市政工程钢与混凝土组合梁培训讲义PPT

1、钢与混凝土组合梁重庆大学土木工程学院 崔 佳11.1 组合梁的应用和发展 组合梁的应用开始于本世纪（20世纪）20年代 ，我国从50年代开始开展组合梁的研究和应用。最初主要用于桥梁结构，自80年代以来，由于在多层及高层建筑中更多地采用了钢结构，使得组合梁在建筑结构领域也得到了长足的发展。 在设计方法方面，大约在60年代以前，组合梁基本上按弹性理论设计，60年代开始逐步转变为按塑性理论设计。 组合梁是钢梁和所支承的钢筋混凝土板通过抗剪连接件组合成一个整体而共同工作的梁。组合梁能更好地发挥钢和混凝土各自的材质特点，即充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能。与单独工作的钢梁相比，组合梁的稳定性和抗

2、扭性能均有提高，防锈和耐火性能也有所增强，可以节省钢2040，从而取得较大的经济效益。 组合梁的整体刚度比钢梁单独工作时要大得多，挠度可减小1/31/2。如果保持挠度大小不变，则钢梁高度可减低152 0，使建筑高度降低。现行钢结构设计规范新增加了下列主要内容：（）连续组合梁负弯矩处的计算方法。（）楼板为压型钢板组合板时组合梁的设计。（）部份抗剪连接组合梁的设计。部份抗剪连接对梁的强度影响很小，只挠度增大，可节约连接件和施工费用。（）组合梁的挠度计算（主要是考虑滑移效应的折减刚度的计算方法）。 压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件与钢梁连接组合成整体后，钢梁与楼板成为共同受力的组合梁结构。

3、组合梁的组成及其工作原理 压型钢板组合梁通常由三部分组成，即： 钢筋混凝土翼板、抗剪连接件、钢梁。 11.2 一般规定（1）钢筋混凝土翼板组合梁的受压翼缘；（2）抗剪连接件混凝土翼板与钢梁共同工作的基础，主要用来承受翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力；同时可承受翼板与钢梁之间的掀起力。（3）钢梁在组合梁中主要承受拉力和剪力，钢梁的上翼缘用作混凝土翼板的支座并用来固定抗剪连接件，在组合梁受弯时，抵抗弯曲应力的作用远不及下翼缘，故钢梁宜设计成上翼缘截面小于下翼缘截面的不对称截面。 组合梁的工作原理1. 组合梁混凝土翼板的形式 组合梁混凝土翼板可用现浇混凝土板、混凝土叠合板或压型钢板混凝土组合板。混凝土

4、叠合板翼板由预制板和现浇混凝土层组成，施工时可在混凝土预制板表面采取拉毛及设置抗剪钢筋等措施，以保证预制板和现浇混凝土层形成整体。 压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件与钢梁连接组合成整体后，钢梁与楼板成为共同受力的组合梁结构。 11.3 组合梁的截面形式和翼板的有效宽度 2. 钢梁的形式 钢梁的形式应根据组合梁跨度、荷载、施工条件等综合考虑。一般来说，采用上窄下宽的焊接工字形截面耗钢量较少。当荷载或跨度较小时，也可采用热轧H型钢或普通工字钢，或在其下面加一块盖板。 当跨度较大而荷载相对较小的情况，可考虑采用H型钢的腹板切割为锯齿形，错开半齿焊合而成的蜂窝梁。它将H型钢高度提高约50，有较

5、好的经济效果，而空洞又便于铺设管线。 3. 混凝土翼板的计算宽度 计算组合梁时，将其截面视为T形截面，上部受压翼缘为混凝土板的一部份甚至全部。由于剪力滞后的影响，混凝土翼板内的压应力分布沿宽度方向是不均匀的，所谓计算宽度（即有效宽度）实质上是指以应力均匀分布为前提的当量宽度。 规范取用的组合梁混凝土翼板有效宽度，系按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的规定采用的。 混凝土翼板的有效宽度 取下式中的最小值： 式中 bc1、bc2相邻钢梁间净距s0的1/2。 公式中最重要的是bc2值（有些情况bc1值与bc2值相等），世界各国或地区的规范，对bc2值的规定颇不一致，组合梁翼板的计算宽度与

