我國鋼骨混凝土轉換梁的研究及應用現狀

徐樹全 張海斌

(哈爾濱工業大學建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

由于建筑功能需要，很多時候上層樓層部分豎向構件不能直接連接貫通落地，為解決豎向荷載的傳遞問題，需設置轉換結構構件[1]，轉換梁是最為常見的一種轉換結構構件，約占總數的85%以上，常用的轉換梁形式有鋼筋混凝土梁、預應力混凝土梁、鋼梁以及鋼骨混凝土梁等。作為一種鋼—混凝土組合構件，鋼骨混凝土轉換梁具有承載力高、剛度大、延性好、抗震能力強、防火、防腐性能好等一系列優點[2]，能夠很好地解決轉換層的抗震問題，同時施工方便，工期較短，近年來在工程中得到了大量的應用。

梁的高度一般根據跨高比決定，文獻[3]對國內外八十多棟采用梁式轉換層的高層建筑結構進行了統計，結果表明鋼骨混凝土轉換梁結構的跨高比平均值大于預應力混凝土轉換梁和普通鋼筋混凝土轉換梁，這表明采用鋼骨混凝土轉換梁可以更有效減小構件截面尺寸。

目前國內對鋼骨混凝土轉換梁的工程應用與設計計算進行了較多的研究，本文選取其中一些具有代表性的研究現狀進行了分類總結。

1 鋼骨混凝土有關規范

鋼骨混凝土的概念是20世紀50年代從前蘇聯傳入我國的，前蘇聯的叫法是勁性鋼筋混凝土，而在日本則稱為鋼骨混凝土。經過多年的工程應用和分析研究，目前我國已制定了專門的規程指導鋼骨混凝土結構的設計和施工，主要兩部為住建部批準的JGJ 138—2016組合結構設計規范(以下簡稱為《組合規范》)和冶金部批準的YB 9082—2006鋼骨混凝土結構技術規程(以下簡稱為《鋼骨規程》)，前者在2016年12月開始實施，取代了之前實施多年的JGJ 131—2001型鋼混凝土組合結構技術規程(以下簡稱為《型鋼規程》)。考慮到已有的大量針對鋼骨混凝土轉換梁的研究和設計均是參照《型鋼規程》，盡管該規程已經廢止，本文仍然列出了有關該規程的相應內容。

對于上述兩部規范規程，前者以鋼筋混凝土理論為基礎，參考了較多試驗研究成果，引入了平截面假定，采用極限狀態設計方法進行設計，采用修正的計算公式考慮了型鋼與混凝土之間的粘結作用，一定程度上是修正了蘇聯公式。后者主要參考日本規范，忽略了型鋼與混凝土之間的粘結滑移作用，認為二者獨立工作，假設承載力為二者簡單疊加，該規程方便工程設計，可操作性強，但是結果偏于保守。兩者在受彎梁構件正截面承載力計算、斜截面承載力計算以及構造要求等方面均存在一定差異。

2 鋼骨混凝土轉換梁研究應用現狀

鋼骨混凝土轉換梁的研究應用主要涉及的關鍵問題包括受力性能分析、施工過程分析研究以及連接構造等，目前國內的學者已開展了較為豐富的研究，具體內容如下。

2.1 受力性能研究

鋼骨混凝土轉換梁處于高層建筑上下層的過渡連接區域，承受荷載大，受力狀態復雜且存在應力集中問題，進行設計時，需要首先進行結構的整體受力分析，獲得構件的設計荷載和內力，進而根據上述規程進行構件計算，鋼骨混凝土轉換梁的受力性能分析，主要包括抗彎性能、抗剪性能及抗震性能分析。

文獻[3]結合具體工程實例，參照上述兩部規程，進行了鋼骨混凝土轉換梁的截面設計和承載力驗算，研究結果表明，《型鋼規程》得到的抗彎承載力較《鋼骨規程》大，但是抗剪承載力較后者小。《型鋼規程》計算的抗彎與抗剪承載力均與有限元結果較為接近，具體設計時可取兩部規程的下限作為鋼骨混凝土轉換梁的承載力設計值。值得注意的是，《型鋼規程》中采用換算直徑的方法來驗算裂縫寬度會使得裂縫寬度較大，與實際情況相比偏于不利。

文獻[5]分析了鋼骨混凝土轉換梁與上部剪力墻共同作用時的基本受力特點，指出進行鋼骨混凝土轉換梁設計時，需考慮剪力墻參與工作部分，同時提出了相應的計算方法、結構設計和構造的保障措施，為工程應用和規范修訂提供了依據。

文獻[6]利用有限元軟件分析了鋼骨混凝土轉換梁與上部剪力墻體共同作用時的受力和變形性能，計算了鋼骨混凝土轉換梁的內力和撓度，有限元結果和實際工程計算結果吻合良好，而傳統的不考慮二者相互作用的計算結果與真實結果相差較大。通過數值結果總結了鋼骨混凝土轉換梁的受力工作特點：鋼骨混凝土轉換梁與上部墻體的共同作用效應明顯，剪力墻中存在拱效應，剪力墻與轉換梁可以共同抵抗剪力，且轉換梁中大部分剪力由型鋼承受，轉換梁邊跨上剪應力中間小、兩側大，支座附近剪應力較大，由于二者的共同作用,轉換梁整體上表現為偏心受拉狀態，沿梁跨度方向,二者接觸面的水平正應力和豎向壓應力也呈現兩端大、中間小的分布形式,剪力墻下部參與了共同工作,與轉換梁共同抵抗彎矩,轉換梁中型鋼承擔著較大的拉應力；相比于跨中，轉換梁端承受較大的彎矩和剪力，進行設計時，需要進行梁與墻體端部連接節點的強化設計。

