钢筋混凝土组合结构二

钢-混凝土组合结构

一、组合梁的优点当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时，宜按钢-混凝土组合梁结构设计。钢-混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件。

（1）组合梁截面中混凝土主要受压，钢梁受拉，充分发挥材料特性，承载力高。承载力相同时，比非组合梁节约钢材达15%-25%。（2）混凝土板参加梁的工作，梁的刚度增大。楼盖结构的刚度要求相同时，采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%-30%。组合梁用于高层建筑，不仅降低楼层结构高度，且显著减轻对地基的荷载。（3）组合梁的翼缘板较宽大，提高了钢梁的侧向刚度，提高了稳定性。改善了钢梁受压区的受力状态，增强抗疲劳性能。（4）可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载，无需设置支撑，加快施工速度。（5）抗震性能好。 （6）在钢梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撑室内管线用，不需埋设预埋件。第三节

钢-混凝土组合梁的组成和构造钢-混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混凝土。解决钢材锈蚀问题：①采用低合金钢材，这种钢材表面锈蚀后可形成保护层，阻断锈蚀继续向内部发展；②采用高质量的防锈蚀油漆。

二、钢梁的截面形式组合梁中钢梁的截面形式多样，如图所示。组合梁中钢梁的截面形式工字钢梁——在跨度小、荷载轻的组合梁中，一般采用小型工字钢；荷载较大时，可在工字钢下翼缘加焊一块钢板条，形成不对称工字形截面；跨度大时，也可采用焊接成型的不对称工字钢。工字钢可通过抗剪连接件与混凝土板组合，也可将上翼缘埋入混凝土板中，此时不需设抗剪连接件。箱形钢梁——适用于公路和铁路桥梁及大跨度重载大梁。轻钢桁架梁及普通钢桁架梁——轻钢桁架用角钢做上弦，用圆钢做下弦及腹杆；普通钢桁架的杆件采用双角钢或单角钢。桁架上弦用抗剪连接件与混凝土板组合，或将桁架上弦节点伸入混凝土板中与混凝土板的连接件，以减小上弦杆型钢的截面尺寸。蜂窝式梁——将工字钢沿腹板纵向割成锯齿形的两着，然后错开对齐焊接凸出部分，形成腹部有六角形开孔的蜂窝式梁，不仅节省钢材，还增大了梁的承载力和刚度。桁架梁和蜂窝式梁适用于跨度较大、荷载较轻的多层建筑。设备管线可穿过梁的空腹处，不需另占楼层空间。组合梁可以加设混凝土板托（图(d)），以增大混凝土板与钢梁间的中心距，使钢梁全截面基本上处于受拉区，提高组合梁的抗弯能力、抗剪能力和刚度。

三、组合梁的构造要求1.截面尺寸抗弯能力、抗剪能力、刚度的要求：简支组合梁的高跨比为1/18-1/12，一般取1/15。混凝土板厚通常取截面高度的1/3左右，一般采用100mm，120mm，140mm，160mm；荷载特别大的平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用180mm，200mm甚至300mm。采用压型钢板的组合楼盖中，压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离不小于50mm。钢梁的截面高度ha不宜于截面总高度h的1/2.5。为保证组合梁腹板的局部稳定性，可按《钢结构设计规范》要求设置加劲肋。

组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求。有托板时，伸出长度不应小于hc2；无托板时，应同时满足伸出钢梁中心线不小于150mm、伸出钢梁翼缘边不小于50mm的要求。组合梁边梁混凝土翼缘板的构造2．横向钢筋板内垂直于钢梁的横向钢筋需经计算确定，并符合最小配筋量要求。横向钢筋应沿梁纵向均匀布置，其下部水平段应布置在距钢梁上翼缘50mm的范围内，因为受到连接件的局部压力作用，钢梁上翼缘附近的混凝土较易劈裂，需要配置钢筋予以加强。在混凝土板边缘到最近一排连接件中心e<300mm的距离的边梁中，横向钢筋应绕过连接件做成U形筋。以保证其有足够的锚固长度，防止由于连接件引起的混凝土板的纵向劈裂。当使用栓钉连接件时，横向钢筋的直径不应小于0.5d，同时，混凝土板边缘到栓钉中心线的距离应大于6d。底部横向钢筋的间距，不应大于连接件伸出钢筋上方长度的8倍，且不超过600mm。此外，上部横向钢筋应满足混凝土板受力钢筋的构造要求。3．板托板托顶部的宽度与高度hc2之比应不小于1.5，且板托的高度不宜大于混凝土板厚度hc1的1.5倍；板托的外形应满足图所示的构造要求，板托边缘距连接件外侧的距离不得小于40mm，板托外表轮廓应在自连接件根部算起的45°仰角之外。4．主次梁连接平接连接方式;叠接连接方式

