钢-混凝土组合梁

目前实际工程应用中，钢－混凝土组合梁一般采用栓钉作为剪力连接件。该工程针对阿克苏地区以前没有采用过组合梁，栓钉焊接质量不易保证，故改用槽钢剪力连接件。但是，《钢结构设计规范》（GBJ17－88）以及《钢－混凝土组合结构设计与施工规程》（DL/T5085－1999）规定槽钢肢尖的方向应该沿槽钢受剪力方向。这容易使设计人员和施工人员搞混，造成不必要的负担。研究表明：槽钢肢尖的方向对槽钢剪力连接件的抗剪性能并没有明显的影响，所以在即将颁布的新《钢结构设计规范》中将取消这一规定，这大大方便了设计和施工。槽钢剪力连接件的计算简图如图5所示。
求得等价的钢梁截面后，可以按照材料力学的方法来计算截面的抗弯承载力。设换算后截面的惯性矩为 I换算，换算截面形心轴距离钢梁底部为y 换算，组合梁总高为y换算作用在截面上的弯矩为M，剪力为，则钢梁底部纤维和混凝土翼缘板最高处的正应力和剪应力分别为：
而组合梁挠度的计算，则按照换算截面惯性矩计算组合梁截面刚度后，再由结构力学的方法计算梁刚度大，变形小，经济技术效益显著，目前在国内得到了越来越广泛的应用。阿克苏市采用钢－混凝土简支组合梁跨越胜利渠，作为支承热力管线的跨渠桥梁，相对钢筋混凝土桥可以大大减轻自重，节省支模工序和模板，缩短施工周期；相对钢桥，可以减小截面高度，提高截面承载力，减小用钢量，增大截面刚度，增强结构的耐久性。特别是新疆南疆地区干旱少雨对钢结构腐蚀性小，养护费用少，钢结构施工时便于拼装焊接可减少吊装设备等特点,因此，采用钢－混凝土组合梁是一个比较优秀的结构方案。
钢－混凝土组合梁计算原理
在钢－混凝土组合梁弹性分析中，采用以下假定：1、钢材与混凝土均为理想的弹性体。2、钢筋混凝土翼缘板与钢梁之间有可靠的连接交互作用，相对滑移很小，可以忽略不计。 3、平截面假定依然成立。4、不考虑混凝土翼缘板中的钢筋。 钢－混凝土组合梁弹性分析采用换算截面法。如图3所示，(a)表示换算前截面，(b)表示换算后截面。换算截面法的基本原理是：混凝土翼缘板按照总力不变及应变相同条件，换算成弹性模量为Es、应力为бs的与钢等价的换算截面面积。具体计算时，为了混凝土截面重心高度换算前后保持不变，换算时混凝土翼缘板厚度不变而仅将翼缘板有效翼缘宽度be除以α E（钢材弹性模量与混凝土弹性模量的比值），得到图3(b)。
槽钢抗剪承载力计算公式为：
式中：t——槽钢翼缘的平均厚度
tw——槽钢腹板的厚度
lc——槽钢的长度
槽钢连接件通过肢尖枝背两条通长焊缝与钢梁连接，承受该连接件的抗剪承载力，应按《钢结构设计规范》（GBJ17－88）进行焊缝抗剪承载力验算。
结语
荷载不利组合后计算得钢梁底部纤维的应力为129MPa，混凝土上表面压应力为15.2MPa。因为阿克苏市位于西北，气候干燥，混凝土收缩、徐变比较大，且昼夜温差较大，所以应计算由于混凝土收缩、徐变以及钢梁和混凝土由于骤变温差而导致的附加应力及附加挠度。经计算：由于收缩、徐变而引起的附加挠度为10.3毫米，由于温差而引起的附加挠度为11毫米。且由于混凝土收缩、徐变引起的混凝土应力为拉应力，部分抵销了荷载作用下引起的压应力，是偏于安全的。至于由此引起的钢梁应力，由于相对于荷载引起的应力很小，可以忽略不计。实际施工时，通过起拱消去由于永久荷载以及一半基本可变荷载作用而产生的挠度。
钢－混凝土组合梁的应用
钢－混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它主要通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（栓钉、槽钢等），抵抗两者在交界面处的剪力及相对滑移，并使之成为一个整体而共同工作。钢－混凝土组合梁同钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加梁的延性等。同钢梁相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。
钢－混凝土组合梁截面设计
根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025－86），对钢－混凝土组合梁进行了设计。如图4所示，为该工程选用的组合梁截面图。钢梁选为Q345B钢，混凝土翼缘板用 C40混凝土，剪力连接件采用[10槽钢。组合梁总高为1650mm，高跨比约为31.5。组合梁截面换算惯性矩为8.576×1010mm4，而纯钢梁的截面惯性矩只有5.228×10 10mm4，组合梁截面惯性矩是纯钢梁的1.64倍，大大提高了组合梁的刚度，减小了组合梁在荷载作用下的挠度。荷载情况及组合梁计算结果如表 1所示：
方案选取
简支桥梁净跨52米，跨度比较大。如果采用传统的钢筋混凝土梁，梁的截面很大，从而桥梁本身的自重大，不利于抗震，梁截面的承载力主要用来承受自重，且施工周期长、需支模等现场施工作业量大，影响水渠的正常供水。如果采用预应力钢筋混凝土梁，虽然可以减小截面高度及自重，但施工复杂，费用高。如果采用钢梁，由于本身刚度较小，为了满足刚度要求，截面高度就比较大，而且还有防腐的问题。而采用钢－混凝土组合梁，由于其截面承载力高、刚度大，则可以大大减小截面高度，减轻自重，节省材料，加快施工进度，且由于组合梁中钢梁暴露在空气中的表面积比钢梁小，防腐等相对于纯钢梁容易解决。因此，综合比较考虑各方面因素后，决定采用钢－混凝土简支组合梁。
该工程所在地区最大冻土深度为111cm；极端最低气温为零下23.2℃，极端最高气温为39.6℃，年平均气温为8.9℃；最大风速26s/m,基本风压0.65kN/m2；年平均降水量为60.4 毫米，年平均蒸发量为1198.4毫米；海拔高度1102-1104米，最大积雪深度0.14米，基本雪压0.2kN/m2；热力管线设计压力为1.6MPa，设计温度313℃；地震烈度为8度，所在地公路自然区划为VI2区。
近年来，钢－混凝土组合梁在我国城市立交桥梁及建筑结构中已得到了越来越广泛的应用，并且正朝着大跨方向发展。钢－混凝土组合梁在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，是未来结构体系的主要发展方向之一。
工程概况
新疆阿克苏热电厂在阿克苏西大桥水库边向阿克苏市区供热，热力管线首先要跨越胜利渠，胜利渠为阿克苏西大桥电站的排水渠，也是阿克苏的主要农业灌溉渠，热力管线的桥址位置：上游400米为阿克苏西大桥水电站，下游100m为分水闸口，水渠两侧为混凝土护坡，坡度比1∶1.5，水渠坡口宽46米，水渠深5米，胜利渠的水不允许断流，因此采用一跨的桥型方案，跨径为52米，桥面净宽2.5米。水渠两岸地质情况良好，为卵砾石土，一般粒径为3～5厘米，最大不超过20厘米，地层承载力为200kPa。过水渠管道支架布置简图和管道截面简图如图1、图2所示。