2.2 鋼骨混凝土轉換梁施工

鋼骨混凝土轉換梁尺寸較大，施工過程龐大而復雜,需要解決一系列關鍵問題，同時有必要研究施工過程中轉換梁、模板以及支撐對于轉換層下部結構的影響。

文獻[7]介紹了鋼骨混凝土轉換梁施工過程中模板支撐、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑措施，文中分析了常用的三種模板支撐方案即荷載傳遞一次澆筑法支模、疊合澆筑法支模和常規一次澆筑法支模的特點和適用性。文獻[8]結合具體工程實例，利用ABAQUS建立了鋼骨混凝土梁轉換層的三維模型，模擬了轉換梁的施工過程，分析實際工程中的鋼骨混凝土轉換層在層疊澆筑施工條件下梁板柱結構的受力和變形性能，結果表明：澆筑過程中柱子和墻根屬于薄弱部位，應配置加強鋼筋抵抗負彎矩；首次澆筑高度大于梁高的1/4即可考慮拆除支撐，轉換梁可承受二次澆筑荷載及施工荷載，拆除后下層梁板結構受力及變形均符合要求，上述研究為工程應用提供了參考和建議。

2.3 連接構造

鋼骨混凝土轉換梁的構造以及其與柱子的連接節點是應用中非常重要的問題，對于鋼骨混凝土轉換梁的連接構造要求，包括截面的含鋼率、型鋼的保護層厚度、寬厚比限值和梁柱節點的連接形式等，前述兩部規程中已經進行了相應的規定和說明。

文獻[3]提及了一種常用的鋼骨混凝土轉換梁梁柱節點連接形式，可為工程應用提供參考。

文獻[9]結合某具體工程的施工過程,分析和探討了轉換層鋼骨混凝土梁柱節點的設計、制作、安裝、鋼筋綁扎、模板設計與施工、混凝土澆筑等一系列施工工藝,總結形成一套梁柱節點的施工技術,為類似工程施工提供了借鑒。

文獻[10]介紹了某工程中采用格構式鋼骨混凝土轉換梁的設計與施工要點，可以采取梁端加腋和設置節點加強桁架的構造措施來保證節點的工作性能,文中提出了格構式鋼骨混凝土節點抗剪強度計算公式及轉動剛度分析方法。

2.4 預應力鋼骨混凝土轉換梁

工程中出現了一些新型鋼骨混凝土轉換梁，應用較多的是預應力鋼骨混凝土轉換梁。預應力鋼骨混凝土轉換梁是在混凝土中布置預應力鋼筋，對鋼骨混凝土梁施加預應力，兼具預應力混凝土梁和鋼骨混凝土梁的優點，可以進一步減小裂縫寬度和撓度，提高抗裂性能和承載力，是一種新型、高效且很有發展前途的結構形式。

文獻[11]介紹了預應力轉換構件在我國的研究概況，總結了其在結構整體分析和構件分析時存在的問題，認為轉換層預應力的施加僅會對局部構件的變形和受力產生影響，并不會影響結構整體的受力性能。

文獻[12]對預應力鋼骨混凝土轉換梁的研究表明相比傳統的鋼骨混凝土轉換梁，施加預應力之后，可以很好地避免非結構裂縫的出現，提高構件的耐久性，同時預應力鋼筋能夠減少對支座處產生的次應力,改善柱的受力狀態。

文獻[13]就預應力鋼骨混凝土梁式轉換結構的受力性能、設計理論和抗震性能等進行了綜述分析，文中提出了實用的預應力鋼骨混凝土梁的抗剪承載力計算公式，較為全面的考慮了型鋼、混凝土以及鋼筋的抗剪貢獻。在忽略預應力產生的次內力效應之后，可以假設預應力對于結構的整體受力和變形無影響，進而將預應力鋼骨混凝土梁簡化為等截面的普通鋼骨混凝土梁。

文獻[14]進行了預應力鋼骨混凝土梁和普通鋼骨混凝土梁的受彎性能試驗,分析了預應力鋼骨混凝土梁的抗裂性能、裂縫開展和分布規律、破壞形態和變形發展規律。結果表明：預應力鋼骨混凝土梁比普通鋼骨混凝土梁有更好的剛度，構件的撓度和裂縫可以得到很好地控制。

相較于傳統的鋼筋混凝土轉換梁，預應力混凝土轉換梁可以減小截面尺寸，提高受彎承載力，但是提高受剪承載力相對較難，而轉換梁的截面尺寸往往由剪力控制[15]，預應力鋼骨混凝土轉換梁結合了預應力混凝土梁和鋼骨混凝土梁的優點，可以提高構件的抗剪能力,但是該類構件具有預應力大小難以確定以及施工工藝復雜等缺點，一定程度限制了其推廣應用。

3 結語

本文就工程中常用的鋼骨混凝土轉換梁的研究及應用進行了一些介紹，主要包括現行兩本規范關于鋼骨構件設計方法差異的對比，鋼骨混凝土轉換梁受力性能、施工過程以及節點構造等研究現狀，還對一種較為新型的預應力鋼骨混凝土轉換梁的研究進行分析。結合既有研究及工程實例，可知鋼骨混凝土轉換梁是一種受力性能十分優異的構件，值得工程應用推廣。

目前關于鋼骨混凝土轉換梁的研究雖然已經取得了較多成果，但是其研究和應用仍然存在著較多問題，比如設計規程方法有差異，結果不統一，設計公式偏于保守，未考慮與周圍構件的共同工作等，這有待日后的進一步研究來不斷修正與完善。