淺談型鋼混凝土梁的設(shè)計

黃 民

（中節(jié)能建設(shè)工程設(shè)計院有限公司 四川 成都 610052）

1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是構(gòu)件以勁性型鋼為骨架，骨架周圍配置鋼筋，澆注混凝土后，鋼骨架與外包鋼筋混凝土成為一體所形成的組合結(jié)構(gòu)。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有許多顯著的特點：

1） 在截面尺寸相同的條件下， 可以合理配置較多的鋼材。 受力較大的柱，當(dāng)采用鋼筋混凝土構(gòu)件時，為了滿足軸壓比的要求，柱截面尺寸往往設(shè)計較大，形成短柱，降低了延性。 當(dāng)采用型鋼混凝土構(gòu)件時，型鋼混凝土中的型鋼可不受含鋼率的限制，柱的承載力和變形能力有效地提高了。 對于高層建筑，采用型鋼混凝土構(gòu)件，構(gòu)件截面減小，可以增加使用面積。 對于大跨度梁，當(dāng)采用鋼筋混凝土構(gòu)件時，梁截面高度較大，難以滿足建筑凈高的要求，改用型鋼混凝土構(gòu)件就很容易滿足要求。

2）由于鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力，型鋼混凝土構(gòu)件的變形能力強，具有良好的延性與耗能性能，抗震性能好。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)特別適用于地震區(qū)。

3） 當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、 上部為鋼結(jié)構(gòu)時，為避免結(jié)構(gòu)樓層剛度的突變，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為過渡層可以使結(jié)構(gòu)的傳力更為合理。

與鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土具有如下特點：

1）與全鋼結(jié)構(gòu)相比，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約大量鋼材，降低了造價，經(jīng)濟性較好。

2） 混凝土有利于提高型鋼的整體穩(wěn)定性和鋼板的局部穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)剛度大，在風(fēng)荷載和地震作用下，結(jié)構(gòu)的水平位移可嚴格控制。

3） 包裹在型鋼外面的混凝土兼有構(gòu)件受力和型鋼保護層的功能，可以取代型鋼表面的鋼材防銹和防火涂料，耐久性好，節(jié)約后期維護費用。

2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計算方法

關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計算理論，目前國際上主要有三種類型：

2.1 考慮外包混凝土對鋼骨剛度的提高作用，按鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論計算。 它適用于含鋼量較大的情況。

2.2 假定構(gòu)件內(nèi)的鋼骨與外包混凝土形成一個整體—變形一致，可套用鋼筋混凝土的有關(guān)計算理論。

2.3 “強度疊加法”它不要求鋼骨與外包混凝土完全實現(xiàn)整體工作，認為型鋼混凝土構(gòu)件的抗彎能力，等于其中鋼骨的抗彎能力與外包鋼筋混凝土抗彎能力之和。 這是一種計算簡單，應(yīng)用靈活，比較實用的方法，計算結(jié)果偏于保守，應(yīng)用較廣泛。

3 型鋼混凝土構(gòu)件計算的基本假定

由于型鋼混凝土構(gòu)件是由混凝土、 鋼筋和型鋼三種材料構(gòu)成的組合構(gòu)件，計算分析比較復(fù)雜。 型鋼混凝土構(gòu)件的主要特點之一是型鋼于混凝土的粘結(jié)強度比鋼筋于混凝土的黏結(jié)強度低很多。 特別是在反復(fù)荷載作用下，型鋼與混凝土的粘結(jié)破壞明顯，混凝土受壓區(qū)的裂縫與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，裂縫數(shù)量少但寬度較大。 在到達極限承載力之前，型鋼與混凝土之間已經(jīng)產(chǎn)生了相對滑移。 因此，鋼筋混凝土構(gòu)件計算中采用的鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào)的假定不能準確反應(yīng)構(gòu)件的受力特點。 我國《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》采用了強度疊加方法。

