钢板-混凝土结构

本书深入系统地介绍了钢板-混凝土结构作为一种全新组合结构的多种应用形式、受力特点、设计分析方法和工程案例，覆盖了钢板-混凝土结构研究和应用的多个方面，理论与实际结合紧密。

本书内容包括钢板-混凝土结构的研究背景、基本特征、受力特性和设计方法（界面连接、钢板稳定、面外受力、面内受力、节点）、工程应用案例（剪力墙、沉管隧道、防护结构、桥面结构和索塔结构等），深入系统地介绍了钢板-混凝土结构作为一种全新组合结构的多种应用形式、受力特点、设计分析方法和工程案例，覆盖了钢板-混凝土结构研究和应用的多个方面，理论与实际结合紧密，可帮助读者系统了解该类新型结构的研究与应用现状，为该类结构的进一步研究与工程实践提供了重要的参考。读者对象包括土木工程领域的研究生、科研人员和工程技术人员。

樊健生，清华大学教授，工学博士，结构工程研究所所长。主要从事组合结构基本理论方法、新型钢板-混凝土结构、高性能混凝土材料结构、工程结构信息化技术等方面研究。主持国家重点研发计划项目、杰出青年基金、基金委重大项目课题、创新研究群体以及其它国家和省部级课题十余项。发表SCI论文90余篇，EI论文120余篇，其中结构工程国际顶级期刊ASCE论文20余篇、《土木工程学报》《建筑结构学报》论文60余篇。主参编《组合结构通用规范》等15部国家及行业标准规范，授权发明专利16项。成果直接服务于张靖皋长江大桥（世界在建最大跨桥梁）、深中通道（最大规模组合隧道）、岳阳洞庭湖大桥（最大跨组合桥面悬索桥）、南京五桥（最大组合索塔斜拉桥）、天津津塔（最高钢板剪力墙结构）、北京大兴国际机场（最大机场钢屋盖）及新一代高温气冷堆核电站等工程建设。获国家技术发明一等奖（排名2）、国家科技进步奖（创新团队，排名3）、国家科技进步二等奖2项（排名1、8）。

第1章概述
1.1组合结构与钢板-混凝土组合结构
1.2结构类型及特点
1.2.1结构类型
1.2.2结构特点
1.3国内外研究进展
1.3.1国际研究进展
1.3.2我国研究进展
1.4设计关键问题
1.4.1钢板与混凝土之间的连接
1.4.2钢板的屈曲
1.5施工关键问题
1.5.1钢结构模块划分及制造安装
1.5.2竖向构件的混凝土浇筑
1.5.3横向构件的混凝土浇筑
1.6工程实例
1.6.1超高层建筑钢板-混凝土组合剪力墙
1.6.2核电厂双钢板-混凝土结构
1.6.3钢板-混凝土沉管隧道
1.6.4钢板-混凝土组合桥面
1.6.5钢板-混凝土组合桥塔
1.6.6其他工程领域
参考文献

第2章钢板与混凝土间的连接
2.1概述
2.2连接件特点及构造
2.2.1栓钉连接件
2.2.2开孔钢板连接件
2.2.3型钢连接件
2.2.4螺栓连接件
2.2.5J型钩连接件
2.3连接件抗剪性能及设计方法
2.3.1抗剪需求
2.3.2抗剪承载力计算
2.4连接件抗拔性能及设计方法
2.4.1抗拔需求
2.4.2抗拔承载力与抗拔刚度计算
2.5钢板与混凝土之间的黏结性能
2.5.1受拉试验
2.5.2推出试验
2.5.3讨论与结论
参考文献

第3章钢板的稳定性
3.1概述
3.2钢板-混凝土组合构件整体稳定性
3.2.1忽略界面滑移的组合板整体稳定性
3.2.2考虑界面滑移的组合板整体稳定性
3.3钢板-混凝土组合构件局部稳定性
3.3.1组合构件的局部稳定性特征
3.3.2面内均匀受压钢板-混凝土组合构件的局部稳定性
3.3.3面内均匀受剪钢板-混凝土组合构件的局部稳定性
3.3.4面内非均匀受弯组合构件的局部稳定性
3.4小结
参考文献

第4章钢板-混凝土结构平面内受力性能
4.1概述
4.2钢板-混凝土结构轴压性能
4.2.1试验概况
4.2.2有限元分析
4.2.3小结
4.3采用栓钉连接件的钢板-混凝土结构压-弯-剪性能
4.3.1试验设计
4.3.2破坏形态
4.3.3滞回曲线
4.3.4有限元模拟
4.3.5刚度分析计算
4.3.6小结
4.4外包多腔钢板-混凝土结构压-弯-剪性能
4.4.1试验设计
4.4.2试验结果
4.4.3滞回曲线
4.4.4小结
4.5钢板-混凝土结构轴拉性能
4.5.1试验设计
4.5.2试验结果
4.5.3组合受拉理论模型
4.5.4小结
4.6钢板-混凝土结构拉-弯-剪性能
4.6.1试验设计
4.6.2试验结果
4.6.3基于纤维模型的拉-弯-剪数值模拟
4.6.4小结
参考文献