6、梁格尺寸、梁的位置（在楼盖外侧或中部）、荷载方式（均布或集中荷载）、简支单跨或连续等因素有关，只不过有些国家的规范忽略了某些因素，而其他规范又忽略另外一些因素而已。严格说来。楼盖边部无翼板时，其内侧的bc2应小于中部两侧有翼板bc2的；集中荷载作用时的bc2值应小于均布荷载作用的情况；连续梁的bc2值应小于简支梁的该值。 此外，各国规范对bc2的取值相差较大，与梁跨度l的关系从0.083l（美国，一侧有翼板）到0.2l（日本，简支组合梁）。与板厚有关与否也不尽统一。对于日本AIJ的规定，有试验证明，在低应力时是合适的，但在极限荷载情况下，有效宽度应予减小。 总的来看，我国规范对翼板计算宽度的规

7、定有些偏大。由于组合梁混凝土板与钢梁之间仅用连接件连结，不能考虑两者完全粘连,按理，其计算宽度应小于全混凝土的，但规范的规定与混凝土结构设计规范一致，似值得再加以研究。 混凝土翼板计算厚度的取值： （1）对现浇混凝土，取如图 中的值； （2）对预制混凝土叠合板，当按混凝土结构设计规范GB 50010的有关规定采取相应的构造措施后，可取为预制板加现浇层的厚度； （3）当采用压型钢板作混凝土底模时，若用薄弱截面的厚度将过于保守，参照试验结果和美国资料，翼板厚度可采用有肋处板的总厚度。1. 组合梁截面的基本假定（1）组合梁截面变形符合平面假定；（2）钢梁与混凝土翼板之间的相互连接可靠，虽然有微小的相

8、对位移，但可忽略不计；（3）钢材与混凝土均为理想的弹塑性体。（4）忽略钢筋混凝土翼板受压区中钢筋的作用；（5）假定剪力全部由钢梁承受，同时不考虑剪力对组合梁抗弯承载力的影响。11.4 组合梁的截面设计 2. 组合梁的截面设计 组合梁的截面高度一般为跨度的1/151/16，为使钢梁的抗剪强度与组合梁的抗弯强度相协调，钢梁截面高度不宜小于组合梁截面总高度h的1/2.5。 组合梁的截面计算有弹性分析法和塑性分析法两种，在20世纪50年代及以前，组合梁的抗弯强度主要按弹性理论计算。假定钢梁和混凝土均为弹性体，变形后截面保持平面，混凝土不能受拉，不考虑板托截面。计算时，将受压区混凝土截面除以n0，换算成

9、钢截面。 弹性设计法假定钢和混凝土都是理想弹塑性体，因而截面始终保持平面，不能全面反映组合梁的实际工作。试验研究发现，弹性理论对弯曲刚度和截面开始屈服前的曲率能给出较准确的预测，但由于收缩、徐变和温度作用等的影响，截面开始屈服时的弯矩My却过高地估计了13左右。组合梁开始屈服后的承载潜力较大，最后破坏的极限弯矩Mu比My大得多，若以极限弯矩为准，就显得弹性设计太保守。所以从60年代开始，各国对承受静态荷载和间接承受动态荷载的一般结构，均逐渐转为按简单塑性理论进行计算。组合梁的计算分两阶段施工阶段和使用阶段。（1）施工阶段：钢梁承受混凝土和钢梁的自重以及施工活荷载，钢梁应计算强度、稳定性和刚度。

10、（2）使用阶段：钢梁上的混凝土翼板已终凝形成组合梁承受在使用期间的荷载。应按钢与混凝土组合梁进行截面的强度、刚度及裂缝宽度计算。 组合梁在正弯矩作用下的抗弯强度计算 正弯矩作用下，组合梁的塑性中和轴可能位于钢筋混凝土翼板内，也可能位于钢梁截面内，计算时分两种情况考虑。（1）当塑性中和轴位于混凝土受压翼板内，即Afbcehcfc时： （2）当塑性中和轴位于钢梁截面内即Af bcehcfc时: 组合梁在负弯矩作用下的抗弯强度计算 对连续组合梁，在负弯矩作用下极限状态的一般特征为：负弯矩区混凝土翼板受拉开裂后退出工作，同时混凝土板中的纵向受拉钢筋达到或超过屈服应变，钢梁的拉区和压区大部分也达到或超过