當(dāng)風(fēng)荷載或多遇地震作用參與荷載組合時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是處在彈性范圍的。 當(dāng)型鋼混凝土構(gòu)件的含鋼率較大時，應(yīng)考慮型鋼對構(gòu)件剛度的影響。 型鋼混凝土構(gòu)件的剛度為鋼骨與鋼筋混凝土兩部分剛度之和，即

EA=EcAc+EssAss

EI=EcIc+EssIss

GA=GcAc′+GssAss′

式中：Ass、Ac——分別為鋼骨部分、鋼筋混凝土部分的截面面積；

Ass′、Ac′——分別為鋼骨部分、 鋼筋混凝土部分與受力方向平行的腹辦水平截面面積；

Iss、Ic——分別為鋼骨部分、鋼筋混凝土部分的截面慣性矩；

Ess、Ec——分別為鋼骨鋼材、混凝土的彈性模量；

Gss、Gc——分別為鋼骨鋼材、混凝土的剪變模量。

4 型鋼混凝土梁的承載力計算

型鋼混凝土梁的受力性能與破壞形態(tài)受鋼骨與鋼筋兩部分的影響。 進行型鋼混凝土梁設(shè)計時，采用強度疊加公式計算構(gòu)件截面的承載力。

4.1 型鋼混凝土梁正截面承載力

對于型鋼混凝土梁，其正截面承載力為鋼骨部分與鋼筋混凝土部分承載力之和，

式中：M——彎矩設(shè)計值；

式中：γs——鋼骨截面塑性發(fā)展系數(shù)， 對于工字形截面，γs=1.05；

Wss——鋼骨的凈截面抵抗矩；

fss——鋼骨的抗拉、壓、彎強度設(shè)計值。鋼筋混凝土部分的受彎承載力，按下式計算：

式中：As——受拉鋼筋的截面面積；

fsy——受拉鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；

hb0——受拉鋼筋截面重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距離；

γhb0——受拉鋼筋面積形心至受壓區(qū)壓力合力作用點的距離。

由于實際構(gòu)件中鋼骨與混凝土之間存在粘結(jié)力，彼此之間的變形有相互約束作用，所以按簡單疊加法得到的結(jié)果一般來說是偏于保守的。

4.2 型鋼湖凝土梁斜截面承載力

型鋼混凝土梁一般跨高比較大， 通常容易發(fā)生彎曲破壞。 當(dāng)由于地震作用引起剪切破壞時，其破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土梁的情況很接近。 鋼骨浮板的厚度對受剪開裂的發(fā)生、最大承載力以及延性都有很大的影響，隨著腹板厚度的增大，受剪承載力明顯上升。

實腹式型鋼混凝土梁的斜截面破壞形態(tài)主要有三種類型：斜壓破壞、剪壓破壞和剪切粘結(jié)破壞。 在沒有箍筋或箍筋很少，且剪跨比較大的情況下，型鋼混凝土梁受剪破壞時，在鋼骨上下翼緣附近產(chǎn)生許多劈裂裂縫，使保護層混凝土產(chǎn)生較大范圍的剝落，這種破壞形式稱為剪切粘結(jié)破壞。

型鋼混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁的受剪性能有很大差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在斜裂縫出現(xiàn)時，荷載—撓度曲線沒有明顯轉(zhuǎn)折，這是由于實腹式鋼骨具有較大的抗剪剛度，而且腹板在梁中是連續(xù)分布的，對斜裂縫的開展起著較好的約束作用。 因此，梁的剛度不因混凝土出現(xiàn)斜裂縫部分退出工作而顯著降低。

（2）斜裂縫出現(xiàn)以后，梁的承載力可以增加很多，鋼骨腹板使梁的受剪承載力大大提高。

（3）雖然梁由于混凝土的破壞而達到最大承載力，但從鋼骨腹板屈服到最大承載力之前有一個較長的過程，特別是剪壓破壞的梁，而且最大承載力之后，承載力的衰減要比鋼筋混凝土梁緩慢得多，表現(xiàn)出較好的延性。 這是與一般鋼筋混凝土梁斜截面受剪的脆性破壞特征的最大差別。

