钢―混凝土混合结构组合梁设计探讨

1、钢混凝土混合结构组合梁设计探讨摘要：本文阐述了钢 -混凝土组合梁的应用、组成、形式及特点，基于特定条件下运用弹性理论设计经济效果好的优势，对其设计计算方法作了介绍和分析。关键词：钢 -混凝土组合结构;组合梁 ;设计钢梁与混凝土翼板组合，并且因在钢梁上设置了抗剪连接件，使钢梁与混凝土翼板得以共同承受外力，较之单独工作的钢梁或钢筋混凝土梁承载能力显著提高，这种结构就称之为钢 -混凝土混合结构组合梁（简称钢 -混凝土组合梁）或钢与混凝土组合梁。 据介绍 1 ，与独立钢梁比较， 钢 -混凝土组合梁可节省钢材 20%40%，相应地降低造价 10% 30%; 与钢筋混凝土梁比较， 钢 -混凝土组合梁施工更

2、便捷， 不仅可节省模板和支撑工序，还可缩短工期，方便安装管线。由于钢-混凝土组合梁优势明显， 因而在工民建工程项目中获得广泛应用。然而我国大规模应用钢 -混凝土组合梁主要发生在最近 20 余年时间里，随着钢结构设计规范 （ GBJ 17-88）和钢结构设计规范 （ GB 50017-2003）对钢 -混凝土组合梁的规范和完善，钢 -混凝土组合梁设计方法得以推广和应用 2 。为了更好地开展钢 -混凝土组合梁设计工作， 本文对相关问题进行了探讨。1 钢 -混凝土组合梁的组成、形式及特点钢-混凝土组合梁由混凝土翼板、 钢梁、抗剪连接件及板托所组成。混凝土翼板主要承担受压翼缘作用，在组合梁负弯矩区工作

3、， GB 50017-2003 第 11.1.2 条规定了翼板有效宽度的计算方法，而实际翼板宽度大得多，在有效宽度范围内应力分布被认为是均匀的。钢梁大部分处于组合梁的受拉区，主要承受拉力和剪力，在弯矩作用下上翼缘比下翼缘受力小，所以通常上翼缘截面设计的更小一些，以节省钢材。钢梁截面有工字形、槽钢形、箱形、蜂窝形、钢桁架等多种形式。抗剪连接件是为了确保钢梁与混凝土翼板共同工作的关键构件，以限制钢梁与混凝土翼板之间相对滑移和抵抗使两者产生分离的“揭拉力” 。抗剪连接件常用形式有栓钉、槽钢和弯筋三种。 GB 50017-2003 第 11.3 节给出了这三种连接件的计算方法。栓钉不需考虑方向，但槽钢

4、翼缘肢尖应指向水平剪力方向，弯筋倾角方向应顺着受力方向。板托的作用是增加梁高，节省钢材，但也增加了施工支模的工作量，然而设置板托的好处超过了不足，一般情况下应予设置，但在梁截面计算时可不考虑板托作用。按照受力特点，组合梁分简支组合梁和连续组合梁两种形式，由于连续组合梁中间支座负弯矩区构造较为复杂，所以受力状况比简支组合梁复杂，GBJ 17-88只列入了简支组合梁设计内容，直到GB50017-2003 才补充了连续组合梁负弯矩区的计算内容。从钢梁与混凝土翼板接触面的滑移大小，组合梁分为完全抗剪连接和部分抗剪连接，剪力连接程度降低虽会导致组合梁跨中挠度增加，但部分抗剪连接可有效节省造价3 。2 钢

5、 -混凝土组合梁的设计组合梁截面应力的计算可分别采用塑性理论和弹性理论两种方法进行计算，由于 GB 50017-2003 推荐塑性理论计算方法，不少结构设计人员往往忽视了弹性理论的应用，事实上在特定条件下运用弹性理论设计具有更好的经济效果。根据相关研究 4 ，在钢截面高度受限制情况下，采用塑性理论设计比非组合梁经济性好，但是在组合梁跨度不大的情况下，采用弹性理论设计比塑性理论设计经济效果更好，例如楼面跨度在 9 15m 时，弹性理论设计方案比塑性理论设计方案可节省用钢量 7.5% 28%。这是因为组合梁跨度较小时，塑性理论设计方案由于要兼顾宽厚比，梁截面难以设计得太小，导致其刚度和承载力的浪费

