淺談鋼—砼組合梁的研究和應(yīng)用

【摘要】鋼-砼組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼和砼兩種材料的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文介紹了這種結(jié)構(gòu)的中外研究現(xiàn)狀，及在我國(guó)的應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】組合結(jié)構(gòu)；組合梁

1、概述

鋼-砼組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和RC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)形式，它由鋼構(gòu)件和RC構(gòu)件組合而成，如組合梁、組合樓板等組合構(gòu)件。同RC結(jié)構(gòu)相比，可以減小構(gòu)件截面尺寸，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性等；同鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩(wěn)定性和整體性。

2、鋼-砼組合梁的研究現(xiàn)狀

鋼-砼組合梁可以分為外包砼組合梁和T形組合梁，前者主要依靠鋼材與砼之間的粘結(jié)力協(xié)同工作，后者則依靠抗剪連接件將鋼梁與砼翼板組合在一起。

鋼-砼組合梁試驗(yàn)研究始于20世紀(jì)20年代，按照彈性理論進(jìn)行分析，其原理是將組合截面換算成同一材料的截面，根據(jù)初等彎曲理論進(jìn)行截面計(jì)算。60年代后，則逐漸轉(zhuǎn)入塑性理論分析，研究了組合梁的破壞形態(tài)，極限承載力，荷載與滑移的關(guān)系以及連續(xù)組合梁的性能和塑性內(nèi)力重分布的規(guī)律，并建立了相應(yīng)的計(jì)算公式。

關(guān)于組合梁承載能力的研究，1975年R.PJohnson等學(xué)者提出了考慮剪切滑移影響的簡(jiǎn)支組合梁抗彎承載力的計(jì)算公式。在國(guó)內(nèi)，聶建國(guó)[1]等通過(guò)4根部分剪力連接組合梁的試驗(yàn)研究和對(duì)國(guó)內(nèi)外8根部分剪力連接組合梁受彎極限承載力的分析，考慮剪力連接程度的影響，對(duì)R.PJohnson的組合梁受彎極限承載力公式進(jìn)行了修正。樊鍵生[2]等通過(guò)3根兩跨鋼-壓型鋼板砼組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)控制力比，壓型鋼板組合梁支座負(fù)彎矩區(qū)具有足夠的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和延性，能夠保證其塑性內(nèi)力重分布，并通過(guò)計(jì)算分析對(duì)連續(xù)組合梁的負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)給出了建議值。

對(duì)連續(xù)組合梁，在負(fù)彎矩作用下極限狀態(tài)的一般特征為：負(fù)彎矩區(qū)砼翼板受拉開(kāi)裂后退出工作，同時(shí)砼板中的縱向受拉鋼筋達(dá)到或超過(guò)屈服應(yīng)變，鋼梁的拉區(qū)和壓區(qū)大部分也達(dá)到或超過(guò)屈服應(yīng)變，其受力狀態(tài)類似RC梁。我國(guó)規(guī)范規(guī)定可以采用塑性理論計(jì)算抗彎承載力，并在計(jì)算中假定鋼梁與砼翼板有可靠連接，能保證鋼筋應(yīng)力的充分發(fā)揮，忽略砼抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。規(guī)范規(guī)定組合梁在負(fù)彎矩作用區(qū)段拉力全部由翼板內(nèi)配置的縱向鋼筋承受。

關(guān)于組合梁變形和剛度的研究，參考文獻(xiàn)[3]按照折減剛度法提出了彈性范圍內(nèi)鋼-砼組合梁的剛度和變形公式。實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)荷載作用下，梁仍處于正常使用極限范圍，極限承載力較高的鋼-砼組合梁仍為彈性階段，因而在鋼梁和砼翼緣均為彈性材料的假設(shè)前提下，按該文獻(xiàn)提出的剛度和變形計(jì)算公式具有較好的精度。

鋼-砼組合梁的砼板與鋼梁之所以能形成整體共同工作，關(guān)鍵是由于抗剪連接件（栓釘）傳遞二者之間的剪力。栓釘實(shí)際承載力、縱向抗剪以及砼翼緣的縱向劈裂驗(yàn)算，以往的規(guī)范關(guān)于栓釘連接件極限承載力的計(jì)算偏于安全、不經(jīng)濟(jì)。文獻(xiàn)[3]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)公式進(jìn)行了修正， 提高了鋼-砼組合梁縱向抗剪的設(shè)計(jì)和計(jì)算精度。

外包砼組合梁相比T形組合梁而言整體剛度提高，出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能改善，材料強(qiáng)度利用充分。但其配筋構(gòu)造較為復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)中必須給予細(xì)致的考慮，否則將使工程施工十分困難。

