全国一、二级注册结构工程师考试3.5.8混合结构设计教程

1.一般规定

本节所称混合结构系指由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构。

（1）混合结构高层建筑适用的最大高度 混合结构高层建筑适用的最大高度宜符合表3.5-2的要求。

表3.5-2 混合结构高层建筑适用的最大高度（m）

注：平面和竖向均不规则的结构，最大适用高度应适当降低。

（2）混合结构高层建筑的高宽比 混合结构高层建筑的高宽比不宜大于表3.5-3的规定。

表3.5-3 混合结构高层建筑适用的最大高宽比

（3）混合结构最大层间位移与层高的比值 混合结构在风荷载及地震作用下，按弹性方法计算的最大层间位移与层高的比值Δu/h不宜超过表3.5-4的规定。

表3.5-4 层间最大水平位移与层高之比Δu/h的限值

注：1.H指房屋高度。

2.楼层间最大位移Δu以楼层竖向构件最大水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。抗震设计时，楼层位移计

算可不考虑偶然偏心的影响。

2.结构布置和结构设计

（1）平面布置 建筑平面宜简单、规则、对称，宜采用方形、矩形等规则、对称的平面，并尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合。建筑的开间、进深宜统一。

（2）竖向布置 混合结构的竖向布置宜符合下列要求：

1）结构的侧向刚度和承载力沿竖向宜均匀变化，构件截面宜由下至上逐渐减小，无突变。

2）混合结构的外围框架柱沿高度宜采用同类结构构件；当采用不同类型结构构件时，应设置过渡层，且单柱的抗弯刚度变化不宜超过30%。

3）对于刚度变化较大的楼层，应采取可靠的过渡加强措施。

4）钢框架部分采用支撑时，宜采用偏心支撑和耗能支撑，支撑宜双向连续布置；框架支撑宜延伸至基础。

（3）型钢柱布置 混合结构体系的高层建筑，7度抗震设计时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱；8、9度抗震设计时，应在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土筒体交接处及筒体四角设置型钢柱。

钢框架—钢筋混凝土筒体结构中，当采用H形截面柱时，宜将柱截面强轴方向布置在外围框架平面内；角柱宜采用方形、十字形或圆形截面。

（4）构件连接 混合结构中，外围框架平面内梁与柱应采用刚性连接；楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接可采用刚接或铰接。

外伸桁架应与抗侧力墙体刚接且宜伸入并贯通抗侧力墙体，外伸桁架与外围框架柱的连接宜采用铰接或半刚接。

柱间钢支撑两端与柱或钢筋混凝土筒体的连接可作为铰接计算。

（5）抗震等级 抗震设计时，混合结构房屋应根据设防烈度、类别、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施。丙类建筑混合结构的抗震等级应按表3.5-5确定。

表3.5-5 钢—混凝土混合结构抗震等级

注：钢结构构件抗震等级，抗震设防烈度为6、7、8、9度时应分别取四、三、二、一级。

（6）型钢（钢管）混凝土构件和钢构件的承载力抗震调整系数 有地震作用组合时，型钢（钢管）混凝土构件和钢构件的承载力抗震调整系数γ_RE应按表3.5-6和表3.5-7选用。

表3.5-6 型钢（钢管）混凝土构件承载力抗震调整系数γ_RE

表3.5-7 钢构件承载力抗震调整系数γ_RE

（7）型钢混凝土构件中型钢钢板宽厚比 型钢混凝土构件中，型钢钢板的宽厚比满足表3.5-8的要求时，可不进行局部稳定验算（图3.5-12）。

表3.5-8 型钢板件宽厚比限值

（8）混合结构阻尼比 混合结构在多遇地震下的阻尼比可取为0.04。风荷载作用下楼层位移验算和结构设计时，阻尼比可取0.02～0.04。

3.型钢混凝土构件的构造要求

（1）型钢混凝土梁的构造要求 型钢混凝土梁应满足下列构造要求：

1）混凝土强度等级不宜低于C30，混凝土粗骨料最大直径不宜大于25mm；型钢宜采用Q235及Q345级钢材，也可采用Q390或其他符合结构性能要求的钢材。

2）梁纵向钢筋最小配筋率不宜小于0.30%。

3）梁中型钢的保护层厚度不宜小于100mm，梁纵筋净间距及梁纵筋与型钢骨架的最小净距不应小于30mm，且不小于粗骨料最大粒径的1.5倍及梁纵筋直径的1.5倍。

4）梁纵向受力钢筋不宜超过二排，且第二排只宜在最外侧设置。

5）梁中纵向受力钢筋宜采用机械连接。如纵向钢筋需贯穿型钢柱腹板并以90°弯折固定在柱截面内时，抗震设计的弯折前直段长度不应小于0.4倍钢筋抗震锚固长度l_aE，弯折直段长度不应小于15倍纵向钢筋直径；非抗震设计的弯折前直段长度不应小于0.4倍钢筋锚固长度l_a，弯折直段长度不应小于12倍纵向钢筋直径。

