浅议钢混凝土组合梁与钢筋混凝土梁

浅议钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁摘要：分析钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁的设计和计算的异同，重点探讨钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁的变形特点、裂缝、受弯承载力，在分析的基础上，加深对其的了解，从而知道钢-混凝土组合梁是组合结构中最常见的组合构件之一，是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型梁，它是由钢筋混凝土翼缘板，钢梁肋部和抗剪连接件组成的整体受力构件。钢与混凝土组合梁结构充分利用了钢材受拉性能好和混凝土受压性能好的特点，是将两种材料通过连接件组合成整体而共同工作发挥作用的一种新型结构。钢筋混凝土梁形式多种多样，是房屋建筑、桥梁建筑等工程结构中最基本的承重构件，应用范围极广。关键词：钢-混凝土组合梁、钢筋混凝土梁、变形、受弯、裂缝前言：钢-混凝土组合梁是由钢梁、连接件和钢筋混凝土板组成，而钢筋混凝土梁是用钢筋混凝土材料制成的梁。钢-混凝土组合梁的上翼缘有截面面积较大的钢筋混凝土板承受压力，致使钢梁上翼缘截面减小，从而节约钢材，钢梁下翼缘则承受拉力，这是组合梁的受力特点。钢筋混凝土梁既可作成独立梁，也可与钢筋混凝土板组成整体的梁-板式楼盖，或与钢筋混凝土柱组成整体的单层或多层框架。1、变形1.1钢-混凝土组合梁1.1.1在荷载保持不变的情况下，由于混凝梁发生收缩徐变，组合梁的变形将不断增加。1.1.2混凝土的收缩徐变受到钢梁的约束，组合梁截面中将产生内力重分布，这种内力重分布也会对组合梁的长期变形产生影响[1]。中国现行《钢结构设计规范))(GB50017，送审稿)[2]和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)[3]中均采用降低棍凝土弹性模量的方法来考虑混凝土收缩徐变对组合梁长期变形的影响，混凝土长期荷载作用下的有效弹性模量E为E=E/k式中：E为混凝土初始弹性模量;k为混凝土弹性模量折减系数。文献[2]提出考虑混凝土徐变影响时k取2.0；文献[3」认为只计混凝土徐变时k取2.5，同时考虑混凝土收缩徐变时k取2.0。应该指出，上述规范公式中采用的单一弹性模量折减系数法计算简单，便于广大工程设计人员应用。但在系统查阅了国内外有关组合梁时随性能的最新研究成果后，发现上述规范方法也存在着一定的局限性[4]；一方面不能反映混凝土徐变系数的时随变化，徐变系数与加载时棍凝土的龄期和加载持续时间等多种因素有关，随加载龄期的增长而减小，又随加载持续时间的增加而增大；另一方面，按式(1)计算的最终变形值偏小。在国内外已有的相关科技文献中，文献[4]对钢一混凝土组合梁的长期变形进行了讨论，建立了钢一混凝土组合梁的长期刚度计算公式。但该公式只适用于普通组合梁，不能用来计算预应力组合梁，且公式形式过于复杂。有的提出了“变刚度”的分析方法，来分析预应力组合梁的时随性能，也有的提出了一步迭代法、无迭代渐进法、迭代渐进法和基于无迭代渐进法的改进方法，来计算因混凝土收缩、徐变和预应力筋松弛引起的预应力损失。1.2钢筋混凝土梁1.1.1HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"钢筋HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%bb%ec%c4%fd%cd%c1"混凝土梁在外荷载的直接应力和次应力的作用下，引起结构变形在房屋建设中，HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"钢筋砼结构是不可缺少的结构体系，也是保证工程主体质量的重要环节。HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"钢筋HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%bb%ec%c4%fd%cd%c1"混凝土梁在外荷载的直接应力和次应力的作用下，引起结构变形而HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂缝。构件在使用过程中受年温差的长期作用，当温差的胀缩应力大于构件极限抗拉强度时就会HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂缝。构件HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂缝的因素是多方面的，包括结构设计、地基沉降差异、施工质量、材料质量、环境影响等，无论何种原因产生的HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂缝，都会给建筑物肢体结构带来影响。1.1.2在低速冲击荷载作用下梁的变形与其动力特性、冲击体与梁的质量比Ms/Mb，冲击速度V0、冲击时间和冲击体形状密切相关。在足够宽的Ms/Mb、V0的变化范围内，钢筋混凝土梁呈现出一致的状态特性[5]。2、裂缝2.1钢-混凝土组合梁2.1.1钢-混凝土组合梁负弯矩区出现裂缝钢-混凝土组合梁由于钢梁及抗剪连接件的约束作用，钢-混凝土组合梁在承受负弯矩作用时，其裂缝的形成、发展除表现出和钢筋混凝土梁相似的规律外，还具有其自身的特点：（1）、随着龄期的增长，混凝土板产生收缩徐变，在与刚度相对较强的钢梁之间的相互作用下会形成一定的内应力，造成开裂荷载降低，同时裂缝发展初期宽度较大；（2）、钢筋混凝土梁的裂缝高度可以达到平均中性轴位置，但对于组合梁，钢梁的存在使裂缝高度不能达到组合梁的平均中性轴处；（3）、由于剪力钉对裂缝的约束作用，组合梁的裂缝高度一般到达剪力钉顶部，或者在两个剪力钉之间，少部分的裂缝贯通而到达钢梁的顶部；（4）、随着荷载的增加，钢梁和混凝土板之间发生滑移，滑移可以产生附加曲率，或者说使得负弯矩区的手拉钢筋产生附加应变，这是导致组合梁的裂缝宽度增大[6]。2.2钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁裂缝是一种很普遍的现象，钢筋混凝土梁产生裂缝的原因十分复杂，越来越引起国内外学者和工程界的重视。通过长期的施工实践对钢筋混凝土梁裂缝产生的原因有一定的总结。2.2.1材料质量混凝土所采用的材料的质量不合格，可能导致结构出现裂缝。袁观锡[7]等人也认为钢筋混凝土裂缝产生的原因与选材有直接的关系，应选用级配良好的骨料，严格控制砂、石含量，避免外掺料不合理的现象。混凝土的搅拌、运输、浇捣、振实各道工序中的任何缺陷和疏漏，也是产生裂缝的直接原因。2.2.2施工质量由于混凝土标号偏低、受力钢筋截面偏小、截面尺寸不符合设计等而导致混凝土梁出现裂缝。由于施工工艺不合理，施工质量低劣，可能产生各种形式的裂缝。裂缝出现的部位和走向因产生的原因而异。预制钢筋混凝土梁在运输、吊装的过程中，由于支撑不合理、吊点位置不符，以及较大的振动或冲击荷载，也会导致钢筋混凝土梁出现裂缝。2.2.3工程设计工程设计欠周全，也是引起混凝土梁产生裂缝的一个重要原因之一。钢筋混凝土梁的截面不够、梁的跨度过大、高度偏小，或者由于计算错误，受力钢筋截面偏小、配筋位置不当、节点不合理、结构缝设置不妥等因素，均容易导致混凝土梁出现结构裂缝。2.2.4温度变化温度裂缝是粗裂缝产生的重要原因，一般出现在配筋薄弱处。在浇筑混凝土时，由于混凝土内外温差过大，容易引起较大的温度应力，当混凝土温度应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土机会开裂；另外，混凝土在降温收缩时，由于受约束内部产生拉应力，当混凝土拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土也容易开裂。2.2.5养护方法目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法，这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形要求。2.2.6功能改变在使用过程中，改变原来使用功能，将办公室改为仓库，屋面加层、使用不当、增大梁上荷载等均会出现裂缝。3、抗弯承载力3.1钢-混凝土组合梁目前，钢-混凝土组合梁多采用栓钉剪力连接件形式，其抗弯承载力不仅受到自身材料强度、截面尺寸的影响，还要受到界面剪力连接件数量和混凝土翼板内横向配筋率的影响。国内一些学者对此进行了研究[8]，但由于研究的角度和形式各不相同，其成果不便于在工程中得到直接应用。3.1.1弹性受弯承载力的计算基本假定（1）、刚才和混凝土均为理想的弹性体；（2）、钢材和混凝土板之间的滑移很小，可以忽略不计，组合截面的应变保持平面；（3）、在正弯矩作用下，计算混凝土板面积时不扣除其中受拉开裂的部分；（4）、在正弯矩作用下，不考虑混凝土板中的钢筋作用；（5）、中间支座两侧负弯矩区混凝土板受拉开裂区段的长度，各为该跨的0.15倍；在确定截面刚度时，只计入该区段的钢筋，不计入该区段的混凝土板。3.1.2、截面特征（1）、混凝土板的换算宽度按弹性理论计算时，应该根据应变相同且总内力不变的原则，将受压混凝土板的有效宽度b折算成与刚才等效的换算截面宽度。