一级建造师市政公用工程管理与实务考试必备讲义汇编4650 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。混凝土翼板的的有效宽度取取下式中的的最小值：式中bc1、bc2——相邻钢梁间净净距s0的1/2。公式中最重要要的是bc2值（有些情况况bc1值与bc2值相等），世世界各国或地地区的规范，，对bc2值的规定颇不不一致，组合合梁翼板的计计算宽度与梁梁格尺寸、梁梁的位置（在在楼盖外侧或或中部）、荷荷载方式（均均布或集中荷荷载）、简支支单跨或连续续等因素有关关，只不过有有些国家的规规范忽略了某某些因素，而而其他规范又又忽略另外一一些因素而已已。严格说来来。楼盖边部部无翼板时，，其内侧的bc2应小于中部两两侧有翼板bc2的；集中荷载载作用时的bc2值应小于均布布荷载作用的的情况；连续续梁的bc2值应小于简支支梁的该值。。此外，各国规规范对bc2的取值相差较较大，与梁跨跨度l的关系从0.083l（美国，一侧侧有翼板）到到0.2l（日本，简支支组合梁）。。与板厚有关关与否也不尽尽统一。对于于日本AIJ的规定，有试试验证明，在在低应力时是是合适的，但但在极限荷载载情况下，有有效宽度应予予减小。总的来看，我我国规范对翼翼板计算宽度度的规定有些些偏大。由于于组合梁混凝凝土板与钢梁梁之间仅用连连接件连结，，不能考虑两两者完全粘连连,按理，其计算算宽度应小于于全混凝土的的，但规范的的规定与《混凝土结构设设计规范》一致，似值得得再加以研究究。混凝土翼板计计算厚度的取取值：（1）对现浇混凝凝土，取如图图中的值；；（2）对预制混凝凝土叠合板，，当按《混凝土结构设设计规范》GB50010的有关规定采采取相应的构构造措施后，，可取为预制制板加现浇层层的厚度；（3）当采用压型型钢板作混凝凝土底模时，，若用薄弱截截面的厚度将将过于保守，，参照试验结结果和美国资资料，翼板厚厚度可采用有有肋处板的总总厚度。1.组合梁截面的的基本假定（1）组合梁截面面变形符合平平面假定；（2）钢梁与混凝凝土翼板之间间的相互连接接可靠，虽然然有微小的相相对位移，但但可忽略不计计；（3）钢材与混凝凝土均为理想想的弹塑性体体。（4）忽略钢筋混凝凝土翼板受压压区中钢筋的的作用；（5）假定剪力全全部由钢梁承承受，同时不不考虑剪力对对组合梁抗弯弯承载力的影影响。11.4组合梁的截面面设计2.组合梁的截面面设计组合梁的截面面高度一般为为跨度的1/15~1/16，为使钢梁的的抗剪强度与与组合梁的抗抗弯强度相协协调，钢梁截截面高度不宜宜小于组合梁梁截面总高度度h的1/2.5。组合梁的截面面计算有弹性性分析法和塑塑性分析法两两种，在20世纪50年代及以前，，组合梁的抗抗弯强度主要要按弹性理论论计算。假定定钢梁和混凝凝土均为弹性性体，变形后后截面保持平平面，混凝土土不能受拉，，不考虑板托托截面。计算算时，将受压压区混凝土截截面除以n0，换算成钢截截面。弹性设计法假假定钢和混凝凝土都是理想想弹塑性体，，因而截面始始终保持平面面，不能全面面反映组合梁梁的实际工作作。试验研究究发现，弹性性理论对弯曲曲刚度和截面面开始屈服前前的曲率能给给出较准确的的预测，但由由于收缩、徐徐变和温度作作用等的影响响，截面开始始屈服时的弯弯矩My却过高地估计计了13％左右。组合合梁开始屈服服后的承载潜潜力较大，最最后破坏的极极限弯矩Mu比My大得多，若以以极限弯矩为为准，就显得得弹性设计太太保守。