗震性能和易损性能开展系统和深入的研究，确定优良的组合结构抗震体系，提出实用的设计方法和建议，以及对组合结构的地震易损性进行评估，均具有重要的意义。