6）梁上开洞不宜大于梁截面高度的0.4倍，且不宜大于内含型钢高度的0.7倍，并应位于梁高及型钢高度的中间区域。

7）型钢混凝土悬臂梁自由端的纵向受力钢筋应设置专门的锚固件，型钢梁的自由端上宜设置栓钉。

图3.5-12 型钢钢板宽厚比

（2）型钢混凝土梁箍筋配置要求 型钢混凝土梁沿梁全长箍筋的配置应满足下列要求：

抗震设计时，框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率应符合下列要求：

一级抗震等级 ρ_sv≥0.30f_t/f_yv （3.5-21a）

二级抗震等级 ρ_sv≥0.28f_t/f_yv （3.5-21b）

三、四级抗震等级 ρ_sv≥0.26f_t/f_yv （3.5-21c）

式中 f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值；

f_yv——箍筋抗拉强度设计值。

非抗震设计时，箍筋面积配筋率应符合下列要求，且不应小于0.15%：

ρ_sv≥0.24f_t/f_yv （3.5-22）

梁箍筋的直径和间距应符合表3.5-9的要求，且箍筋间距不应大于梁截面高度的1/2。抗震设计时，梁端箍筋应加密，箍筋加密区范围，一级时取梁截面高度的2.0倍，二、三、四级时取梁截面高度的1.5倍；当梁净跨小于梁截面高度的4倍时，梁全跨箍筋应加密设置。

型钢混凝土应采用具有135°弯钩的封闭式箍筋，弯钩的直段长度不应小于8倍箍筋直径。非抗震设计时，梁箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不应大于250mm；抗震设计时，梁箍筋的直径和间距应符合表3.5-9的要求。

表3.5-9 梁箍筋直径和间距（mm）

（3）型钢混凝土柱的构造要求 型钢混凝土柱应满足下列构造要求：

1）混凝土强度等级不宜低于C30，混凝土粗骨料的最大直径不宜大于25mm；型钢柱中型钢的保护厚度不宜小于150mm，柱纵筋与型钢的最小净距不应小于30mm。

2）柱纵向钢筋最小配筋率不宜小于0.8%，且在四角应各配置一根直径不小于16mm的纵向钢筋。

3）柱中纵向受力钢筋的间距不宜大于300mm，间距大于300mm时，宜设置直径不小于14mm的纵向构造钢筋；柱纵向钢筋净间距不宜小于50mm，且不应小于柱纵筋直径的1.5倍。

4）柱型钢含钢率，不宜小于4%。

5）柱箍筋宜采用HRB335和HRB400级热轧钢筋，箍筋应做成135°的弯钩，非抗震设计时弯钩直段长度不应小于5倍箍筋直径，抗震设计时弯钩直段长度不宜小于10倍箍筋直径。

6）位于底层、房屋顶层以及型钢混凝土与钢筋混凝土交接层的型钢混凝土柱宜设置栓钉，型钢截面为箱形的柱子也宜设置栓钉，竖向及水平栓钉间距均不宜大于250mm。

7）型钢混凝土柱的长细比不宜大于80。

（4）型钢混凝土柱箍筋的直径和间距 型钢混凝土柱箍筋的直径和间距应符合表3.5-10的规定。抗震设计时，柱端箍筋应加密，加密区范围取柱矩形截面长边尺寸（或圆形截面直径）、柱净高的1/6和500mm三者的最大值；剪跨比不大于2的柱，箍筋均应全高加密，箍筋间距不应大于100mm。

