浅谈钢-混凝土组合梁设计方法

1、    浅谈钢混凝土组合梁设计方法    夏少军摘 要：钢混凝土组合结构作为一种新型的结构形式，其充分发挥了钢与混凝土两种材料的各自优点，即混凝土的抗压性能和钢的抗拉性能，使得材料性能得到充分合理的利用。作为组合结构的重要一员，钢混凝土组合梁因其自重轻、延性好、承载力高、施工方便、综合经济指标高等优点，在工程实践中得到日益广泛的应用。文章主要介绍了钢混凝土组合梁的常规设计方法，最后对组合梁目前尚未深入研究的问题进行了总结并予以展望。关键词：钢混凝土组合结构；钢混凝土组合梁；抗压性能；抗拉性能钢混凝土组合梁是在钢筋混凝土结构和钢结构基础上发展起来的一种组合

2、构件，通过剪力连接件将钢梁和混凝土板连接起来共同工作，它能够充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，使材料的性能得到充分合理地利用，社会效益和经济效益显著。与钢筋混凝土梁相比，钢混凝土组合梁高度减小，刚度提高，可节省材料，并可自由地煌接管道线路和固定预埋件，这一优点常用于工业房屋建筑中。与钢梁相比，钢混凝土组合梁可以减小挠度和位移，提高截面刚度。虽然优点显著，但组合梁也有缺点，如耐火性能较差以及抗剪连接件的制作和连接较为困难等。1 变形和刚度计算钢混凝土组合梁交界面相对滑移是由抗剪连接件的变形引起的。分析表明，由混凝土翼板和钢梁间的相对滑移引起的附加挠度在10%15%以下，国内的一些实验结果

3、约为9%。界面滑移不但会降低结构的刚度，使组合梁的变形增大，而且会使组合梁截面抗弯承载力减小。影响界面滑移的因素主要有：连接件的性质及周围混凝土变形能力、钢梁与混凝土板交界面上粘结力等。目前，国内外组合梁的挠度计算方法主要有以下几种：1.1 换算截面法。我国原钢结构设计规范（gbj17-88）即采用此方法。虽然这种方法计算简便，易于掌握，但其未考虑交界面滑移和组合梁剪切连接程度不同的影响，计算结果偏于不安全。1.2 基于换算截面法的内插法。这种方法考虑了剪切连接件的抗剪能力对组合梁截面有效抗弯刚度的贡献，可以较方便地计算组合梁的挠度，但是当连接程度较低时存在较大误差。1.3 解析法。解析方法求

4、解微分方程困难，不易掌握，因此难以获得推广。1.4 折减刚度法。通过对组合梁的换算截面抗弯刚度eieq进行折减的方法来考虑滑移效应。该方法既适用于完全抗剪连接组合梁，也适用于部分抗剪连接组合梁和钢梁与压型钢板混凝土组合板构成的组合梁。总体来说，目前国内外对于钢混凝土组合梁短期效应研究比较多，而对于长期荷载作用下组合梁效应的研究还不够。对此，我国现行规范是通过降低混凝土弹性模量的方法来考虑荷载的长期效应，即混凝土徐变的影响。鉴于徐变受多种因素的影响，如荷载的大小、龄期、周围环境的湿度、温度等，采用一个统一的弹性模量降低系数来考虑混凝土徐变及收缩的影响并不合理，笔者建议设计人员在进行刚度折减计算时

5、应针对实际情况慎重取值。2 抗剪连接件设计抗剪连接件是连接钢梁与混凝土板以使俩者共同工作的关键部件，它传递钢梁和混凝土翼板之间的剪力，抵抗两者连接部位的掀起，抗剪连接件受力复杂且易产生疲劳。栓钉在混凝土中的抗剪机理类似于弹性地基梁，栓钉根部混凝土受到栓钉、钢梁和周围混凝土的约束作用，产生局部承压，其受压强度有所提高。由受力机理可知，影响栓钉抗剪承载力的因素主要有：栓钉的直径、混凝土的弹模及强度等级。连接件受力复杂，很难用理论方法建立抗剪承载力计算模型，目前一般都是通过实验来确定抗剪性能，常见的试验方法有推出试验与梁式试验两种。一般来说，推出试验得到的承载力偏低，但考虑安全，各国一般都采用推出试