第5章钢板-混凝土结构平面外受力性能
5.1概述
5.2受弯性能
5.2.1采用栓钉连接件的钢板-混凝土结构试验研究
5.2.2隔舱式钢板-混凝土结构试验研究
5.2.3受弯理论分析
5.3受剪性能
5.3.1钢板-混凝土结构抗剪试验
5.3.2受剪理论分析
5.4冲切性能
5.4.1钢板-混凝土结构冲切试验
5.4.2冲切理论分析
5.5数值分析方法
5.5.1有限元模型
5.5.2分析结果示例
参考文献

第6章钢板-混凝土结构节点
6.1概述
6.2钢板-混凝土墙与墙、板、梁的连接节点
6.2.1基本设计方法
6.2.2连接件设计强度
6.2.3典型节点介绍
6.3钢板-混凝土墙与钢筋混凝土基础的连接节点
6.3.1试验设计
6.3.2试验结果及分析
6.3.3设计方法
6.3.4小结
参考文献

第7章钢板-混凝土组合剪力墙结构
7.1组合剪力墙构造形式
7.2组合剪力墙设计方法
7.2.1正截面承载力
7.2.2斜截面承载力
7.2.3基础锚固设计
7.2.4位移角限值
参考文献

第8章钢板-混凝土组合沉管隧道结构
8.1发展过程及工程实例
8.1.1组合沉管隧道结构的发展
8.1.2典型构造与关键问题
8.1.3工程案例
8.2设计计算方法
8.2.1设计流程与一般规定
8.2.2承载能力极限状态
8.2.3正常使用极限状态
8.2.4短暂工况状态
8.2.5构造要求
8.2.6计算分析实例
参考文献

第9章钢板-混凝土防护结构
9.1概述
9.1.1防护结构特点
9.1.2钢板-混凝土防护结构
9.2钢板-混凝土防护结构抗爆与抗冲击性能
9.2.1爆炸、冲击作用下的受力特点与破坏机理
9.2.2抗爆分析与计算方法
9.2.3抗飞机撞击分析与计算方法
9.3钢板-混凝土防护结构抗爆与抗冲击设计方法
9.3.1荷载与荷载组合
9.3.2局部破坏计算
9.4工程应用
9.4.1典型结构形式
9.4.2结构设计依据
9.4.3结构设计校核
9.4.4抗飞机撞击分析
参考文献

第10章钢板-混凝土组合桥面结构
10.1概述及构造形式
10.1.1压型钢板-混凝土组合桥面板
10.1.2平钢板-混凝土组合桥面板
10.1.3平钢板-UHPC组合桥面板
10.1.4正交异性钢板-UHPC组合桥面板
10.1.5钢-混凝土界面连接构造
10.2设计计算方法
10.2.1平钢板-混凝土组合桥面板
10.2.2带加劲肋的钢板-混凝土组合桥面板
10.3工程实例
10.3.1东平大桥
10.3.2富龙西江特大桥
10.3.3杭瑞高速洞庭湖大桥
参考文献

第11章钢板-混凝土组合索塔
11.1概述
11.1.1大跨缆索桥索塔
11.1.2组合结构索塔
11.2钢板-混凝土组合索塔受力性能
11.2.1试验概述
11.2.2加载和量测方案
11.2.3试验结果
11.2.4小结
11.3钢板-混凝土组合索塔设计方法
11.3.1设计总则
11.3.2施工阶段设计
11.3.3成桥阶段设计
参考文献

如何将钢材与混凝土这两种材料的优势充分发挥出来，取得更好的经济技术效果，是结构工程师始终不渝的努力方向。其中，钢混凝土组合结构，就是这一努力过程中的重要成果。具体来说，组合结构的发展过程，就是不断探索将钢材与混凝土两种材料更合理有效地组合为整体共同工作，使每种材料都处于能够发挥其优势的最合适位置的过程。钢混凝土组合梁、钢管混凝土柱是研究和应用最为成熟的两种组合结构构件形式。除了梁、柱构件可以应用组合结构技术取得更好的经济效益外，墙、板、壳等构件也可以采用钢混凝土组合结构，由此引出了一类新的组合结构形式——钢板混凝土结构。