表3.5-10 柱箍筋直径和间距（mm）

注：1.箍筋直径除应符合表中要求外，尚不应小于纵向钢筋直径的1/4。

2.非抗震设计时，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不应大于200mm。

抗震设计时，柱箍筋加密区箍筋最小体积配箍率尚应符合式（3.5-23）的要求，非加密区箍筋最小体积配箍率不应小于加密区的一半；对剪跨比不大于2的柱，其体积配箍率尚不应小于1.0%，9度抗震时尚不应小于1.3%。

ρ_v≥0.85λ_vf_c/f_y （3.5-23）

式中 λ_v——柱最小配箍特征值，按表3.5-11采用。

（5）型钢混凝土柱的轴压比限值 当考虑地震作用组合时，钢—混凝土混合结构中型钢混凝土柱的轴压比不宜大于表3.5-12中的数值。

表3.5-11 柱端箍筋加密区最小配箍特征值λ_v（%）

表3.5-12 型钢混凝土柱轴压比限值

注：1.转换柱的轴压比限值应比表中数值减少0.10采用。

2.剪跨比不大于2的柱，其轴压比限值应比表中数值减少0.05采用。

3.当混凝土强度等级大于C60时，表中数值宜减少0.05。

（6）型钢混凝土柱的轴压比计算 型钢混凝土柱的轴压比可按下式计算：

式中 μ_N——型钢混凝土柱的轴压比；

N——考虑地震组合的柱轴向力设计值；

A_c——扣除型钢后的混凝土截面面积；

f_c——混凝土的轴心抗压强度设计值；

f_a——型钢的抗压强度设计值；

A_a——型钢的截面面积。

（7）圆形钢管混凝土柱的构造要求 圆形钢管混凝土柱应符合下列构造要求：

1）钢管直径不宜小于400mm。

2）钢管壁厚不宜小于8mm。

3）钢管外径与壁厚的比值D/t宜在之间，f_y为钢材的屈服强度。

4）圆形钢管混凝土柱的套箍指标，不应小于0.5，也不宜大于2.5。

5）柱的长细比不宜大于80。

6）轴向压力偏心率e₀/r_c不宜大于1.0，e₀为偏心率，r_c为核心混凝土横截面半径。

7）钢管混凝土柱与框架梁刚性连接时，柱内或柱外应设置与梁上、下翼缘位置对应的加劲肋；加劲肋设置于柱内时，应留孔以利混凝土浇筑；加劲肋设置于柱外时，应形成加劲环板。

8）直径大于2m的圆形钢管混凝土构件应采取有效措施减小钢管内混凝土收缩对构件受力性能的影响。

（8）矩形钢管混凝土柱的构造要求 矩形钢管混凝土柱应符合下列构造要求：

1）钢管截面短边尺寸不宜小于400mm。

2）钢管壁厚不宜小于8mm。

3）钢管截面的高宽比不宜大于2，当矩形钢管混凝土柱截面最大边尺寸不小于800mm时，宜采用在柱子内壁上焊接栓钉、纵向加劲肋等构造措施。

4）钢管管壁板件的边长与其厚度的比值不应大于。

5）柱的长细比不宜大于80。

6）矩形钢管混凝土柱的轴压比应根据式（3.5-24）计算，并不宜大于表3.5-13的限值。

表3.5-13 矩形钢管混凝土柱轴压比限值

（9）型钢混凝土梁柱节点的构造要求 型钢混凝土梁柱节点应符合下列构造要求：

1）型钢柱在梁水平翼缘处应设置加劲肋，其构造不应影响混凝土浇筑密实。

2）箍筋间距不宜大于柱端加密区间距的1.5倍，箍筋直径不宜小于柱端箍筋加密区的箍筋直径。

3）梁中钢筋穿过梁柱节点时，不宜穿过柱型钢翼缘；需要穿过柱腹板时，柱腹板截面损失率不宜大于25%，当超过25%时，则需进行补强；梁中主筋不得与柱型钢直接焊接。

【例3.5-1】 在组合梁中，关于抗剪连接件的设置下列哪种情况是不合适的？

（A）栓钉连接件钉头下表面高出翼板底部钢筋顶面不宜小于20mm

（B）连接件的外侧边缘与钢梁翼缘边缘之间的距离不应小于20mm

（C）连接件的外侧边缘至混凝土翼板边缘的距离不应小于100mm

（D）连接件顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm

答案：（A）

解答：见3.5.2节中第3条。

【例3.5-2】 如图3.5-13所示组合截面梁。混凝土强度等级为C20，f_c=9.6N/mm²，混凝土翼板的有效宽度b_e=1620mm，钢梁钢材为Q235B。此组合梁的抗弯设计值（kN·m）与下列何项数值最为接近？

