淺談鋼—混凝土組合梁設(shè)計(jì)方法

夏少軍

摘 要：鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，其充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的各自優(yōu)點(diǎn)，即混凝土的抗壓性能和鋼的抗拉性能，使得材料性能得到充分合理的利用。作為組合結(jié)構(gòu)的重要一員，鋼—混凝土組合梁因其自重輕、延性好、承載力高、施工方便、綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到日益廣泛的應(yīng)用。文章主要介紹了鋼—混凝土組合梁的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，最后對組合梁目前尚未深入研究的問題進(jìn)行了總結(jié)并予以展望。

關(guān)鍵詞：鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)；鋼—混凝土組合梁；抗壓性能；抗拉性能

鋼—混凝土組合梁是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種組合構(gòu)件，通過剪力連接件將鋼梁和混凝土板連接起來共同工作，它能夠充分發(fā)揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使材料的性能得到充分合理地利用，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。與鋼筋混凝土梁相比，鋼—混凝土組合梁高度減小，剛度提高，可節(jié)省材料，并可自由地煌接管道線路和固定預(yù)埋件，這一優(yōu)點(diǎn)常用于工業(yè)房屋建筑中。與鋼梁相比，鋼—混凝土組合梁可以減小撓度和位移，提高截面剛度。雖然優(yōu)點(diǎn)顯著，但組合梁也有缺點(diǎn)，如耐火性能較差以及抗剪連接件的制作和連接較為困難等。

1 變形和剛度計(jì)算

鋼—混凝土組合梁交界面相對滑移是由抗剪連接件的變形引起的。分析表明，由混凝土翼板和鋼梁間的相對滑移引起的附加撓度在10%～15%以下，國內(nèi)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為9%。界面滑移不但會降低結(jié)構(gòu)的剛度，使組合梁的變形增大，而且會使組合梁截面抗彎承載力減小。影響界面滑移的因素主要有：連接件的性質(zhì)及周圍混凝土變形能力、鋼梁與混凝土板交界面上粘結(jié)力等。

目前，國內(nèi)外組合梁的撓度計(jì)算方法主要有以下幾種：

1.1 換算截面法。我國原《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17-88）即采用此方法。雖然這種方法計(jì)算簡便，易于掌握，但其未考慮交界面滑移和組合梁剪切連接程度不同的影響，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

1.2 基于換算截面法的內(nèi)插法。這種方法考慮了剪切連接件的抗剪能力對組合梁截面有效抗彎剛度的貢獻(xiàn)，可以較方便地計(jì)算組合梁的撓度，但是當(dāng)連接程度較低時(shí)存在較大誤差。

1.3 解析法。解析方法求解微分方程困難，不易掌握，因此難以獲得推廣。

1.4 折減剛度法。通過對組合梁的換算截面抗彎剛度EIeq進(jìn)行折減的方法來考慮滑移效應(yīng)。該方法既適用于完全抗剪連接組合梁，也適用于部分抗剪連接組合梁和鋼梁與壓型鋼板混凝土組合板構(gòu)成的組合梁。

總體來說，目前國內(nèi)外對于鋼—混凝土組合梁短期效應(yīng)研究比較多，而對于長期荷載作用下組合梁效應(yīng)的研究還不夠。對此，我國現(xiàn)行規(guī)范是通過降低混凝土彈性模量的方法來考慮荷載的長期效應(yīng)，即混凝土徐變的影響。鑒于徐變受多種因素的影響，如荷載的大小、齡期、周圍環(huán)境的濕度、溫度等，采用一個(gè)統(tǒng)一的彈性模量降低系數(shù)來考慮混凝土徐變及收縮的影響并不合理，筆者建議設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剛度折減計(jì)算時(shí)應(yīng)針對實(shí)際情況慎重取值。

2 抗剪連接件設(shè)計(jì)

抗剪連接件是連接鋼梁與混凝土板以使倆者共同工作的關(guān)鍵部件，它傳遞鋼梁和混凝土翼板之間的剪力，抵抗兩者連接部位的掀起，抗剪連接件受力復(fù)雜且易產(chǎn)生疲勞。栓釘在混凝土中的抗剪機(jī)理類似于彈性地基梁，栓釘根部混凝土受到栓釘、鋼梁和周圍混凝土的約束作用，產(chǎn)生局部承壓，其受壓強(qiáng)度有所提高。由受力機(jī)理可知，影響栓釘抗剪承載力的因素主要有：栓釘?shù)闹睆健⒒炷恋膹椖＜皬?qiáng)度等級。

