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(duì)組合梁目前尚未深入研究的問(wèn)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(lái)的一種組合構(gòu)件，通過(guò)剪力連接件將鋼梁和混凝土板連接起來(lái)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(huì)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(duì)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(duì)滑移引起的附加撓度在10%～15%以下，國(guó)內(nèi)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為9%。界面滑移不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度，使組合梁的變形增大，而且會(huì)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?chē)炷磷冃文芰?、鋼梁與混凝土板交界面上粘結(jié)力等。

目前，國(guó)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(guó)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(jiǎn)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(duì)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(guò)對(duì)組合梁的換算截面抗彎剛度EIeq進(jìn)行折減的方法來(lái)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(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼—混凝土組合梁短期效應(yīng)研究比較多，而對(duì)于長(zhǎng)期荷載作用下組合梁效應(yīng)的研究還不夠。對(duì)此，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范是通過(guò)降低混凝土彈性模量的方法來(lái)考慮荷載的長(zhǎng)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?chē)h(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(lái)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(duì)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(lèi)似于彈性地基梁，栓釘根部混凝土受到栓釘、鋼梁和周?chē)炷恋募s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?、混凝土的彈模及?qiáng)度等級(jí)。

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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定抗剪性能，常見(jiàn)的試驗(yàn)方法有推出試驗(yàn)與梁式試驗(yàn)兩種。一般來(lái)說(shuō)，推出試驗(yàn)得到的承載力偏低，但考慮安全，各國(guó)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(guó)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(jí)為4.6級(jí)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_(kāi)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(duì)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(guò)程中有無(wú)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(lèi)截面（塑性中和軸在混凝土翼緣板內(nèi)）和第二類(lèi)截面（塑性中和軸在鋼梁內(nèi)）。這倆類(lèi)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(guó)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(guó)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(duì)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(shì)，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(guó)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(zhǎng)期作用下的徐變和收縮效應(yīng)等，這些問(wèn)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(jiǎn)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.