6、，但弹性理论设计方案梁截面可以设计得更轻薄，通过增加钢梁高度获得更大的抗弯性能和刚度，所以两者经济效果就有明显差异。2.1 截面几何特性组合梁按弹性理论计算时，其截面不考虑塑性铰出现，钢梁受压翼缘的宽厚比可按GB 50017-2003 第 4.3.8 条的公式进行计算。由于钢梁和混凝土被看作两种不同的弹性材料，计算组合梁的截面几何特性时需将两种材料换算为等效的一种材料。截面换算时，假定混凝土板厚不变，混凝土截面重心沿截面高度方向也不变，则按荷载短期效应设计的等效宽度为 ;若按荷载长期效应进行设计，考虑到混凝土徐变的影响，混凝土板内的应力将会下降，钢梁内的压力亦会增加，故将等效宽度调整为。其中为

7、混凝土翼板的有效宽度，可按GB 50017-2003 第 11.1.2 条公式计算，为钢与混凝土弹性模量之比。计算荷载短期效应的截面特性，当弹性中和轴位于钢梁内时，换算为钢的组合截面，有，式中、分别为混凝土和钢梁的截面积。如果弹性中和轴位于混凝土板内，以弹性中和轴至混凝土板顶的距离代替，得到。换算为混凝土的组合截面， 并且弹性中和轴位于钢梁内时，有 ;弹性中和轴位于混凝土板内时，混凝土的组合截面积为。考虑长期荷载效应时，可将等效宽度代替计算组合截面积。2.2 截面设计计算2.2.1 施工阶段采用弹性理论进行组合梁设计，需要分别进行施工阶段和使用阶段的计算。在施工阶段，组合梁上的全部荷载都需要由

8、钢梁承担，所以计算内容也就是钢梁的强度和稳定性计算。钢梁截面正应力与剪应力可按GB 50017-2003 第 4.1.1 和4.1.2 条公式计算， 其中正应力如图1（ a）所示。变形验算，可按计算挠度，其中为施工恒载与施工活载产生的均布荷载，为钢梁跨度，为钢的弹模，钢梁截面惯性积，为构件允许挠度。2.2.2 使用阶段使用阶段，钢梁和混凝土翼板共同承担组合梁上的荷载，所以需按组合截面进行计算。再将两阶段的应力叠加，就得到组合梁所受应力。考虑短期效应组合，可得到以下正应力公式：、，其中正应力如图1（ b）所示。式中、分别为组合梁中的钢梁上、下翼缘正应力 ;、分别为组合梁中的混凝土翼板顶面、底面正

9、应力 ;、分别为施工阶段、使用阶段荷载产生的弯矩;、分别为钢梁截面对上、下翼缘的截面模量;、分别为组合梁换算为钢的组合截面后对钢梁上、下翼缘的截面模量;、分别为组合梁换算为混凝土的组合截面后对混凝土顶面、底面的截面模量;、分别为钢、混凝土的强度设计值。考虑长期效应组合，可得到以下正应力公式：，其中正应力如图 1（ c）所示。式中、分别为考虑混凝土徐变后组合梁中的钢梁上、 下翼缘正应力 ;、分别为考虑混凝土徐变后组合梁中的混凝土翼板顶面、底面正应力 ;、分别为使用阶段恒载、活载产生的弯矩;、分别为考虑混凝土徐变后组合梁换算为混凝土的组合截面后对混凝土顶面、底面的截面模量;其他符号意义同前。剪应力

10、也按两阶段进行叠加，短期效应组合的计算公式为。式中为施工阶段恒载产生的剪力;、分别为使用阶段恒载、活载产生的剪力;、分别为钢梁惯性矩、 组合截面惯性矩 ;、分别为组合梁中在剪应力计算点以上部分对钢截面、 换算截面中和轴的面积矩 ;为钢梁腹板厚度 ;为钢抗剪强度设计值。钢与混凝土线膨胀系数相差不大，一般在建筑内部的混合梁结构，温度应力可忽略，但室外环境中因混凝土传热性比钢差得多，这个时候需要考虑温度应力影响，必要时还应采取保温隔热措施。组合梁挠度可按进行计算，其中、分别为换算为钢的组合截面惯性积和考虑恒载长期作用的组合截面惯性积 ;其他符号意义同前。3 结语钢-混凝土组合梁在我国大量应用的时间还不太久， 一般理解主要承受动负荷的组合梁才适宜采用弹性理论进行分析，但实际上特定条件下不以动负荷为主的场合，运用弹性理论也具有经济效果好的优势，所以笔者撰此文希望设计人员开拓视野，运用好各种设计理论和方法。参考文献：1 白崇平 .钢与混凝土组合梁连接件的设计探讨J.钢结构， 2009， 24（ 6）： 15-17.2