連接件受力復(fù)雜，很難用理論方法建立抗剪承載力計(jì)算模型，目前一般都是通過實(shí)驗(yàn)來確定抗剪性能，常見的試驗(yàn)方法有推出試驗(yàn)與梁式試驗(yàn)兩種。一般來說，推出試驗(yàn)得到的承載力偏低，但考慮安全，各國一般都采用推出試驗(yàn)的結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

我國的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003》采用下式計(jì)算栓釘?shù)目辜舫休d力：

Ncv=0.43As≤0.7Asγf

式中，Ec為混凝土彈性模量；As為圓柱頭焊釘（栓釘）釘桿的截面面積；f為圓柱頭焊釘（栓釘）釘桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；γ為栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服強(qiáng)度之比。當(dāng)栓釘材料性能等級為4.6級時(shí)，取f=215（N/mm2），γ=1.67。

3 抗彎承載力分析

計(jì)算組合梁的抗彎承載力時(shí)，采用塑性而不是彈性的分析方法進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)閺椥晕茨艹浞职l(fā)揮材料的強(qiáng)度潛力，計(jì)算偏于保守，且不符合組合梁實(shí)際工作情況。在確定組合梁截面抗彎承載力時(shí)，采用以下基本假定：（1）位于塑性中和軸一側(cè)的受拉混凝土因?yàn)殚_裂而不參加工作，板托部分亦不考慮，假定混凝土受壓區(qū)均勻受壓，并達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。（2）剪力全部由鋼梁承擔(dān)并按鋼梁的塑性抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，不考慮剪力對組合梁抗彎承載力的影響。（3）忽略鋼筋混凝土翼板受壓區(qū)中鋼筋的作用。（4）不考慮施工過程中有無支撐及混凝土的徐變、收縮與溫度應(yīng)力的影響。

組合梁按塑性中和軸所在位置可分為第一類截面（塑性中和軸在混凝土翼緣板內(nèi)）和第二類截面（塑性中和軸在鋼梁內(nèi)）。這倆類截面分別采用不同的承載力計(jì)算公式。

4 抗剪承載力分析

組合梁的受剪是由鋼梁和混凝土共同承擔(dān)的，因此它的破壞形態(tài)與鋼和混凝土都有相似之處，但又有所區(qū)別：（1）鋼筋混凝土梁的中和軸上面部分受壓，下面部分受拉，混凝土處于拉剪和壓剪兩種狀態(tài)；（2）普通矩形鋼筋混凝土梁在中和軸處的剪應(yīng)力最大，而組合梁由于是倆種不同材料的組合，其最大剪應(yīng)力可能在中和軸或靠近中和軸的鋼梁腹板處；（3）組合梁的應(yīng)力狀態(tài)比普通鋼筋混凝土梁要復(fù)雜得多。

我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003》假定組合梁上的全部剪力由鋼梁腹板承受，不考慮混凝土的抗剪作用，計(jì)算公式如下：

V≤hwtwfv

式中：hw為腹板高度；tw為腹板厚度；fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

上述方法其實(shí)是偏于保守的，國內(nèi)外一些試驗(yàn)表明，組合梁的抗剪承載力要比鋼梁腹板高20%以上，原因很有可能是混凝土翼板對抗剪有所貢獻(xiàn)，也有可能是鋼梁腹板在雙向應(yīng)力作用下抗剪承載力有所提高所致。

5 結(jié)論與展望

鋼-混凝土組合梁作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，具備鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，其在大跨樓蓋等工程的應(yīng)用中已漸顯優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)大量應(yīng)用于實(shí)際工程，如高層、超高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)等。結(jié)合目前國內(nèi)外已做的試驗(yàn)研究和理論分析，組合梁在很多方面的研究仍不夠深入，如反復(fù)荷載下的動(dòng)力性能、耐久性、抗火性、疲勞性、截面的優(yōu)化、可靠度分析、荷載長期作用下的徐變和收縮效應(yīng)等，這些問題需要做進(jìn)一步的研究。不管怎樣，相信隨著相關(guān)研究的深入，組合結(jié)構(gòu)一定具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.

[2] 郭志毅.鋼-混凝土簡支組合梁抗彎性能的試驗(yàn)與理論研究[D].西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2007.