6、验的结果作为设计依据。我国的钢结构设计规范gb50017-2003采用下式计算栓钉的抗剪承载力：ncv=0.43as0.7asf式中，ec为混凝土弹性模量；as为圆柱头焊钉（栓钉）钉杆的截面面积；f为圆柱头焊钉（栓钉）钉杆抗拉强度设计值；为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。当栓钉材料性能等级为4.6级时，取f=215（n/mm2），=1.67。3 抗弯承载力分析计算组合梁的抗弯承载力时，采用塑性而不是弹性的分析方法进行计算，因为弹性未能充分发挥材料的强度潜力，计算偏于保守，且不符合组合梁实际工作情况。在确定组合梁截面抗弯承载力时，采用以下基本假定：（1）位于塑性中和轴一侧的受拉混凝土因为开

7、裂而不参加工作，板托部分亦不考虑，假定混凝土受压区均匀受压，并达到轴心抗压强度设计值。（2）剪力全部由钢梁承担并按钢梁的塑性抗剪承载力进行验算，不考虑剪力对组合梁抗弯承载力的影响。（3）忽略钢筋混凝土翼板受压区中钢筋的作用。（4）不考虑施工过程中有无支撑及混凝土的徐变、收缩与温度应力的影响。组合梁按塑性中和轴所在位置可分为第一类截面（塑性中和轴在混凝土翼缘板内）和第二类截面（塑性中和轴在钢梁内）。这俩类截面分别采用不同的承载力计算公式。4 抗剪承载力分析组合梁的受剪是由钢梁和混凝土共同承担的，因此它的破坏形态与钢和混凝土都有相似之处，但又有所区别：（1）钢筋混凝土梁的中和轴上面部分受压，下面部

8、分受拉，混凝土处于拉剪和压剪两种状态；（2）普通矩形钢筋混凝土梁在中和轴处的剪应力最大，而组合梁由于是俩种不同材料的组合，其最大剪应力可能在中和轴或靠近中和轴的钢梁腹板处；（3）组合梁的应力状态比普通钢筋混凝土梁要复杂得多。我国现行钢结构设计规范gb50017-2003假定组合梁上的全部剪力由钢梁腹板承受，不考虑混凝土的抗剪作用，计算公式如下：vhwtwfv式中：hw为腹板高度；tw为腹板厚度；fv为钢材抗剪强度设计值。上述方法其实是偏于保守的，国内外一些试验表明，组合梁的抗剪承载力要比钢梁腹板高20%以上，原因很有可能是混凝土翼板对抗剪有所贡献，也有可能是钢梁腹板在双向应力作用下抗剪承载力有

9、所提高所致。5 结论与展望钢-混凝土组合梁作为一种新型的结构形式，具备钢结构和钢筋混凝土结构各自的优点，其在大跨楼盖等工程的应用中已渐显优势，具有广阔的应用前景，目前已经大量应用于实际工程，如高层、超高层建筑和桥梁结构等。结合目前国内外已做的试验研究和理论分析，组合梁在很多方面的研究仍不够深入，如反复荷载下的动力性能、耐久性、抗火性、疲劳性、截面的优化、可靠度分析、荷载长期作用下的徐变和收缩效应等，这些问题需要做进一步的研究。不管怎样，相信随着相关研究的深入，组合结构一定具有广阔的应用前景。参考文献1 gb50017-2003，钢结构设计规范s.2003.2 郭志毅.钢-混凝土简支组合梁抗弯性能的试验与理论研究d.西安建筑科技大学硕士