一级建造师市政公用工程管理与实务考试必备讲义汇编（4650P 城市桥梁篇）83

钢与混凝土组合梁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扭性能均有提高，防锈和耐火性能也有所增强，可以节省钢20～40％，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1/3～1/2。如果保持挠度大小不变，则钢梁高度可减低15～20％，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：（１）连续组合梁负弯矩处的计算方法。（２）楼板为压型钢板组合板时组合梁的设计。（３）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。（４）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。

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。混凝土土翼板板的有有效宽宽度取取下下式中中的最最小值值：式中bc1、bc2——相邻钢钢梁间间净距距s0的1/2。公式中中最重重要的的是bc2值（有有些情情况bc1值与bc2值相等等），，世界界各国国或地地区的的规范范，对对bc2值的规规定颇颇不一一致，，组合合梁翼翼板的的计算算宽度度与梁梁格尺尺寸、、梁的的位置置（在在楼盖盖外侧侧或中中部））、荷荷载方方式（（均布布或集集中荷荷载））、简简支单单跨或或连续续等因因素有有关，，只不不过有有些国国家的的规范范忽略略了某某些因因素，，而其其他规规范又又忽略略另外外一些些因素素而已已。严严格说说来。。楼盖盖边部部无翼翼板时时，其其内侧侧的bc2应小于于中部部两侧侧有翼翼板bc2的；集集中荷荷载作作用时时的bc2值应小小于均均布荷荷载作作用的的情况况；连连续梁梁的bc2值应小小于简简支梁梁的该该值。。此外，，各国国规范范对bc2的取值值相差差较大大，与与梁跨跨度l的关系系从0.083l（美国国，一一侧有有翼板板）到到0.2l（日本本，简简支组组合梁梁）。。与板板厚有有关与与否也也不尽尽统一一。对对于日日本AIJ的规定定，有有试验验证明明，在在低应应力时时是合合适的的，但但在极极限荷荷载情情况下下，有有效宽宽度应应予减减小。。总的来来看，，我国国规范范对翼翼板计计算宽宽度的的规定定有些些偏大大。由由于组组合梁梁混凝凝土板板与钢钢梁之之间仅仅用连连接件件连结结，不不能考考虑两两者完完全粘粘连,按理，其其计算宽宽度应小小于全混混凝土的的，但规规范的规规定与《混凝土结结构设计计规范》一致，似似值得再再加以研研究。混凝土翼翼板计算算厚度的的取值：：（1）对现浇浇混凝土土，取如如图中中的值；；（2）对预制制混凝土土叠合板板，当按按《混凝土结结构设计计规范》GB50010的有关规规定采取取相应的的构造措措施后，，可取为为预制板板加现浇浇层的厚厚度；（3）当采用用压型钢钢板作混混凝土底底模时，，若用薄薄弱截面面的厚度度将过于于保守，，参照试试验结果果和美国国资料，，翼板厚厚度可采采用有肋肋处板的的总厚度度。1.组合梁截截面的基基本假定定（1）组合梁梁截面变变形符合合平面假假定；（2）钢梁与与混凝土土翼板之之间的相相互连接接可靠，，虽然有有微小的的相对位位移，但但可忽略略不计；；（3）钢材与与混凝土土均为理理想的弹弹塑性体体。（4）忽略钢筋筋混凝土土翼板受受压区中中钢筋的的作用；；（5）假定剪剪力全部部由钢梁梁承受，，同时不不考虑剪剪力对组组合梁抗抗弯承载载力的影影响。11.4组合梁的的截面设设计2.组合梁的的截面设设计组合梁的的截面高高度一般般为跨度度的1/15~1/16，为使钢钢梁的抗抗剪强度度与组合合梁的抗抗弯强度度相协调调，钢梁梁截面高高度不宜宜小于组组合梁截截面总高高度h的1/2.5。