作者自本科生阶段即开始在聂建国老师指导下对钢混凝土组合结构进行研究。当时，导师根据工程发展需求，在钢混凝土组合梁、钢管混凝土柱等组合结构的基础上，提出了钢板混凝土组合结构的多种新构造、新工艺、新方法，并在结构加固、异形桥梁、防护工程等方面得到了成功应用。随着工程界对钢板混凝土结构的逐步认可和工程需求的增加，包括课题组在内的研究者针对高层建筑、核电站、大跨桥梁、沉管隧道、防护工程等应用场景的特点，对其在强度、刚度、延性、耐久性、抗冲击性能、抗火性能、密封性能、施工性能等方面的关键设计施工问题开展了系列研究，相关成果也在大量工程中得到了成功应用。例如，我国深圳至中山跨江通道工程的沉管隧道段采用了双钢板混凝土结构，标准管节长165m、宽46m、高10．6m，是当前世界最宽的沉管隧道。相比于钢筋混凝土沉管隧道结构，钢板混凝土结构在受力性能、管节预制、浮运沉放、施工工期以及风险管控等方面均具有优势。又如，2020年建成通车的南京第五长江大桥主桥为中央双索面三塔组合梁斜拉桥，其中索塔采用了钢板混凝土结构，在力学性能、耐久性、施工便捷性和经济性等方面都表现出了优异性能。作者有幸参与了包括上述工程在内的多项科研工作，本书也是对这些科研和实践的总结。

全书共分为11章。除第1章概述外，第2~6章主要围绕若干关键基础理论问题展开，第7~11章则按照应用场景分别进行论述。第1章概述介绍了钢板混凝土结构的由来、结构类型及特点、国内外研究进展，总结了设计与施工关键问题，并结合实例介绍了在多个工程领域的应用情况。第2章钢板与混凝土间的连接，通过试验、有限元和理论分析，研究了不同类型连接件的抗剪和抗拔性能及设计方法。第3章钢板的稳定性，针对不同连接件构造和受力模式，提出了整体和局部稳定承载力计算方法，并给出了连接件距厚比等设计建议。第4章钢板混凝土结构平面内受力性能，基于试验和分析揭示了不同构造钢板混凝土结构的面内压弯剪性能、轴拉性能、拉弯剪性能，并建立了分析模型。第5章钢板混凝土结构平面外受力性能，基于试验揭示了面外受弯、受剪和冲切力学性能，提出弯剪承载力计算方法以及精细有限元模拟方法。第6章钢板混凝土结构节点，总结了钢板混凝土墙与墙、板、梁的连接节点的构造形式及设计方法，发展了钢板混凝土墙与钢筋混凝土基础的连接节点。第7章钢板混凝土组合剪力墙结构，以高层建筑为应用场景，提出了组合剪力墙的构造形式，建立了包括正截面承载力、斜截面承载力、基础锚固设计、位移角限值在内的设计计算方法。第8章钢板混凝土组合沉管隧道结构，以沉管隧道为应用场景，归纳了组合沉管隧道结构的发展历程和典型构造，提出了相关的设计计算方法，并结合深中通道沉管隧道案例给出了设计流程和计算实例。第9章钢板混凝土防护结构，以防护工程为应用场景，总结归纳了基于试验、理论和数值模拟的钢板混凝土结构抗爆和抗冲击分析、计算和设计方法，并结合核电站安全壳工程实例，给出了结构设计过程。第10章钢板混凝土组合桥面结构，以大跨桥梁桥面系为应用场景，归纳了常用的组合桥面板构造形式，特别是基于超高性能混凝土的钢板混凝土组合桥面板方案，提出了组合桥面板设计计算方法，并介绍了多个大跨桥梁组合桥面板工程案例。第11章钢板混凝土组合索塔，通过试验揭示了索塔及其连接件的受力性能，结合工程实例，给出了组合索塔施工阶段和成桥阶段设计方法。

本书是课题组和合作者的共同研究成果，也广泛参考和借鉴了国内外大量的相关研究，他们的工作和成果都是促进钢板混凝土结构研究、应用不断发展的推动力，也是本书所依赖的基础。研究工作既得到了老师、前辈们多年的关怀和指导，也受益于同事、同行的支持和参与。博士及硕士研究生卜凡民、李法雄、胡红松、杨悦、周萌、马晓伟、韩亮、马原、潘文豪、刘诚、汪家继、孙启力、郭宇韬、朱尧于、王哲、邱盛源、孔思宇、唐俊跃、肖靖林等在课题研究过程中出色地完成了大量的试验、计算及分析工作，他们对本书做出了重要贡献。丁然老师做了大量校对和编辑工作。研究和撰写过程中得到了聂建国院士的精心指导。在此，向他们表示衷心感谢。

研究工作得到了杰出青年科学基金(51725803)、自然科学基金创新研究群体(52121005)、自然科学基金重大项目(51890901)、国家重点研发计划项目(2017YFC0703400、2022YFC3802000)、优秀青年科学基金(51222810)、科学探索奖等资助，合作单位也提供了大量宝贵实践机会，在此表示衷心感谢。

当前，我国基础设施建设规模不断增长、难度不断提高，工程结构大型化和复杂化发展需求日益凸显，并面临更加严苛的性能要求、更加综合的功能品质要求以及更加多样的社会环境要求等新挑战。钢板混凝土结构是支撑重大工程建设和重大战略实施、实现建筑工业化和提升基础设施品质的重要结构形式，将随着新材料、新技术、新方法的涌现而持续发展，希望本书能在这一过程中发挥促进作用。

最后，请专家学者和学生对本书的缺陷和错误提出宝贵意见。

樊健生
2023年10月