關(guān)于外包砼組合梁的受彎極限承載力主要有簡(jiǎn)單疊加法，即將鋼梁和RC作為兩個(gè)獨(dú)立部分，將其承載力進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加。試驗(yàn)證明該方法偏于安全，日本規(guī)范主要采用這種方法。參考文獻(xiàn)[4]考慮了鋼梁和砼的共同作用，采用一般疊加法建立了外包砼組合梁的受彎極限承載力計(jì)算公式。并且在該文獻(xiàn)中，研究者通過(guò)大量的試驗(yàn)建立了關(guān)于型鋼砼較完善的理論體系，可供工程設(shè)計(jì)人員研究參考。

3、鋼-砼組合梁的應(yīng)用

高層建筑中最早用于北京國(guó)際技術(shù)培訓(xùn)中心兩棟18層塔樓。采用冷彎薄壁型鋼-砼簡(jiǎn)支組合梁。梁全高300mm，跨度6m，其設(shè)計(jì)以試驗(yàn)研究為依據(jù)，栓釘剪力連接件設(shè)計(jì)中，節(jié)約栓釘47%，與RC疊合板相比，自重降低29%，造價(jià)降低5%，工期縮短25%，為其在高層建筑中的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。建于1987年的北京長(zhǎng)富宮中心使用了鋼骨砼梁，截面為500x950及500x1100，相應(yīng)鋼骨為高度650及850的工字形截面。廣州市人大辦公廳濱江東住宅主體結(jié)構(gòu)地面以上31層，該工程采用底部大空間框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。樓轉(zhuǎn)換層大梁采用鋼骨砼梁，截面為0.8m×2.0m。建于1998年的上海金茂大廈為地下3層和地上88層的多功能建筑，總高421米，該建筑采用鋼—砼結(jié)構(gòu)，使用鋼-砼組合梁。建于2003年的上海世紀(jì)廣場(chǎng)采用了鋼-砼、鋼骨砼組合梁。使用壓型鋼板組合樓板-鋼梁的有建于2000年深圳的賽格廣場(chǎng)和建成于2005年的北京LG大廈，以及上海金融大廈，廣州西塔等。

橋梁中：1993北京國(guó)貿(mào)橋首次采用3跨鋼-砼疊合板連續(xù)組合梁（40+46+40 m），支座負(fù)彎矩處在砼橋面板上施加預(yù)應(yīng)力。比原現(xiàn)澆橋面板方案節(jié)省近4000m2的模板，減小現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量，縮短工期一半，且未中斷交通；比RC橋梁減輕自重約50%；比鋼橋節(jié)省鋼材30%左右。此外深圳北站大橋、上海南浦大橋和楊浦大橋的橋面結(jié)構(gòu)亦采用這種鋼-砼疊合板梁橋結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：

鋼一砼組合梁能合理利用材料各自的材料特性，與鋼結(jié)構(gòu)相比，節(jié)約鋼材20%～40%；比RC梁節(jié)約砼，減輕自重且截面高度小；組合梁的整體性、抗剪性能好，耗能能力強(qiáng)，因而表現(xiàn)出良好的抗震性能；能節(jié)省支模工序和模板、施工速度快、綜合效益好等顯著優(yōu)點(diǎn)，作為重要的橫向承重構(gòu)件之一可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房，大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)等。組合梁和鋼管砼柱或型鋼砼柱形成鋼一砼組合結(jié)構(gòu)體系具有良好的受力性能和很好的綜合效益，應(yīng)用前景廣闊。工程實(shí)踐表明，推廣應(yīng)用鋼一砼組合梁符合我國(guó)基本建設(shè)的國(guó)情，有利于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶建國(guó)，崔玉萍，石中柱等.部分剪力連接鋼一砼組合梁受彎極限承載力的計(jì)算.工程力學(xué)，2000，17（3）：37-42

[2]樊鍵生，聶建國(guó)，葉清華等.鋼一壓型鋼板砼連續(xù)組合梁調(diào)幅系數(shù)的研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22（2）：57-60

[3]聶建國(guó)，沈聚敏，余志武，考慮滑移效應(yīng)的鋼-砼組合梁變形計(jì)算的折減剛度法[J].1995，28（2）：11-17

[4]趙鴻鐵，鋼與砼組合結(jié)構(gòu)，科學(xué)出版社，2001

作者簡(jiǎn)介：

宋慧斌，廣州市建筑科學(xué)研究院新技術(shù)開(kāi)發(fā)中心有限公司。