11、屈服应变，其受力状态类似钢筋混凝土梁。我国规范规定可以采用塑性理论计算抗弯承载力，并在计算中假定钢梁与混凝土翼板有可靠连接，能保证钢筋应力的充分发挥，忽略混凝土抗拉强度的贡献。 规范规定组合梁在负弯矩作用区段拉力全部由翼板内配置的纵向钢筋承受，梁的抗弯强度应满足下式的要求： Ms= ( S1+S2 ) f 在负弯矩作用下，组合梁的混凝土翼板还应进行最大裂缝宽度计算。因为连续组合梁负弯矩区混凝土翼板的工作状态很接近于钢筋混凝土轴心受拉构件，故最大裂缝宽度的计算可参照混凝土结构设计规范进行。 在验算混凝土裂缝时，可仅按荷载的标准组合进行计算，因为在荷载标准组合下计算裂缝的公式中已考虑了荷载长期作用

12、的影响。 连续组合梁由于混凝土开裂的影响，正负弯矩区抗弯刚度有较大差异，相对于大部分单一材料的梁或钢筋混凝土连续梁，其弯矩重分布的程度较高，且在正常使用极限状态弯矩重分布就有很大发展。因此，计算混凝土翼板中纵向钢筋时，应当考虑弯矩重分布的影响。 由荷载效应标准组合计算的负弯矩区钢筋应力可以按下式计算：由纵向钢筋与钢梁形成的钢截面的惯性矩 Mk由荷载效应标准组合计算的截面负弯矩： Mse由荷载效应标准组合按弹性方法计算得到的连续组合梁支座负弯矩值（按等截面计算）： a连续组合梁支座负弯矩调幅系数： r钢筋截面重心至钢筋和钢梁形成的组合截面塑性中和轴的距离。钢筋与钢梁的力比， f =Astfst/

13、Af11.5 部分抗剪连接的组合梁设计 钢-混凝土组合梁的混凝土板与钢梁之所以能形成整体共同工作，关键是由于抗剪连接件传递二者之间的剪力。规范规定，抗剪连接件应以控制截面间的区段分段进行布置，控制截面一般取弯矩最大截面及零弯矩截面。在每个正弯矩计算区段（剪跨）内，钢梁与混凝土板交界面的纵向剪力Vs取（Af）和（behc1fc）中的较小值。在负弯矩区段，Vs等于钢筋屈服时所能提供的纵向拉力Astfst。 因此，完全抗剪连接所需要的抗剪连接件数目为： 当剪力连接件的设置受构造等原因影响不能全部配置，即剪跨内的实际抗剪连接件数目nrnf，不足以承受组合梁上最大弯矩点和邻近零弯矩点之间的剪跨区段内总的

14、纵向水平剪力时，可采用部分抗剪连接设计法。国内外研究成果表明，在承载力和变形都能满足要求时，采用部分抗剪连接组合梁是可行的。 在承载力和变形许可的条件下，采用部分抗剪连接可以减少连接件用量，降低造价并方便施工。对采用压型钢板混凝土组合板为翼板的组合梁，由于受板肋几何尺寸的限制，栓钉布置的数量有限，有时也不得不采用部分抗剪连接的设计方法。 由于梁的跨度愈大对连接件柔性性能要求愈高，所以用这种方法设计的组合梁其跨度不宜超过20m。 对于单跨简支梁，部分抗剪连接的抗弯强度计算方法是根据简化塑性理论按下列假定确定的：（1）在所计算截面左右两个剪跨内， 取连接件承载力设计值之和 nr 的较小者作为混凝土

15、翼板中的剪力；（2）梁与混凝土翼板间产生相对滑移，以至混凝土翼板与钢梁有各自的中和轴。 部分抗剪连接时，混凝土翼板受压区高度由抗剪连接件能够提供的最大剪力所确定: 部分抗剪连接时一个剪跨区的抗剪连接件数目； 每个抗剪连接件的纵向抗剪承载力。 钢梁受压区面积为： A 钢梁截面面积。 部分抗剪连接时组合梁截面抗弯承载力为： y1 钢梁受拉区截面形心至混凝土翼板受压区形心的距离； y2 钢梁受拉区截面形心至钢梁受压区形心的距离。 部分抗剪连接组合梁在负弯矩作用区段的抗弯强度，按 nr 和 Astfst 两者中的较小值计算。计算略偏保守，以补偿混凝土的抗拉作用、钢筋的强化作用以及构造钢筋的作用。 随着