所以以从60年代开始，各各国对承受静静态荷载和间间接承受动态态荷载的一般般结构，均逐逐渐转为按简简单塑性理论论进行计算。。组合梁的计算算分两阶段——施工阶段和使使用阶段。（1）施工阶段：：钢梁承受混混凝土和钢梁梁的自重以及及施工活荷载载，钢梁应计计算强度、稳稳定性和刚度度。（2）使用阶段：：钢梁上的混混凝土翼板已已终凝形成组组合梁承受在在使用期间的的荷载。应按按钢与混凝土土组合梁进行行截面的强度度、刚度及裂裂缝宽度计算算。组合梁在正弯弯矩作用下的的抗弯强度计计算正弯矩作用下下，组合梁的的塑性中和轴轴可能位于钢钢筋混凝土翼翼板内，也可能位于钢钢梁截面内，计算时分两种种情况考虑。。（1）当塑性中和和轴位于混凝凝土受压翼板板内，即Afbcehcfc时：（2）当塑性中和和轴位于钢梁梁截面内即Af>bcehcfc时:组合梁在负弯弯矩作用下的的抗弯强度计计算对连续组合梁梁，在负弯矩矩作用下极限限状态的一般般特征为：负负弯矩区混凝凝土翼板受拉拉开裂后退出出工作，同时时混凝土板中中的纵向受拉拉钢筋达到或或超过屈服应应变，钢梁的的拉区和压区区大部分也达达到或超过屈屈服应变，其其受力状态类类似钢筋混凝凝土梁。我国国规范规定可可以采用塑性性理论计算抗抗弯承载力，，并在计算中中假定钢梁与与混凝土翼板板有可靠连接接，能保证钢钢筋应力的充充分发挥，忽忽略混凝土抗抗拉强度的贡贡献。规范规定组合合梁在负弯矩矩作用区段拉拉力全部由翼翼板内配置的的纵向钢筋承承受，梁的抗弯强度度应满足下式式的要求：Ms=(S1+S2)f在负弯矩作用用下，组合梁梁的混凝土翼翼板还应进行行最大裂缝宽宽度计算。因因为连续组合合梁负弯矩区区混凝土翼板板的工作状态态很接近于钢钢筋混凝土轴轴心受拉构件件，故最大裂裂缝宽度的计计算可参照《混凝土结构设设计规范》进行。在验算混凝土土裂缝时，可可仅按荷载的的标准组合进进行计算，因因为在荷载标标准组合下计计算裂缝的公公式中已考虑虑了荷载长期期作用的影响响。连续组合梁由于混凝土开开裂的影响，，正负弯矩区区抗弯刚度有有较大差异，，相对于大部部分单一材料料的梁或钢筋筋混凝土连续续梁，其弯矩矩重分布的程程度较高，且且在正常使用用极限状态弯弯矩重分布就就有很大发展展。因此，计计算混凝土翼翼板中纵向钢钢筋时，应当当考虑弯矩重重分布的影响响。由荷载效应标标准组合计算算的负弯矩区区钢筋应力可可以按下式计计算：由纵向钢筋与与钢梁形成的的钢截面的惯惯性矩Mk—由荷载效应标标准组合计算算的截面负弯弯矩：Mse—由荷载效应标标准组合按弹弹性方法计算算得到的连续续组合梁支座座负弯矩值（（按等截面计计算）：a—连续组合梁支支座负弯矩调调幅系数：r—钢筋截面重心心至钢筋和钢钢梁形成的组组合截面塑性性中和轴的距距离。钢筋与钢梁的的力比，f=Astfst/Af11.5部分抗剪连接接的组合梁设设计钢-混凝土组合梁梁的混凝土板板与钢梁之所所以能形成整整体共同工作作，关键是由由于抗剪连接接件传递二者者之间的剪力力。规范规定定，抗剪连接接件应以控制制截面间的区区段分段进行行布置，控制制截面一般取取弯矩最大截截面及零弯矩矩截面。在每每个正弯矩计计算区段（剪剪跨）内，钢钢梁与混凝土土板交界面的的纵向剪力Vs取（Af）和（behc1fc）中的较小值值。在负弯矩矩区段，Vs等于钢筋屈服服时所能提供供的纵向拉力力Astfst。