（A）203 （B）193 （C）186 （D）170

答案：（A）

图3.5-13 组合截面梁

解答：由式（3.5-2b）确定混凝土受压区高度

钢梁截面面积A=（180×10×2+200×6）mm²=4800mm²

x=（Af）/（b_ef_c）=（4800×215）/（1620×9.6）mm=66.4mm

y=（100+10+120-0.5×66.4）mm=196.8mm

塑性中和轴在混凝土板内，根据式（3.5-2a）确定承载力：

M=b_exf_cy=1620×66.4×9.6×196.8N·mm=203.2kN·m

【例3.5-3】～【例3.5-4】 某42层现浇框架—核心筒高层建筑，如图3.5-14所示，内筒为钢筋混凝土筒体，外周边为型钢混凝土框架，房屋高度132m，建筑物的竖向体型比较规则、均匀。该建筑物抗震设防烈度为7度，丙类，设计地震分组为第一组。

【例3.5-3】 外周边框架底层某中柱，截面b×h=700mm×700mm，混凝土强度等级为C50（f_c=23.1N/mm²），内置Q345型钢（f_a=295N/mm²），考虑地震作用组合的柱轴向压力设计值N=18000kN，剪跨比λ=2.5。试问，采用的型钢截面面积的最小值（mm²），应最接近于下列何项数值？

图 3.5-14 （楼盖梁及外框架梁未示出）

（A）14700 （B）19600 （C）45000 （D）53000

答案：（D）

解答：根据式（3.5-24）进行计算。

根据表3.5-5，柱抗震等级为一级，根据表3.5-12，轴压比限值[μ_N]=0.7

根据3.5.8节第3条中的（3），要求柱的型钢含钢率不宜小于4%。

所以选D。

【例3.5-4】 条件同【例3.5-3】。假定柱轴压比=0.5，主筋采用HRB400，箍筋采用HPB400，箍筋形式为普通箍，试问，该柱在箍筋加密区的下列四组配筋（纵向钢筋和箍筋），其中哪一组满足且最接近相关规范、规程中的最低构造要求？

（A）1220，412@100（每向各四肢，下同）

（B）1222，410@100

（C）1220，48@100

（D）1222，412@100

答案：（D）

解答：根据3.5.8节第3条中的（3），

A_s≥A×0.8%=700×700×0.8%mm²=3920mm²

取1222（A_s=4561.2mm²）

根据3.5.8节第3条中的（3）和（4），表3.5-10，采用412@100。

根据柱轴压比及箍筋形式查表3.5-11得到λ_v=0.13

根据式（3.5-23），

所以选D。

【例3.5-5】 某建筑楼层采用压型钢板组合楼板，计算跨度为2.2m，剖面构造如图3.5-15所示。压型钢板型号为YX-75-200-600（Ⅱ），钢材为Q235，板厚1.6mm，压型钢板上浇80mm厚C25混凝土。压型钢板钢材的强度设计值f=205N/mm²，混凝土抗压强度设计值f_c=11.9N/mm²。如果组合板有效高度h₀=117.5mm，压型钢板波距为200mm，压型钢板波距内面积为530mm²。问组合楼板的正截面抗弯承载力（kN·m）与下列何项数值最为接近？

图3.5-15 组合楼板剖面

（A）4.1 （B）8.2 （C）12.3 （D）16.4

答案：（B）

解答：根据3.5.7节计算。

压型钢板顶面以上混凝土计算厚度取为h_c=80mm

A_pf=530×205=108650＜f_ch_cb=11.9×80×200=190400，塑性中和轴在压型钢板顶面以上的混凝土内，按式（3.5-16）计算。

x=A_pf/f_cb=（530×205）/（11.9×200）mm=45.6mm

＜0.55h₀=0.55×117.5mm=64.6mm

M=0.8f_cxby_p=0.8×11.9×45.6×200×（117.5-45.6/2）N·mm=8.2kN·m

【例3.5-6】 已知条件同【例3.5-5】。如果永久荷载产生的挠度为0.845mm，则组合板的自振频率（Hz）与下列哪项数据最为接近？

（A）6.1 （B）16.2 （C）19.3 （D）22.4

答案：（C）

解答：根据式（3.5-20）计算。