短期荷载作用下长期荷载作用下（2）、换算截面重心轴（中和轴）的位置若取组合梁的底边为基线，在短期荷载作用下，课的组合截面的重心轴距组合截面底边的距离（3）、换算截面绕重心轴的惯性矩以组合截面底边为基线，将混凝土界面换算成钢梁截面，则组合梁换算截面绕重心轴的惯性矩按下式计算3.1.3、截面计算（1）、正弯矩作用下的正应力计算当组合梁下设有临时支撑时，按一个阶段受力设计，如果其中的永久荷载不是很大，这是不考虑混凝土徐变的影响，梁上的全部荷载由组合截面承受，其正应力可按下式计算：对钢梁部分对混凝土部分当组合梁下不设临时支撑时，按两个阶段受力设计，这是长期荷载作用下混凝土徐变的影响可以不考虑，其正应力可按下式计算：对钢梁部分对混凝土部分（2）、负弯矩作用下的正应力计算当组合梁下设有临时支撑时，按一个阶段受力设计，梁上的全部荷载有组合截面承受，其正应力可按下式计算：对钢梁部分对混凝土部分当组合梁下不设临时支撑时，按两个阶段受力设计，其正应力可按下式计算：对钢梁部分对混凝土部分3.2钢筋混凝土梁3.2.1现有承载力计算方法钢筋锈蚀对构件抗弯承载力的影响主要表现在4个方面:钢筋截面面积减小、构件截面尺寸相应变小、钢筋强度降低，以及钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。对于锈蚀引起的前3个因素，在承载力计算中相对容易考虑，且概念上也较明确;对于粘结退化的影响，目前则主要是通过钢筋与混凝土的协同工作系数来考虑，并且在试验基础上给出了该系数的计算公式。现有锈蚀钢筋混凝土梁的承载力计算方法是，先根据锈蚀程度确定钢筋与混凝土的协同工作系数，再考虑钢筋锈蚀损伤后的实际截面面积和屈服强度，最后按混凝土规范中完好构件承载力公式计算锈蚀梁的抗弯承载力。从现有的计算方法来看，计算锈蚀钢筋混凝土梁承载力的关键是确定钢筋与混凝土的协同工作系数。本文中选择了不同的损伤指标，如裂缝宽度、钢筋截面损失率、锈蚀损伤范围[9]等，建议了协同工作系数的取值方法。3.2.2抗弯承载力计算根据构件锈蚀后的截面配筋指标和钢筋锈蚀程度计算极限状态下受拉钢筋的强度利用系数，即可确定锈蚀钢筋的极限应力，再按规范中计算完好混凝土梁的方法计算锈蚀构件的承载力[10]在极限状态下，根据截面平衡条件可得式中:a，为等效矩形的应力值与轴心抗压强度设计值的比值，当混凝土强度等级不超过C50时，取al=1.0；x为等效矩形应力的混凝土受压区高度。由于现行规范GB50010-2002中提高了安全度水平，承载力计算中采用的是轴心抗压强度，为了尽量反映试验构件的实际承载力，在验证计算时，混凝土强度仍采用规范GBJ10-89中的弯曲抗压强度。4、结束语对钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁进行上述对比和研究，钢-混凝土组合梁是利用钢材宜于受拉,混凝土宜于受压的特点,通过剪切连接件将钢梁与混凝土板连接成为整体而共同工作的一种新型承重构件。它兼有钢梁和钢筋混凝土梁的优点,具有良好的经济效益和社会。钢筋混凝土梁也被广泛应用，但是钢筋混凝土结构抗裂性较差，受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作，对一些不允许出现裂缝或对裂缝宽度有严格限制的结构，要满足这些要求就需要提高工程造价。应用的同时要注意其的缺点，所以一定要合理的选择适合的梁。参考文献[1]薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京中国建筑工业出版社，2003.[2]GB50017.钢结构设计规范(送审稿)[S].2002.[3]JTJ025-86.公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].1988.[4]聂建国.钢混凝土组合梁长期变形的计算与分析[J]建筑结构,1997,27(1):42-45.[5]HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E5%91%A8%E6%B3%BD%E5%B9%B3"周泽平,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E7%8E%8B%E6%98%8E%E6%B4%8B"王明洋,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E5%86%AF%E6%B7%91%E8%8A%B3"冯淑芳,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E9%92%B1%E4%B8%83%E8%99%8E"钱七虎.HYPERLINK"/p-QCode~zdycj.html"振动与冲击JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK2007年第26卷第5期.[6]聂建国，张眉河.钢—混凝土组合梁负弯矩区板裂