因此，完全抗抗剪连接所需需要的抗剪连连接件数目为为：当剪力连接件件的设置受构构造等原因影影响不能全部部配置，即剪剪跨内的实际际抗剪连接件件数目nr<nf，不足以承受受组合梁上最最大弯矩点和和邻近零弯矩矩点之间的剪剪跨区段内总总的纵向水平平剪力时，可可采用部分抗抗剪连接设计计法。国内外研究成成果表明，在在承载力和变变形都能满足足要求时，采采用部分抗剪剪连接组合梁梁是可行的。。在承载力和变变形许可的条条件下，采用用部分抗剪连接接可以减少连连接件用量，，降低造价并并方便施工。。对采用压型型钢板混凝土土组合板为翼翼板的组合梁梁，由于受板板肋几何尺寸寸的限制，栓栓钉布置的数数量有限，有有时也不得不不采用部分抗抗剪连接的设设计方法。由于梁的跨度度愈大对连接接件柔性性能能要求愈高，，所以用这种种方法设计的的组合梁其跨跨度不宜超过过20m。对于单跨简支支梁，部分抗剪连接接的抗弯强度度计算方法是是根据简化塑塑性理论按下下列假定确定定的：（1）在所计计算截截面左左右两两个剪剪跨内内，取连接接件承承载力力设计计值之之和nr的较小小者作作为混混凝土土翼板板中的的剪力力；（2）梁与混混凝土土翼板板间产产生相相对滑滑移，，以至至混凝凝土翼翼板与与钢梁梁有各自自的中中和轴。。部分抗抗剪连连接时时，混混凝土土翼板板受压压区高高度由由抗剪剪连接接件能能够提提供的的最大大剪力力所确确定:——部分抗抗剪连连接时时一个个剪跨跨区的的抗剪剪连接接件数数目；；——每个抗抗剪连连接件件的纵纵向抗抗剪承承载力力。钢梁受受压区区面积积为：：A———钢梁截截面面面积。。部分抗抗剪连连接时时组合合梁截截面抗抗弯承承载力力为：：y1——钢梁受受拉区区截面面形心心至混混凝土土翼板板受压压区形形心的的距离离；y2——钢梁受受拉区区截面面形心心至钢钢梁受受压区区形心心的距距离。。部分抗抗剪连连接组组合梁梁在负负弯矩矩作用用区段段的抗抗弯强强度，，按nr和Astfst两者中中的较较小值值计算算。计计算略略偏保保守，，以补补偿混混凝土土的抗抗拉作作用、、钢筋筋的强强化作作用以以及构构造钢钢筋的的作用用。随着抗抗剪连连接件件数目目的减减少，，钢梁梁与混混凝土土翼板板的共共同工工作能能力不不断降降低，，导致致二者者交界界面产产生过过大的的滑移移，从从而影影响钢钢梁塑塑性性性能的的充分分发挥挥，并并使构构件在在承载载力极极限状状态时时延性性降低低。为为了保保证部部分抗抗剪连连接的的组合合梁能能有较较好的的工作作性能能，在在任一一剪跨跨区内内，规规范规规定部部分抗抗剪连连接时时连接接件的的数量量不得得少于于按完完全抗抗剪连连接设设计时时该剪剪跨区区内所所需抗抗剪连连接件件总数数的50%，否则则将按按单根根钢梁梁计算算，不不考虑虑组合合作用用。部分抗抗剪连连接时时，组组合梁梁的抗剪连连接件件必须须具有有一定定的柔柔性，，即理理想的的塑性性状态态，因因此规规范规规定栓栓钉直直径d22mm，杆长l4d。此外，，混凝凝土强强度等等级不不能高高于C40，以保证证栓钉钉工作作时全全截面面进入入塑性性状态态。11.6钢梁板板件的的宽厚厚比当塑性性中和和轴在在混凝凝土翼翼板内内或板板托内内时，，整个个钢梁梁处于于受拉拉状态态，则则不应应对钢钢梁板板件宽宽厚比比提出出要求求。当塑性中和和轴在钢梁梁内时，为为保证截面面塑性能充充分发展，，应按塑性性设计的规规定控制钢钢梁板件的的宽厚比。。