16、抗剪连接件数目的减少，钢梁与混凝土翼板的共同工作能力不断降低，导致二者交界面产生过大的滑移，从而影响钢梁塑性性能的充分发挥，并使构件在承载力极限状态时延性降低。为了保证部分抗剪连接的组合梁能有较好的工作性能，在任一剪跨区内，规范规定部分抗剪连接时连接件的数量不得少于按完全抗剪连接设计时该剪跨区内所需抗剪连接件总数的50%，否则将按单根钢梁计算，不考虑组合作用。 部分抗剪连接时，组合梁的抗剪连接件必须具有一定的柔性，即理想的塑性状态，因此规范规定栓钉直径d 22mm，杆长l 4d。 此外，混凝土强度等级不能高于C40，以保证栓钉工作时全截面进入塑性状态。11.6 钢梁板件的宽厚比 当塑性中和轴在

17、混凝土翼板内或板托内时，整个钢梁处于受拉状态，则不应对钢梁板件宽厚比提出要求。 当塑性中和轴在钢梁内时，为保证截面塑性能充分发展，应按塑性设计的规定控制钢梁板件的宽厚比。受压翼缘板的外伸冤度b与其厚度t之比的控制式为b/t9。 实际上此规定是偏于保守的，因受压翼缘焊有连接件，不易失去局部稳定。 塑性中和轴在钢梁内时，腹板小部分为受压区，大部分为受拉区，整个腹板属偏心受拉的工作状态。如果偏安全地参照塑性设计时偏心受压的控制式，得腹板总的计算高度h0与其厚度tw之比的控制式为： 也可以将塑性中和轴以上的受压区视为轴心受压构件的腹板，取： 式中h1为腹板受压区的高度。 由于连续梁内力重分配时负弯矩区

18、需具有一定的转动能力，同时还需控制裂缝宽度，一般要求对纵向钢筋的配筋数量加以限制，即多数情况下，钢筋所承担的力与钢梁承担的力之比Astfst/Af小于0.37，此时，钢梁腹板高厚比应满足条件：11.7 抗剪连接件的计算 抗剪连接件是组合梁设计的关键技术之一，目前一般采用圆柱头栓钉、槽钢和弯起起钢筋等三种抗剪连接件，它们单位承载力的耗钢量之比约为1：2.5：5，以栓钉最省，弯筋耗钢量最大。所以在条件许可情况下，应尽可能采用以专门设备进行接触焊的圆柱头栓钉。 圆柱头栓钉连接件主要靠栓杆抗剪来承受剪力，用圆头抵抗掀拉力。根据试验，栓钉连接件主要有两种破坏模式，即栓钉根部混凝土受局部承压作用，根部混凝

19、土区出现局部破碎或栓钉杆被剪坏。因而影响圆柱头栓钉连接件抗剪承载力的主要因素有： 栓杆的直径d（或栓钉的截面积As）； 混凝土的弹性模量Ec； 混凝土的强度等级。 关于圆柱头栓钉的抗剪承载力，根据欧洲钢结构协会组合结构规范等资料，其承载力的限制条件为0.7Asfu。但在修订88规范时，认为我国使用经验不足，将fu改为f，即： GBJ17-88规范发行以来，设计者在使用中发现，Nvc均由“ 0.7Asf ”控制，“ ”不起作用，使栓钉数偏多，现将此限制条件改为：“0.7Asrf ”，r为栓钉材料的强屈比，按规定，栓钉材料为4.6级，即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。 以上对抗剪连

20、接件承载力的计算公式，是根据正弯矩作用下的试验结果得到的，当栓钉位于负弯矩区时，混凝土翼板处于受拉状态，栓钉周围的混凝土对其约束程度不如正弯矩区的栓钉受到周围混凝土约束程度高，故位于负弯矩区的栓钉抗剪承载力应予折减。规范规定，对位于负弯矩区段的抗剪连接件，其抗剪承载力设计值 对中间支座应乘以折减系数0.9，对悬臂部分应乘以折减系数0.8。 用压型钢板作混凝土翼板的底模时，其抗剪连接件一般用栓钉，栓钉根部无混凝土约束，当压型钢板垂直于钢梁时，混凝土肋是不连续的。压型钢板组合梁的破坏主要表现为混凝土肋的破坏。其承载力极限状态首先表现为混凝土肋和压型钢板的粘结破坏，然后是混凝土肋剪切破坏，此时栓钉的承载力要低于混凝土实板的情况，故栓钉的抗