（4）型鋼混凝土梁中，由于鋼骨與混凝土界面粘結(jié)強度較低，破壞時受壓側(cè)保護層混凝土剝離范圍較大，有時產(chǎn)生剪切粘結(jié)破壞，這在設(shè)計中應(yīng)予以防止。 可以通過配置必要的構(gòu)造箍筋，增加鋼骨外圍混凝土厚度等來提高剪切粘結(jié)破壞承載力。

（5）鋼骨腹板受混凝土的約束不會發(fā)生局部屈曲，腹板的強度得以充分發(fā)揮。 型鋼混凝土梁的斜截面受剪承載力計算也可采用強度疊加法。

型鋼混凝土梁斜截面受剪應(yīng)滿足以下要求：

式中：V——剪力設(shè)計值；

無地震作用組合

式中：tw——鋼骨腹板的厚度；

hw——鋼骨腹板的高度，當(dāng)有孔洞時，應(yīng)扣除孔洞的尺寸；

fssv——鋼骨腹板的抗剪強度設(shè)計值。

均布荷載作用下：

集中荷載作用下：

有地震作用組合

式中： fyv——箍筋的抗拉強度設(shè)計值；

Asv——同一截面箍筋各肢面積之和；

λ——計算截面的剪跨比；

s——梁箍筋間距；

βc——混凝土強度影響系數(shù)。

型鋼混凝土梁的剪力設(shè)計值應(yīng)滿足下列要求：無地震作用組合 V≤0.4fcbbhb0

有地震作用組合 V≤0.35fcbbhb0/γRE

梁中鋼筋混凝土部分的受剪承載力應(yīng)滿足規(guī)定的受剪截面限制條件：

5 型鋼混凝土梁的變形和裂縫寬度驗算

型鋼混凝土梁除了要滿足承載能力要求，進行抗彎和抗剪承載力驗算外，還要滿足進行在正常使用條件下的變形和裂縫寬度驗算。

5.1 型鋼混凝土短期剛度

式中：αE——鋼筋與混凝土彈性模量之比；ρ——受拉鋼筋配筋率；

ftk——混凝土抗拉強度標(biāo)準值。

5.2 長期荷載作用下的剛度

Mk——型鋼混凝土梁截面承受的彎矩標(biāo)準值；

Mlk——型鋼混凝土梁在長期荷載組合下的彎矩。

5.3 變形計算

在計算型鋼混凝土梁的撓度時，可假定各彎矩同號區(qū)段內(nèi)梁的抗彎剛度相同， 取該區(qū)段內(nèi)最大彎矩截面相應(yīng)的剛度，即最大剛度原則，采用荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長期效應(yīng)組合影響的長期剛度，按材料力學(xué)的方法計算。

5.4 裂縫寬度驗算

型鋼混凝土梁構(gòu)件的裂縫開展機理，與鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同。 計算型鋼混凝土梁的裂縫寬度時，可將鋼筋混凝土部分視為鋼筋混凝土梁。 混凝土部分承擔(dān)的彎矩為Mkrc，將鋼骨受拉翼緣視為受拉鋼筋，考慮其對裂縫間距的影響。

式中：c——受拉鋼筋的保護層厚度，mm；de——折算鋼筋的直徑；ρte——按有效受拉混凝土面積計算的縱向配筋率；σsk——在短期荷載效應(yīng)組合下受拉鋼筋的應(yīng)力。

6 小結(jié)

型鋼混凝土梁的設(shè)計方法有多種， 這里只是按強度疊加法簡單地介紹了型鋼混凝土梁的承載力計算和變形寬度驗算。 這種方法簡單，靈活，計算結(jié)果偏于保守。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有強度高剛度大，延性好，抗震能力強，防火防腐性能好以及便于施工等特點，越來越廣泛地被應(yīng)用于高層、超高層建筑。

［1］彭偉.現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論[M].西南交通大學(xué).

［2］彭少民.混凝土結(jié)構(gòu)：下冊[M].2 版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004，4.

［3］邱洪興，舒贛平，等.建筑構(gòu)件設(shè)計[M].南京：東南大學(xué)出版社，2002，3.