。

四、抗剪连接件抗抗剪连接件的形状：既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。常用的抗剪连接件类型：栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、T形钢连接件等。宜优先采用栓钉连接件，因其施工方便快速，受力性能好，单位承载力用钢量最少。其次是槽钢连接件。连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系，以有利于抵抗连接件被掀起，避免混凝土发生劈裂。抗剪连连接件件剪力力-滑移曲曲线。图为栓栓钉、、槽钢钢、T形钢连连接件件的剪剪力-滑移曲曲线。。由图图可知知，栓栓钉和和槽钢钢等连连接件件的刚刚度较较小，，变形形能力力较大大，这这类连连接称称为柔柔性连连接件件；T形钢连连接件件的刚刚度较较大，，变形形能力力较小小，称称为刚刚性连连接件件，目目前已已很少少采用用。抗剪连连接件件剪力力—滑移曲曲线第四节节组组合合梁施施工阶阶段计计算一.施工时时设置置临支支撑的的组合合梁施工阶阶段在在钢梁梁下设设置一一系列列临时时支撑撑，可可以近近似认认为钢钢梁在在施工工阶段段不产产生应应力。。混凝凝土硬硬化达达到设设计强强度的的75%后，拆拆去临临时支支撑，，混凝凝土板板和钢钢梁自自重、、使用用荷载载以及及后加加的恒恒载全全部由由组合合梁承承担（（图(a)）。临临时支支撑的的数量量应根根据施施工阶阶段变变形控控制要要求确确定，，跨度度大于于7m时，不不少于于3个；小小于7m时，设设置1-2个。这这种施施工方方法可可以减减小使使用阶阶段组组合梁梁的挠挠度，，但需需要有有较多多的抗抗剪连连接件件以抵抵抗混混凝土土与钢钢梁间间的滑滑移。。对施工工时设设置临临时支支撑的的组合合梁，，可不不进行行施工工阶段段验算算。组合梁梁的施施工方方法二.施工时时无临临支撑撑的组组合梁梁混凝土土硬化化前，，钢梁梁、模模板和和混凝凝土板板的自自重以以及施施工荷荷载均均由钢钢梁承承担；；混凝凝土硬硬化后后，恒恒载、、使用用荷载载及后后加荷荷载由由组合合梁承承担（（图(b)）。施工阶阶段的的荷载载仅由由钢梁梁承担担，故故应按按《钢结构构设计计规范范》的要求求验算算施工工阶段段钢梁梁的截截面正正应力力、腹腹板剪剪应力力、整整体稳稳定及及变形形。无临时时支撑撑组合合梁在在使用用阶段段的挠挠度较较大。。这种种施工工方法法常用用于混混凝土土板自自重不不大的的楼盖盖结构构。在施工工阶段段，当当钢梁梁受压压翼缘缘的自自由长长度与与其宽宽度之之比不不超过过《钢结构构设计计规范范》规定的的最大大值时时（p24，表4.2.1），可可不进进行整整体稳稳定验验算。。第五节节组组合合梁的的承载载力计计算一.