钢与混凝土组合梁

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和变形都能满足要求时,采用部分抗剪连接组合梁
是可行的。
在承载力和变形许可的条件下,采用部分抗剪
连接可以减少连接件用量,降低造价并方便施工。
对采用压型钢板混凝土组合板为翼板的组合梁,由
于受板肋几何尺寸的限制,栓钉布置的数量有限,
有时也不得不采用部分抗剪连接的设计方法。 由于梁的跨度愈大对连接件柔性性能要求愈高, 所以用这种方法设计的组合梁其跨度不宜超过20m。
试验研究发现,弹性理论对弯曲刚度和截面开始屈服前
的曲率能给出较准确的预测,但由于收缩、徐变和温度 作用等的影响,截面开始屈服时的弯矩My却过高地估计 了13%左右。组合梁开始屈服后的承载潜力较大,最后 破坏的极限弯矩Mu比My大得多,若以极限弯矩为准,就 显得弹性设计太保守。所以从60年代开始,各国对承受 静态荷载和间接承受动态荷载的一般结构,均逐渐转为 按简单塑性理论进行计算。
对于单跨简支梁,部分抗剪连接的抗弯强度计
算方法是根据简化塑性理论按下列假定确定的: (1)在所计算截面左右两个剪跨内, 取连接件承 C 载力设计值之和 nr N V 的较小者作为混凝土翼板中 的剪力;
(2)梁与混凝土翼板间产生相对滑移,以至混凝土
翼板与钢梁
有各自的中
和轴。
部分抗剪连接时,混凝土翼板受压区高度由抗 剪连接件能够提供的最大剪力所确定:
凝土翼板的工作状态很接近于钢筋混凝土轴心受拉
构件,故最大裂缝宽度的计算可参照《混凝土结构 设计规范》进行。 在验算混凝土裂缝时,可仅按荷载的标准组合 进行计算,因为在荷载标准组合下计算裂缝的公式
中已考虑了荷载长期作用的影响。
连续组合梁由于混凝土开裂的影响,正负弯矩 区抗弯刚度有较大差异,相对于大部分单一材料的
盖板。 当跨度较大而荷载相对较小的情况,可考虑采
用H型钢的腹板切割为锯齿形,错开半齿焊合而成
的蜂窝梁。它将H型钢高度提高约50%,有较好的
经济效果,而空洞又便于铺设管线。
3. 混凝土翼板的计算宽度
计算组合梁时,将其截面视为T形截面,上部
受压翼缘为混凝土板的一部份甚至全部。由于剪力
滞后的影响,混凝土翼板内的压应力分布沿宽度方
件和施工费用。
(4)组合梁的挠度计算(主要是考虑滑移效应的
折减刚度的计算方法)。
11.2 一般规定

压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件
与钢梁连接组合成整体后,钢梁与楼板成为共 同受力的组合梁结构。 组合梁的组成及其工作原理 压型钢板组合梁通常由三部分组成,即: 钢筋混凝土翼板、抗剪连接件、钢梁。
(1)钢筋混凝土翼板——组合梁的受压翼缘; (2)抗剪连接件——混凝土翼板与钢梁共同工作
的基础,主要用来承受翼板与钢梁接触面之间的纵
向剪力;同时可承受翼板与钢梁之间的掀起力。 (3)钢梁——在组合梁中主要承受拉力和剪力, 钢梁的上翼缘用作混凝土翼板的支座并用来固定抗 剪连接件,在组合梁受弯时,抵抗弯曲应力的作用
远不及下翼缘,故钢梁宜设计成上翼缘截面小于下
翼缘截面的不对称截面。
组合梁的工作原理
11.3 组合梁的截面形式和翼板的有效宽度

1. 组合梁混凝土翼板的形式 组合梁混凝土翼板可用现浇混凝土板、混凝土叠合板
或压型钢板混凝土组合板。混凝土叠合板翼板由预制板和
现浇混凝土层组成,施工时可在混凝土预制板表面采取拉 毛及设置抗剪钢筋等措施,以保证预制板和现浇混凝土层
因素而已。严格说来。楼盖边部无翼板时,其内侧的
bc2应小于中部两侧有翼板bc2的;集中荷载作用时的 bc2值应小于均布荷载作用的情况;连续梁的bc2值应小 于简支梁的该值。