受压翼缘缘板的外伸伸冤度b与其厚度t之比的控制制式为b/t≤9。实际上此规规定是偏于于保守的，，因受压翼翼缘焊有连连接件，不不易失去局局部稳定。。塑性中和轴轴在钢梁内内时，腹板板小部分为为受压区，，大部分为为受拉区，，整个腹板板属偏心受受拉的工作作状态。如如果偏安全全地参照塑塑性设计时时偏心受压压的控制式式，得腹板板总的计算算高度h0与其厚度tw之比的控制制式为：也可以将塑塑性中和轴轴以上的受受压区视为为轴心受压压构件的腹腹板，取：：式中h1为腹板受压压区的高度度。由于连续梁梁内力重分分配时负弯矩区需需具有一定定的转动能能力，同时时还需控制制裂缝宽度度，一般要要求对纵向向钢筋的配配筋数量加加以限制，，即多数情情况下，钢钢筋所承担担的力与钢钢梁承担的的力之比Astfst/Af小于0.37，此时，钢钢梁腹板高高厚比应满满足条件：：11.7抗剪连接件件的计算抗剪连接件件是组合梁梁设计的关关键技术之之一，目前前一般采用用圆柱头栓栓钉、槽钢钢和弯起起起钢筋等三三种抗剪连连接件，它它们单位承承载力的耗耗钢量之比比约为1：2.5：5，以栓钉最最省，弯筋筋耗钢量最最大。所以以在条件许许可情况下下，应尽可可能采用以以专门设备备进行接触触焊的圆柱柱头栓钉。。圆柱头栓钉钉连接件主主要靠栓杆杆抗剪来承承受剪力，，用圆头抵抵抗掀拉力力。根据试试验，栓钉钉连接件主主要有两种种破坏模式式，即栓钉钉根部混凝凝土受局部部承压作用用，根部混混凝土区出出现局部破破碎或栓钉钉杆被剪坏坏。因而影影响圆柱头头栓钉连接接件抗剪承承载力的主主要因素有有：①栓栓杆的直径径d（或栓钉的的截面积As）；②混混凝土的弹弹性模量Ec；③混凝凝土的强度度等级。关于圆柱头头栓钉的抗抗剪承载力力，根据欧欧洲钢结构构协会组合合结构规范范等资料，，其承载力力的限制条条件为0.7Asfu。但在修订订88规范时，认认为我国使使用经验不不足，将fu改为f，即：GBJ17-88规范发行以以来，设计计者在使用用中发现，，Nvc均由“≤0.7Asf”控制，“””不不起作用，，使栓钉数数偏多，现现将此限制制条件改为为：“0.7Asrf”，r为栓钉材料料的强屈比比，按规定定，栓钉材材料为4.6级，即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。以上对抗剪剪连接件承承载力的计计算公式，，是根据正正弯矩作用用下的试验验结果得到到的，当栓栓钉位于负负弯矩区时时，混凝土土翼板处于于受拉状态态，栓钉周周围的混凝凝土对其约约束程度不不如正弯矩矩区的栓钉钉受到周围围混凝土约约束程度高高，故位于于负弯矩区区的栓钉抗抗剪承载力力应予折减减。规范规规定，对位位于负弯矩矩区段的抗抗剪连接件件，其抗剪剪承载力设设计值对对中间间支座应乘乘以折减系系数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，然然后是混凝凝土肋剪切切破坏，此此时栓钉的的承载力要要低于混凝凝土实板的的情况，故故栓钉的抗抗剪承载力力应予折减减，规范规规定的折减减系数是根根据试验分分析而得的的，分为两两种情况。。当压型钢板板的肋平行行于钢梁布布置时，栓栓钉承载力力折减系数数为：bw——混凝土凸凸肋的平平均宽度度，当肋肋的上部部宽度小小于下部部宽度时时改取上上部宽度度；he——混凝土凸凸肋高度度；hd——栓钉高度度