组合梁梁受弯弯承载载力组合梁梁设计计的内内容应应包括括：受受弯承承载力力计算算、受受剪承承载力力计算算、抗抗剪连连接件件的数数量和和布置置、混混凝土土翼缘缘板及及其板板托纵纵向界界面受受剪承承载力力计算算、变变形验验算、、负弯弯矩区区段内内混凝凝土翼翼缘板板的最最大裂裂缝宽宽度验验算以以及构构造设设计。。1.组合梁正截截面的受力力性能从开始加荷荷到破坏，，组合梁正正截面经历历弹性、弹弹塑性和塑塑性三个受受力阶段。。组合梁的恒恒载—挠度曲线加荷到破坏坏荷载90%以上时，混混凝土翼缘缘板相对于于钢梁发生生较大的掀掀起变形，，连接件的的水平变形形较大。若若横向钢筋筋不足，板板顶面沿钢钢梁轴线附附近出现纵纵向裂缝（（图(a)），削弱了了混凝土与与钢梁的共共同工作，，此时钢梁梁的屈服范范围已发展展到一定的的高度，受受压区混凝凝土产生塑塑性变形，，挠度迅速速增大，组组合梁进入入塑性阶段段，直到破破坏（图(b)）。组合梁正截截面受力的的实测应变变分布。可可以看出，，在钢梁下下翼缘达到到屈服应变变以前，截截面应变分分布基本上上符合平截截面假定。。实测混凝土土翼缘板相相对于钢梁梁的纵向水水平滑移。。表明，在在钢梁的下下翼缘屈服服以前，钢钢梁与混凝凝土翼缘板板之间的相相对滑移较较小，试验验表明，连连接件的水水平滑移对对组合梁极极限承载力力的影响很很小，计算算承载力时时可以忽略略，但对变变形的影响响则不能忽忽略。而且且纵向剪力力在各连接接件中产生生重分布，，使各连接接件承爱的的剪力超于于均匀。实测混凝土翼缘缘板沿梁长长的掀起变变形。在跨跨中加载点点附近，掀掀起值很小小；由跨中中向支座延延伸，掀起起值不断增增大，约距距支座处l0/10处（l0为计算跨度度）为最大大。交界面上沿沿梁长的掀起起变形弹性计算理理论。早期期的钢-混凝土组合合梁承载力力设计计算算方法。把把混凝土翼翼缘板按钢钢与混凝土土的弹性模模量比折算算成钢材截截面，然后后按材料力力学方法计计算截面的的最大应力力，并使其其小于材料料的容许应应力。这一一计算方法法不考虑塑塑性变形发发展带来的的承载力潜潜力。适合合于重复荷荷载的组合合梁（包括括疲劳强度度）。2.计算方法塑性设计方方法。考虑虑梁破坏前前塑性变形形的发展，，更符合组组合梁的实实际受力情情况。但是是，按塑性性理论计算算时，组合合梁的塑性性变形较大大，构件刚刚度降低很很多，容易易发生局部部压屈、侧侧向压屈和和弯扭压屈屈，以致材材料的强度度不能充分分发挥，导导致承载力力的降低。。组合梁受弯弯时塑性中中和轴的位位置有两种种情况。当当塑性和轴轴位于钢梁梁腹板内时时，受压区区内的钢梁梁上翼缘及及钢梁腹板板有可能产产生局部压压屈。当塑塑性中和轴轴位于混凝凝土翼缘板板内时，钢钢梁位于截截面的受拉拉区，不会会产生局部部压屈。为为保证计算算可靠，按按塑性方法法计算时应应采取措施施保证钢梁梁截面腹板板和翼缘足足够的刚度度，即在达达到塑性受受弯承载力力前，截面面能产生足足够的塑性性转角。为为此，《钢结构设计计规范》规定了按塑塑性方法设设计的板件件宽厚比限限值。（p93，表9.1.4）组合梁板件件宽厚比限限值截面形式翼缘腹板