此外,各国规范对bc2的取值相差较大,与梁跨 度l的关系从0.083l(美国,一侧有翼板)到0.2l(日 本,简支组合梁)。与板厚有关与否也不尽统一。对 于日本AIJ的规定,有试验证明,在低应力时是合适
塑性中和轴的距离。
11.5 部分抗剪连接的组合梁设计
钢-混凝土组合梁的混凝土板与钢梁之所以能 形成整体共同工作,关键是由于抗剪连接件传递二
者之间的剪力。规范规定,抗剪连接件应以控制截
面间的区段分段进行布置,控制截面一般取弯矩最
大截面及零弯矩截面。在每个正弯矩计算区段(剪
跨)内,钢梁与混凝土板交界面的纵向剪力Vs 取 (Af)和(behc1fc )中的较小值。在负弯矩区段, Vs等于钢筋屈服时所能提供的纵向拉力Astfst。
M k M se (1 a )
Mse—由荷载效应标准组合按弹性方法计算得到的
连续组合梁支座负弯矩值(按等截面计算):
a—连续组合梁支座负弯矩调幅系数:
M sc 0.8 a 0.13(1 ) ( ) f M 1
2
钢筋与钢梁的力比, f =Astfst/Af
r—钢筋截面重心至钢筋和钢梁形成的组合截面
然有微小的相对位移,但可忽略不计;
(3)钢材与混凝土均为理想的弹塑性体。
(4)忽略钢筋混凝土翼板受压区中钢筋的作用;
(5)假定剪力全部由钢梁承受,同时不考虑剪力 对组合梁抗弯承载力的影响。
2. 组合梁的截面设计
组合梁的截面高度一般为跨度的1/15~1/16,为 使钢梁的抗剪强度与组合梁的抗弯强度相协调,钢 梁截面高度不宜小于组合梁截面总高度h的1/2.5。 组合梁的截面计算有弹性分析法和塑性分析法两
形成整体。
压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件与钢梁 连接组合成整体后,钢梁与楼板成为共同受力的组合梁结 构。

2. 钢梁的形式 钢梁的形式应根据组合梁跨度、荷载、施工条
件等综合考虑。一般来说,采用上窄下宽的焊接工
字形截面耗钢量较少。当荷载或跨度较小时,也可
采用热轧H型钢或普通工字钢,或在其下面加一块
向是不均匀的,所谓计算宽度(即有效宽度)实质 上是指以应力均匀分布为前提的当量宽度。 规范取用的组合梁混凝土翼板有效宽度,系 按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的
规定采用的。
混凝土翼板的有效宽度 取下式中的最小值:
bce l0 / 3
bce b0 12hc
bce b0 bc1 bc 2
式中
bc1、bc2——相邻钢梁间净距s0的1/2。
公式中最重要的是bc2值(有些情况bc1值与bc2值
相等),世界各国或地区的规范,对bc2值的规定颇不
一致,组合梁翼板的计算宽度与梁格尺寸、梁的位置 (在楼盖外侧或中部)、荷载方式(均布或集中荷
载)、简支单跨或连续等因素有关,只不过有些国家
的规范忽略了某些因素,而其他规范又忽略另外一些
钢与混凝土组合梁
重庆大学土木工程学院 崔 佳
11.1 组合梁的应用和发展
组合梁的应用开始于本世纪(20世纪)20年
代 ,我国从50年代开始开展组合梁的研究和应用。
最初主要用于桥梁结构,自80年代以来,由于在多 层及高层建筑中更多地采用了钢结构,使得组合梁 在建筑结构领域也得到了长足的发展。 在设计方法方面,大约在60年代以前,组合梁
中假定钢梁与混凝土翼板有可靠连接,能保证钢筋
应力的充分发挥,忽略混凝土抗拉强度的贡献。
规范规定组合梁在负弯矩作用区段拉力全部由翼
板内配置的纵向钢筋承受,梁的抗弯强度应满足下式 的要求:
M M s Ast f st ( y3 y4 2)
Ms= ( S1+S2 ) f
在负弯矩作用下,组合梁的混凝土翼板还应进 行最大裂缝宽度计算。因为连续组合梁负弯矩区混
