11 钢与混凝土组合结构

M be xf c y
式中
（3-8-2）
x ――组合梁截面塑性中和轴至混凝土翼缘板顶面的距离，应按下式计算： Af （3-8-3） x be f c
M ――正弯矩设计值； A ――钢梁的截面面积； y ――钢梁截面应力的合力至混凝土受压区截面应力的合力间的距离；
f ――钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值。取值见表 3-2-1；
――刚度折减系数。
3.刚度折减系数 按下式计算（当 0 时，取 0 ） ；
0.4 ( jl ) 2


3
(3-8-13)

36Ed c pA0 ns khl 2
n s kA1 EI 0 p
(mm) 1
(3-8-14)
j 0.81
(3-8-15)
图 3-8-2
组合梁钢筋砼翼板的有效宽度
混凝土翼板的有效宽度 be 可按下式计算（图 3-8-2） 。
be b0 b1 b2 (注意： 与高层钢规的的公式有所不同， 参见下图) （3-8-1）
式中
b0 ――板托顶部宽度： 当板托倾角α <45°时， 应按α ＝45°计算板托顶部的宽度；
当无板托时，则取钢梁上翼缘的宽度；
c x nr NV /(be f c )
(3-8-8) (3-8-9) (3-8-10)
Ac ( Af nr N vc ) /(2 f )
M u ,r nr N vc y1 0.5( Af nr N vc ) y 2
式中
M u ,r ――部分抗剪连接时组合梁截面抗弯承载力；
nr ――部分抗剪连接时一个剪跨区的抗剪连接件数目；
图 3-8-1 钢与混凝土组合结构的常用形式
（二）组合结构的特点 1．组合结构中钢和混凝土均充分发挥了其材料优点，形成优势互补。如在压型钢板与 （钢筋）混凝土组合楼板中，压型钢板布置在构件的受拉区，既发挥了钢材高抗拉强度，又 可作为施工用模板， 而混凝土则集中在受压区， 且形成较大的板面刚度及较好的防水和防火 性能；对钢骨（型钢）钢筋混凝土构件而言，型钢发挥其高强度优点以减小构件截面，利于 建筑内部使用，而周边的钢筋混凝土除了本身的强度作用外还可对钢骨起到防火、防锈、防 撞的保护作用； 钢管混凝土柱的钢管除本身具有抗压能力外还能对混凝土起到约束作用， 从 而提高混凝土的抗压强度。 与钢结构相比， 组合结构节省钢材， 刚度大， 稳定性好， 且具有较强的防锈和耐火能力； 与钢筋混凝土结构相比，组合结构构件体积小，自重轻，抗震性能好，施工速度快。 2．形成组合结构的基本条件是两种材料通过粘结力和机械咬合力作用能够形成整体， 变形协调，共同工作。所以组合结构中抗剪连接件设计、制作占了相当重要的地位。 3．组合结构的设计与施工条件有直接关系，例如组合梁或组合板若在施工时适当增设 临时支撑，可以不考虑钢构件在施工时的受力，只需按使用状态设计，且挠度可以减小。若 不设临时支撑， 组合结构的钢构件还要承受未硬结混凝土的重力及其它施工荷载， 按一般受 弯钢梁计算其强度、刚度整体稳定和局部稳定。
3-124