组合梁的的截面计计算有弹弹性分析析法和塑塑性分析析法两种种，在20世纪50年代及以以前，组组合梁的的抗弯强强度主要要按弹性性理论计计算。假假定钢梁梁和混凝凝土均为为弹性体体，变形形后截面面保持平平面，混混凝土不不能受拉拉，不考考虑板托托截面。。计算时时，将受受压区混混凝土截截面除以以n0，换算成成钢截面面。弹性设计计法假定定钢和混混凝土都都是理想想弹塑性性体，因因而截面面始终保保持平面面，不能能全面反反映组合合梁的实实际工作作。试验验研究发发现，弹弹性理论论对弯曲曲刚度和和截面开开始屈服服前的曲曲率能给给出较准准确的预预测，但但由于收收缩、徐徐变和温温度作用用等的影影响，截截面开始始屈服时时的弯矩矩My却过高地地估计了了13％左右。。组合梁梁开始屈屈服后的的承载潜潜力较大大，最后后破坏的的极限弯弯矩Mu比My大得多，，若以极极限弯矩矩为准，，就显得得弹性设设计太保保守。所所以从60年代开始始，各国国对承受受静态荷荷载和间间接承受受动态荷荷载的一一般结构构，均逐逐渐转为为按简单单塑性理理论进行行计算。。组合梁的的计算分分两阶段段——施工阶段段和使用用阶段。。（1）施工阶阶段：钢钢梁承受受混凝土土和钢梁梁的自重重以及施施工活荷荷载，钢钢梁应计计算强度度、稳定定性和刚刚度。（2）使用阶阶段：钢钢梁上的的混凝土土翼板已已终凝形形成组合合梁承受受在使用用期间的的荷载。。应按钢钢与混凝凝土组合合梁进行行截面的的强度、、刚度及及裂缝宽宽度计算算。组合梁在在正弯矩矩作用下下的抗弯弯强度计计算正弯矩作作用下，，组合梁梁的塑性性中和轴轴可能位位于钢筋筋混凝土土翼板内内，也可能位位于钢梁梁截面内内，计算时分分两种情情况考虑虑。（1）当塑性性中和轴轴位于混混凝土受受压翼板板内，即Afbcehcfc时：（2）当塑性性中和轴轴位于钢钢梁截面面内即Af>bcehcfc时:组合梁在在负弯矩矩作用下下的抗弯弯强度计计算对连续组组合梁，，在负弯弯矩作用用下极限限状态的的一般特特征为：：负弯矩矩区混凝凝土翼板板受拉开开裂后退退出工作作，同时时混凝土土板中的的纵向受受拉钢筋筋达到或或超过屈屈服应变变，钢梁梁的拉区区和压区区大部分分也达到到或超过过屈服应应变，其其受力状状态类似似钢筋混混凝土梁梁。我国国规范规规定可以以采用塑塑性理论论计算抗抗弯承载载力，并并在计算算中假定定钢梁与与混凝土土翼板有有可靠连连接，能能保证钢钢筋应力力的充分分发挥，，忽略混混凝土抗抗拉强度度的贡献献。规范规定定组合梁梁在负弯弯矩作用用区段拉拉力全部部由翼板板内配置置的纵向向钢筋承承受，梁的抗弯弯强度应应满足下下式的要要求：Ms=(S1+S2)f在负弯矩矩作用下下，组合合梁的混混凝土翼翼板还应应进行最最大裂缝缝宽度计计算。因因为连续续组合梁梁负弯矩矩区混凝凝土翼板板的工作作状态很很接近于于钢筋混混凝土轴轴心受拉拉构件，，故最大大裂缝宽宽度的计计算可参参照《混凝土结结构设计计规范》进行。在验算混混凝土裂裂缝时，，可仅按按荷载的的标准组组合进行行计算，，因为在在荷载标标准组合合下计算算裂缝的的公式中中已考虑虑了荷载载长期作作用的影影响。连续组合合梁由于混凝凝土开裂裂的影响响，正负负弯矩区区抗弯刚刚度有较较大差异异，相对对于大部部分单一一材料的的梁或钢钢筋混凝凝土连续续梁，其其弯矩重重分布的的程度较较高，且且在正常常使用极极限状态态弯矩重重分布就就有很大大发展。。因此，，计算混混凝土翼翼板中纵纵向钢筋筋时，应应当考虑虑弯矩重重分布的的影响。。由荷载效效应标准准组合计计算的负负弯矩区区钢筋应应力可以以按下式式计算：：由纵向钢钢筋与钢钢梁形成成的钢截截面的惯惯性矩Mk—由荷载效效应标准准组合计计算的截截面负弯弯矩：Mse—由荷载效效应标准准组合按按弹性方方法计算算得到的的连续组组合梁支支座负弯弯矩值（（按等截截面计算算）：a—连续组合合梁支座座负弯矩矩调幅系系数：r—钢筋截面面重心至至钢筋和和钢梁形形成的组组合截面面塑性中中和轴的的距离。。