钢与溷凝土组合梁课件

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。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。

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》GB50010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

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。（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：

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的影响。

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/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。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d22mm，杆长l4d。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/t≤9。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：①栓杆的直径d（或栓钉的截面积As）；②混凝土的弹性模量Ec；③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，故栓钉的抗剪承载力应予折减，规范规定的折减系数是根据试验分析而得的，分为两种情况。当压型钢板的肋平行于钢梁布置时，栓钉承载力折减系数为：bw