与前项工字形截面的腹板相同混凝土翼缘缘板的计算算宽度be。组合梁截截面中，混混凝土翼缘缘板内压应应力是通过过抗剪连接接件传递的的。所以，，受弯时沿沿翼缘板宽宽度方向板板内的压应应力分布并并不均匀，，在钢梁轴轴线附件较较大，距轴轴线较远的的板中压应应力较小。。简化之，，计算时取取计算宽度度be，并假定在在be范围内压应应力均匀分分布。计算算宽度be与梁的高跨跨比、荷载载作用形式式、翼缘厚厚度与梁高高比值、钢钢梁间距等等有关。上上翼板的计计算宽度按按下式取值值：混凝土翼缘缘板的计算算宽度be3.受弯承载力力计算（1）按塑性理理论计算的的基本假定定混凝土翼缘缘板与钢梁梁为完全抗抗剪连接；；塑性中和轴轴以上混凝凝土达到轴轴心抗压设设计强度：：忽略塑性中中和轴以下下混凝土的的抗拉强度度；不计托板截截面的作用用；塑性中轴以以下钢梁截截面的拉应应力和塑性性中和轴以以上钢梁截截面的压应应力均达到到钢材的相相应强度设设计值。（2）正弯矩截截面的受弯弯承载力①塑性中中和轴位于于混凝土翼翼缘板内时时塑性中和轴轴位于混凝凝土翼缘板板内时②塑性中中和轴在钢钢梁腹板内内时塑性中和轴轴在钢梁腹腹板内时假定组合梁梁截面上的的全部剪力力仅由钢梁梁腹板承受受，则应满满足：二.组合梁受剪剪承载力三.组合梁纵向向界面受剪剪承载力混凝土翼缘缘板及其托托板的纵向向最不利受剪界界面有两种类型型：一是穿穿过整个板板厚的竖向向受剪界面面a-a；二是围绕绕抗剪连接接件周边的的受剪界面面b-b（无板托））和c-c（有板托））。①单位梁长a-a受剪界面的的纵向剪力力取以下二二式中的较较大值：其中，v=nsNv/s,为钢与混凝凝土界面单单位梁长上上由抗剪连连接件提供供的实际抗抗剪承载力力（N/mm）1.单位梁长受受剪界面的的纵向剪力力②b-b及c-c受剪界面承承担的纵向向剪力在按塑性理理论设计的的完全抗剪剪连接组合合梁中，抗抗剪连接件件基本上是是满应力工工作的，所所以钢与混混凝土界面面上由抗剪剪连接件提提供的实际际抗剪承载载力按连接接件的承载载力计算。。因此，b-b及c-c受剪界面承承担的纵向向剪力等于于连接件传传递的剪力力。按单位位梁长计算算为：2.单位梁长界界面受剪极极限承载力力根据试验研究究，单位梁长长界面受剪极极限承载力可可按下式计算算：第六节抗剪剪连接件设计计一.构造要求1.一般要求抗剪连接件的的作用是抵抗抗水平剪力和和竖向掀起力力。设置抗剪连接接件的一般要要求是：连接接件的抗掀起起作用面（如如栓钉头部的的底面）高出出翼缘板底部部钢筋顶面不不小于30mm；当设置板托托时，板托中中横向钢筋距距连接件顶面面位置应不小小于40mm。连接件上部部混凝土保护护层厚度不小小于15mm；连接件的纵纵向间距不应大于600mm或混凝土翼缘缘板厚度的4倍；连接件的的外侧边缘至至钢梁缘边缘缘之间的距离离不应小于20mm，当有托座时时不应小于40mm。2.各种抗剪连接接件的构造要要求（1）栓钉连接件件栓钉是采用自自动栓钉焊接接机焊接于钢钢梁翼缘上的的，各个方向向具有相同的的强度和刚度度，不影响混混凝土板中钢钢筋的布置。。栓钉连接件的的公称直径有有8mm，10mm，13mm，16mm，19mm及22mm，常用的为后后四种。栓钉钉沿梁轴线方方向的间距不应小于焊杆直径的6倍；垂直于梁梁轴线方向的的间距不应小于焊杆直径的4倍。栓钉连接件的的布置要求采用压型钢板板的组合楼盖盖中，栓钉直直径不宜大于于19mm。安装后栓钉钉高度应应符合的要求。（2）槽钢连接件件当栓钉的抗剪剪能力不满足足要求或者不不具备栓钉焊焊接设备时，，可采用槽钢钢连接件（图图）。槽钢连连接件一般采采用Q235钢轧制的[8、[10、[12等小型槽钢，，其长度不能超过钢梁翼缘宽度度减去50mm后的值。槽钢钢连接件翼缘缘肢尖方向应与混凝土板板中水平剪应力的的方向一致，并仅在在槽刚下翼缘缘根部和趾部（即垂直于钢钢梁的方向））与钢梁焊接接，角焊尺寸寸根据计算确确定，但不小小于5mm。为减少钢梁梁上翼缘的焊焊接变形，平平行于钢梁的的方向不需施施焊。槽钢连接件（3）弯筋连接件件弯筋连接件一一般采用直径径不小于12mm的HPB235级钢筋，弯起起角度宜为45°，弯折方向应与板中纵向水平剪应应力的方向一致，，并成对设置置。沿梁轴线线方向的间距距不小于0.7hc1，（hc1为混凝土板厚厚度），且不不大于2hc1；弯筋连接件件的长度不小小于其直径的的30倍，从弯起点点算起的长度度不小于直径径的25倍，其中，水水平段的长度度不小于其直直径的10倍（光面钢筋筋应加弯钢））。