钢筋与钢钢梁的力力比，f=Astfst/Af11.5部分抗剪剪连接的的组合梁梁设计钢-混凝土组组合梁的的混凝土土板与钢钢梁之所所以能形形成整体体共同工工作，关关键是由由于抗剪剪连接件件传递二二者之间间的剪力力。规范范规定，，抗剪连连接件应应以控制制截面间间的区段段分段进进行布置置，控制制截面一一般取弯弯矩最大大截面及及零弯矩矩截面。。在每个个正弯矩矩计算区区段（剪剪跨）内内，钢梁梁与混凝凝土板交交界面的的纵向剪剪力Vs取（Af）和（behc1fc）中的较较小值。。在负弯弯矩区段段，Vs等于钢筋筋屈服时时所能提提供的纵纵向拉力力Astfst。因此，完完全抗剪剪连接所所需要的的抗剪连连接件数数目为：：当剪力连连接件的的设置受受构造等等原因影影响不能能全部配配置，即即剪跨内内的实际际抗剪连连接件数数目nr<nf，不足以以承受组组合梁上上最大弯弯矩点和和邻近零零弯矩点点之间的的剪跨区区段内总总的纵向向水平剪剪力时，，可采用用部分抗抗剪连接接设计法法。国内外研研究成果果表明，，在承载载力和变变形都能能满足要要求时，，采用部部分抗剪剪连接组组合梁是是可行的的。在承载力力和变形形许可的的条件下下，采用用部分抗剪剪连接可可以减少少连接件件用量，，降低造造价并方方便施工工。对采采用压型型钢板混混凝土组组合板为为翼板的的组合梁梁，由于于受板肋肋几何尺尺寸的限限制，栓栓钉布置置的数量量有限，，有时也也不得不不采用部部分抗剪剪连接的的设计方方法。由于梁的的跨度愈愈大对连连接件柔柔性性能能要求愈愈高，所所以用这这种方法法设计的的组合梁梁其跨度度不宜超超过20m。对于单跨跨简支梁梁，部分抗剪剪连接的的抗弯强强度计算算方法是是根据简简化塑性性理论按按下列假假定确定定的：（1）在所计算算截面左左右两个个剪跨内内，取连接件件承载力力设计值值之和nr的较小者者作为混混凝土翼翼板中的的剪力；；（2）梁与混凝凝土翼板板间产生生相对滑滑移，以以至混凝凝土翼板板与钢梁梁有各自的的中和轴。部分抗剪剪连接时时，混凝凝土翼板板受压区区高度由由抗剪连连接件能能够提供供的最大大剪力所所确定:——部分抗剪剪连接时时一个剪剪跨区的的抗剪连连接件数数目；——每个抗剪剪连接件件的纵向向抗剪承承载力。。钢梁受压压区面积积为：A———钢梁截面面面积。。部分抗剪剪连接时时组合梁梁截面抗抗弯承载载力为：：y1——钢梁受拉拉区截面面形心至至混凝土土翼板受受压区形形心的距距离；y2——钢梁受拉拉区截面面形心至至钢梁受受压区形形心的距距离。部分抗剪剪连接组组合梁在在负弯矩矩作用区区段的抗抗弯强度度，按nr和Astfst两者中的的较小值值计算。。计算略略偏保守守，以补补偿混凝凝土的抗抗拉作用用、钢筋筋的强化化作用以以及构造造钢筋的的作用。。随着抗剪剪连接件件数目的的减少，，钢梁与与混凝土土翼板的的共同工工作能力力不断降降低，导导致二者者交界面面产生过过大的滑滑移，从从而影响响钢梁塑塑性性能能的充分分发挥，，并使构构件在承承载力极极限状态态时延性性降低。。为了保保证部分分抗剪连连接的组组合梁能能有较好好的工作作性能，，在任一一剪跨区区内，规规范规定定部分抗抗剪连接接时连接接件的数数量不得得少于按按完全抗抗剪连接接设计时时该剪跨跨区内所所需抗剪剪连接件件总数的的50%，否则将将按单根根钢梁计计算，不不考虑组组合作用用。部分抗剪剪连接时时，组合合梁的抗剪连接接件必须须具有一一定的柔柔性，即即理想的的塑性状状态，因因此规范范规定栓栓钉直径径d22mm，杆长l4d。此外，混混凝土强强度等级级不能高高于C40，以保证栓栓钉工作作时全截截面进入入塑性状状态。