(5)在强度和变形满足的条件下，组合梁交界面上抗剪连接件的纵向水平抗剪能力不能 保证最大弯矩截面上抗弯承载力充分发挥时（由于构造原因不能配足纵向抗剪连接件） ，可 以按照部分抗剪连接进行设计。 用压型钢板做混凝土底模的组合梁， 亦宜按照部分抗剪连接 组合梁设计。部分抗剪连接限用于跨度不超过 20m 的等截面组合梁。 （规范第 11.1.5 条） (6)考虑全截面塑性发展进行组合梁的强度计算时，钢梁钢材的强度设计值 f 应按本章 第二节的规定采用，当组成板件的厚度不同时，可统一取用较厚板件的强度设计值。组合梁 负弯矩区段所配负弯矩钢筋的强度设计值按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010 的有关规定采用。 连续组合梁采用弹性分析计算内力时， 考虑塑性发展的内力调幅系数不宜 超过 15%。 （规范第 11.1.6 条） (7)组合梁中钢梁的受压区，其板件的宽厚比应满足按塑性设计时对截面板件宽厚比的 要求。 （规范第 11.1.6 条） (8)用塑性设计法计算组合梁强度时，在下列部位可不考虑弯矩与剪力的相互影响。 ① 受正弯矩的组合梁截面； ② Ast f st 0.15 Af 的受负弯矩的组合梁截面。 2．组合梁钢筋混凝土翼板有效宽度的确定。 （规范第 11.1.2 条）
； N vc ――每个抗剪连接件的纵向抗剪承载力。
图 3-8-5 部分抗剪连接组合梁计算图
3-127
c 5． 部分抗剪连接组合梁在负弯矩作用区段的抗弯强度则按 n Nv 和 Ast f st 两者中的较小
值计算。 （规范第 11.2.2 条） 6．组合梁截面上的全部剪力 V，假定仅由钢梁腹板承受，则可按普通实腹梁的腹板受 剪计算公式验算其剪应力。 （规范第 11.2.3 条）
3-123
本节根据《钢结构设计规范》 （GB50017-2003）的相关内容，主要介绍了钢与混凝土组 合梁的设计和构造。
二、钢与混凝土组合梁的设计与构造（钢规内容）
（一）钢与混凝土组合梁的构成 钢与混凝土组合梁是由钢筋混凝土翼板、 钢梁、 板托、 抗剪连接件组成的整体抗弯构件, 见图 3-8-1（c） 。 1．钢筋混凝土翼板：组合梁的翼板可用现浇混凝土板，也可用混凝土叠合板或压型钢 板混凝土组合板，其中混凝土板应按国家标准《混凝土结构设计规范》 （GB50010）的规定 进行设计。翼板在组合梁的上部，主要用作组合梁的受压翼缘，亦对钢梁上翼缘产生侧向约 束，从而保证钢梁的整体稳定。 2．钢梁：为充分发挥钢材的受拉作用，钢梁设在组合梁的受拉区，且较多做成上翼缘 较小、下翼缘较大的工字形梁。钢梁的上翼缘借助板托（有时可以不需要板托）支承钢筋混 凝土翼板，并固定抗剪连接件。 3．板托：是钢筋混凝土翼板与钢梁上翼缘之间承接部分，设置板托可以减小钢梁的高 度，提升组合梁截面中和轴的位置，使钢梁全部受拉，充分利用钢和混凝土材料性能。 4．抗剪连接件：其作用是将翼板与钢梁连成一体，承受两者之间的纵向剪力，防止相 对错动的发生。抗剪连接件一般为栓钉、短型钢（角钢、槽钢）或弯起钢筋。 （二）钢与混凝土组合梁的设计 1．组合梁截面设计按如下原则： (1)组合梁（简支梁或连续梁）不承受直接动力荷载作用。 （规范第 11.1.1 条，对直接动 力荷载作用的梁试验研究有限） (2)以翼缘有效宽度全截面和钢梁全截面塑性发展为极限状态（混凝土受拉区开裂退出 工作，受压区应力全部达到抗压强度 fc。钢材无论受压还是受拉，应力均达到设计强度值， 对承受直接动力荷载作用的组合梁或其中钢梁的板件宽厚比不满足塑性设计要求时， 应按弹 性设计） 。 (3)组合梁（含部分抗剪连接组合梁和钢梁与组合板构成的组合梁）的挠度应按弹性方 法进行计算，并应考虑混凝土翼板和钢梁之间的滑移效应对组合梁的抗弯刚度进行折减。 