弯筋连接接件与钢梁连连接的双侧焊焊缝长度为4d（HRB335级钢筋）或5d（HPB235级钢筋）。弯筋连接件二.受力性能1.荷载-滑移曲线推出试验。国国际上以推出出试验作为连连接件的标准准试验，图为为常用的（欧欧洲钢结构协协会（ECCS））1981年公布）连接接件推出试验验标准试件，，同时规定了了试验要求。。梁式试验。能能较好反映连连接件的组合合梁中的受力力变形性能，，但试验较为为复杂。推出试验标准准试件荷载-滑移曲线（P-s）。初始受力阶阶段（A点以前），关关系近似于直直线，为弹性性受力阶段；；当荷载到极极限荷载的50%左右时，关系系曲线明显弯弯曲，滑移增增加较快，连连接件处于弹弹塑性受力阶阶段；接近极极限荷载时，，关系曲线趋趋于水平，为为塑性受力阶阶段。槽钢连连接件的荷载载-滑移关系曲线线在极限荷载载后有一下降降段。剪力—滑移曲线2.抗剪连接的破破坏形态（1）连接件受剪剪受拉破坏混凝土强度等等级比较高时时，连接件的的承载力与混混凝土无关，，取决于连接接件的类型及及材质。这种种破坏也包括括焊缝破坏。。（2）连接件附近近混凝土破坏坏栓钉连接件的的承压应力在在底部最大，，沿高度逐渐渐减小，当接接近顶部时承承压应力开始始反向。前方方根部混凝土土的局部受压压破碎或劈裂裂。栓钉连接件破破坏槽钢连接件破破坏：以混凝凝土板劈裂最最为常见，混混凝土板中在在连接件受力力方向形成宏宏观纵向裂缝缝，在垂直方方向形成宏观观横向裂缝。。此类破坏时时连接件的承承载力取决于于混凝土的强强度等级及品品种。槽钢连接件破破坏三.单个抗剪连接接件承载力1.栓钉连接件组合梁中的栓栓钉连接件主主要承受侧压压力，一般情情况下掀起作作用在栓钉中中产生的拉力力很小，可以以忽略不计，，因此栓钉承承载力可按纯纯剪受力模型型计算。当栓栓钉中的拉力力不可忽略时时，可按拉、、剪组合作用用计算。栓钉除承受剪剪切作用外，，其根部混凝凝土承受局部部压力，因此此混凝土的强强度和变形对对栓钉受剪承承载力也有影影响。当混凝土立方方体强度fcu<35N/mm2时，单根栓钉的受受剪承载力与与栓钉截面积积、混凝土轴轴心抗压强度度和弹性模量量有关。当混混凝土强度fcu≥35N/mm2时，栓钉的最最大受剪承载载力取决于检检钉的抗剪能能力。单根栓钉受剪剪承载力计算算公式如下：：式中Ad——栓钉钉杆的截截面积；fdu——栓钉的极限抗抗拉强度，当当fdu>520N/mm2时，取fdu=520N/mm2；EC——混凝土的弹性性模量；fc——混凝土的轴心心抗压强度；；k——由试验研究确确定的经验系系数，其值与与栓钉的高度度和直径的比比值有关。栓栓钉的高度为为其直径4倍以上时（（常见情况况），取k=0.43。式中不等号号右边表示示单个栓钉钉本身的受受剪承载力力设计值，，考虑到栓栓钉受到周围混凝土土的约束，，其抗剪强强度有所提提高，故取栓钉钉的抗剪强强度为抗拉拉强度的70%。2.槽钢连接件件影响槽钢连连接件抗剪剪承载力的的主要因素素有混凝土土强度、槽槽钢强度及及几何尺寸寸。单个槽槽钢连接件件的受剪承承载力按下下式计算：：3.弯筋连接件件单个弯筋连连接件的受受剪承载力力按下式计计算：对于连续组组合梁的负负弯矩区，，由于混凝凝土板受拉拉，连接件件的抗剪承承载力有所所降低，应应乘以折减减系数0.85。四.抗剪连接件件的数量和和布置完全抗剪连连接组合梁梁的抗剪连连接件设计计应保证梁梁截面在达达到受弯承承载力之前前，交界面面不发生连连接件的受受剪破坏。。因此，最最大弯矩截截面至零弯弯截面之间间区段（剪剪跨区）内内的连接件件数量按下下式计算：：第七节组组合梁的的变形计算算1.换算截面法法混凝土板的的换算宽度度按下列公公式计算：：计算荷载效效应标准组组合下的挠挠度时计算荷载效效应准永久久组合下的的挠度时正常使用阶阶段组合梁梁的变形计计算采用弹弹性理论，，要求分别别按荷载效效应标准组组合值、荷荷载效应准准永久组合合值（考虑虑长期荷载载作用下混混凝土徐变变、收缩的的影响）计计算，其中中的较大者者不应大于于规范规定定的挠度限限值。用换算截面面计算截面面分别计算算荷载效应应标准组合合值下和荷荷载效应准准永久组合合值下的形形心轴位置置、惯性矩矩及短期刚刚度Bs、刚度B。最后，利利用材料力力学公式计计算相应的的挠度。2.折减刚度法法考虑滑移效效应对组合合梁刚度的的影响，对对换算截面面刚度的进进行折减。。试验结果果证实，在在采用栓钉钉等柔性抗抗剪连接件件的组合