11.6钢梁板件件的宽厚厚比当塑性中中和轴在在混凝土土翼板内内或板托托内时，，整个钢钢梁处于于受拉状状态，则则不应对对钢梁板板件宽厚厚比提出出要求。。当塑性中中和轴在在钢梁内内时，为为保证截截面塑性性能充分分发展，，应按塑塑性设计计的规定定控制钢钢梁板件件的宽厚厚比。受受压翼缘缘板的外外伸冤度度b与其厚度度t之比的控控制式为为b/t≤≤9。实际上此此规定是是偏于保保守的，，因受压压翼缘焊焊有连接接件，不不易失去去局部稳稳定。塑性中和和轴在钢钢梁内时时，腹板板小部分分为受压压区，大大部分为为受拉区区，整个个腹板属属偏心受受拉的工工作状态态。如果果偏安全全地参照照塑性设设计时偏偏心受压压的控制制式，得得腹板总总的计算算高度h0与其厚厚度tw之比的的控制制式为为：也可以以将塑塑性中中和轴轴以上上的受受压区区视为为轴心心受压压构件件的腹腹板，，取：：式中h1为腹板板受压压区的的高度度。由于连连续梁梁内力力重分分配时时负弯矩矩区需需具有有一定定的转转动能能力，，同时时还需需控制制裂缝缝宽度度，一一般要要求对对纵向向钢筋筋的配配筋数数量加加以限限制，，即多多数情情况下下，钢钢筋所所承担担的力力与钢钢梁承承担的的力之之比Astfst/Af小于0.37，此时时，钢钢梁腹腹板高高厚比比应满满足条条件：：11.7抗剪连连接件件的计计算抗剪连连接件件是组组合梁梁设计计的关关键技技术之之一，，目前前一般般采用用圆柱柱头栓栓钉、、槽钢钢和弯弯起起起钢筋筋等三三种抗抗剪连连接件件，它它们单单位承承载力力的耗耗钢量量之比比约为为1：2.5：5，以栓栓钉最最省，，弯筋筋耗钢钢量最最大。。所以以在条条件许许可情情况下下，应应尽可可能采采用以以专门门设备备进行行接触触焊的的圆柱柱头栓栓钉。。圆柱头头栓钉钉连接接件主主要靠靠栓杆杆抗剪剪来承承受剪剪力，，用圆圆头抵抵抗掀掀拉力力。根根据试试验，，栓钉钉连接接件主主要有有两种种破坏坏模式式，即即栓钉钉根部部混凝凝土受受局部部承压压作用用，根根部混混凝土土区出出现局局部破破碎或或栓钉钉杆被被剪坏坏。因因而影影响圆圆柱头头栓钉钉连接接件抗抗剪承承载力力的主主要因因素有有：①①栓栓杆的的直径径d（或栓栓钉的的截面面积As）；②②混混凝土土的弹弹性模模量Ec；③混混凝凝土的的强度度等级级。关于圆圆柱头头栓钉钉的抗抗剪承承载力力，根根据欧欧洲钢钢结构构协会会组合合结构构规范范等资资料，，其承承载力力的限限制条条件为为0.7Asfu。但在在修订订88规范时时，认认为我我国使使用经经验不不足，，将fu改为f，即：：GBJ17-88规范发发行以以来，，设计计者在在使用用中发发现，，Nvc均由““≤0.7Asf”控制，，“””不不起作作用，，使栓栓钉数数偏多多，现现将此此限制制条件件改为为：““0.7Asrf”，r为栓钉钉材料料的强强屈比比，按按规定定，栓栓钉材材料为为4.6级，即即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。以上对对抗剪剪连接接件承承载力力的计计算公公式，，是根根据正正弯矩矩作用用下的的试验验结果果得到到的，，当栓栓钉位位于负负弯矩矩区时时，混混凝土土翼板板处于于受拉拉状态态，栓栓钉周周围的的混凝凝土对对其约约束程程度不不如正正弯矩矩区的的栓钉钉受到到周围围混凝凝土约约束程程度高高，故故位于于负弯弯矩区区的栓栓钉抗抗剪承承载力力应予予折减减。规规范规规定，，对位位于负负弯矩矩区段段的抗抗剪连连接件件，其其抗剪剪承载载力设设计值值对对中间间支座座应乘乘以折折减系系数0.9，对悬臂部部分应乘以以折减系数数0.8。用压型钢板板作混凝土土翼板的底底模时，其其抗剪连接接件一般用用栓钉，栓栓钉根部无无混凝土约约束，当压压型钢板垂垂直于钢梁梁时，混凝凝土肋是不不连续的。。压型钢板板组合梁的的破坏主要要表现为混混凝土肋的的破坏。其其承载力极极限状态首首先表现为为混凝土肋肋和压型钢钢板的粘结结破坏，然