对于连续组合梁，在距中间支座两侧各 0.15l（l 为梁的跨度）范围内，不计受拉区混凝 土对刚度的影响，但应计入翼板有效宽度 be 范围内配置的纵向钢筋的作用，其余区段仍取 折减刚度， 除按此验算其挠度外， 尚应按现行的国家标准 《混凝土结构设计规范》 （GB50010） 的规定验算负弯矩区段混凝土最大裂缝宽度 wmax。 在组合梁的强度、挠度和裂缝计算中，可不考虑板托截面。 组合梁尚应按有关规定进行混凝土翼板的纵向抗剪验算。 (4)组合梁施工时，若钢梁下无临时支承，则混凝土硬结前的材料重量和施工荷载应由 钢梁承受，钢梁应计算其强度、稳定性和变形。施工完成后的使用阶段，组合梁承受的续加 荷载产生的变形应与施工阶段钢梁的变形相叠加。 （规范第 11.1.1 条）二阶段设计
(3-8-6) (3-8-7)
M ――负弯矩设计值；
S1、S2 ――钢梁塑性中和轴（平分钢梁截面积的轴线）以上和以下截面对该轴的面
积矩；
Ast ――负弯矩区混凝土翼板有效宽度范围内的纵向钢筋截面面积； f st ――钢筋抗拉强度设计值； y 3 ――纵向钢筋截面形心至组合梁塑性中和轴的距离；
当组合梁塑性中和轴在钢梁腹 y4 ――组合梁塑性中和轴至钢梁塑性中和轴的距离。 板内时，取 y 4 Ast f st /(2t w f ) ；当该中和轴在钢梁翼缘内时，可取 y4 等于钢梁塑性中和 轴至腹板上边缘的距离。 4．部分抗剪连接组合梁在正弯矩区段（规范第 11.2.2 条）的抗弯强度按下列公式计算 （图 3-8-5） ：
Ac 0.5 A be hc1 f c / f
（3-8-5）
y1 ――钢梁受拉区截面形心至混凝土翼板受压区截面形心的距离； y2 ――钢梁受拉区截面形心至钢梁受压区截面形心的距离。
（2）负弯矩作用区段（图 3-8-4）
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图 3-8-4 负弯矩作用时组合梁截面及应力图形
M M s Ast f st ( y3 y 4 / 2) M s ( S1 S 2 ) f
第八节 钢与混凝土组合结构
一、组合结构类型与特点
（一）组合结构的常用形式 组合结构一般指由钢与混凝土两种材料根据各自的特点， 按一定的方式组合而成的的 共同抵抗作用的结构或构件。常用的有（见图 3-8-1） ： 1． 压型钢板与（钢筋）混凝土组合楼板； 2． 钢骨（型钢）混凝土梁、柱； 3． 钢与钢筋混凝土组合梁； 4． 钢管混凝土等。
b1 、 b2 ――梁外侧和内侧的翼缘计
算宽度， 各取梁跨度 L 的 1/6 和翼缘板厚度 hc1 的 6 倍中较小值。此外 b1 尚不应超过翼板实际 外伸宽度 S1 ； b2 不应超过相邻梁板托间净距 S0 的 1/2。当为中间梁时，式（3-8-1）中的 b1 ＝ b2 。
3-125
图 3-8-2 中，hc1 为混凝土翼板的厚度，当采用压型钢板混凝土组合板时，翼板厚度 hc1 等于组合板的总厚度减去压型钢板的肋高， 但在计算混凝土翼板的有效宽度时， 压型钢板混 凝土组合板的翼板厚度 hc1 可取有肋处板的总厚度；hc 2 为板托高度， 当无板托时，hc 2 0 . 3．完全抗剪连接组合梁的抗弯强度计算（规范第 11.2.1 条） （1）正弯矩作用区段 组合梁受弯时其塑性中和轴可能在混凝土翼板内或在钢梁截面内， 应分别计算其抗弯强 度。 ① 塑性中和轴在钢筋混凝土翼板内（图 3-8-3a）的组合梁，即 Af be hc1 f c 时：