(2)对预制混凝土叠合板,当按《混凝土结构设 计规范》GB 50010的有关规定采取相应的构造措施后, 可取为预制板加现浇层的厚度; (3)当采用压型钢板作混凝土底模时,若用薄弱
截面的厚度将过于保守,参照试验结果和美国资料,
翼板厚度可采用有肋处板的总厚度。
11.4 组合梁的截面设计
1. 组合梁截面的基本假定 (1)组合梁截面变形符合平面假定; (2)钢梁与混凝土翼板之间的相互连接可靠,虽
正弯矩作用下,组合梁的塑性中和轴可能位于钢
筋混凝土翼板内,也可能位于钢梁截面内,计算时分
两种情况考虑。
(1)当塑性中和轴位于混凝土受压翼板内 ,即
Afbcehcfc时:
M bce xfc y
Af x bce f c
(2)当塑性中和轴位于钢梁截面内即Af > bcehcfc 时:
M bce hc f c y Ac f y1
x nr N vc (be f c )
nr —— 部分抗剪连接时一个剪跨区的抗剪连 接件数目;
N —— 每个抗剪连接件的纵向抗剪承载力。 钢梁受压区面积为:
c v
Ac ( Af nr N vc ) (2 f )
A —— 钢梁截面面积。
部分抗剪连接时组合梁截面抗弯承载力为:
M u,r nr N vc y1 0.5( Af nr N vc ) y2 y1 ——钢梁受拉区截面形心至混凝土翼板受压
梁或钢筋混凝土连续梁,其弯矩重分布的程度较高,
且在正常使用极限状态弯矩重分布就有很大发展。 因此,计算混凝土翼板中纵向钢筋时,应当考虑弯 矩重分布的影响。 由荷载效应标准组合计算的负弯矩区钢筋应力
可以按下式计算:
M k yr r I
由纵向钢筋与钢梁形成的钢截面的惯性矩
Mk—由荷载效应标准组合计算的截面负弯矩:
因此,完全抗剪连接所需要的抗剪连接件数目为:
n f Vs / N
C V
当剪力连接件的设置受构造等原因影响不能全 部配置,即剪跨内的实际抗剪连接件数目nr<nf , 不足以承受组合梁上最大弯矩点和邻近零弯矩点之 间的剪跨区段内总的纵向水平剪力时,可采用部分
抗剪连接设计法。国内外研究成果表明,在承载力
组合梁的计算分两阶段——施工阶段和使用阶段。 (1)施工阶段:钢梁承受混凝土和钢梁的自重以
及施工活荷载,钢梁应计算强度、稳定性和刚度。
(2)使用阶段:钢梁上的混凝土翼板已终凝形成 组合梁承受在使用期间的荷载。应按钢与混凝土组合 梁进行截面的强度、刚度及裂缝宽度计算。 组合梁在正弯矩作用下的抗弯强度计算
区形心的距离; y2 ——钢梁受拉区截面形心至钢梁受压区形心 的距离。
部分抗剪连接组合梁在负弯矩作用区段的抗弯
强度,按 nr N vc 和 Astfst 两者中的较小值计算。计算 略偏保守,以补偿混凝土的抗拉作用、钢筋的强化 作用以及构造钢筋的作用。
Baidu Nhomakorabea
随着抗剪连接件数目的减少,钢梁与混凝土翼 板的共同工作能力不断降低,导致二者交界面产生
种,在20世纪50年代及以前,组合梁的抗弯强度主
要按弹性理论计算。假定钢梁和混凝土均为弹性体 ,变形后截面保持平面,混凝土不能受拉,不考虑 板托截面。计算时,将受压区混凝土截面除以n0,换 算成钢截面。
弹性设计法假定钢和混凝土都是理想弹塑性体,因 而截面始终保持平面,不能全面反映组合梁的实际工作。
Ac 0.5( A bce hc f c f )
组合梁在负弯矩作用下的抗弯强度计算 对连续组合梁,在负弯矩作用下极限状态的一
般特征为:负弯矩区混凝土翼板受拉开裂后退出工
作,同时混凝土板中的纵向受拉钢筋达到或超过屈 服应变,钢梁的拉区和压区大部分也达到或超过屈 服应变,其受力状态类似钢筋混凝土梁。我国规范 规定可以采用塑性理论计算抗弯承载力,并在计算
基本上按弹性理论设计,60年代开始逐步转变为按
塑性理论设计。
组合梁是钢梁和所支承的钢筋混凝土板通过抗剪
连接件组合成一个整体而共同工作的梁。组合梁能更 好地发挥钢和混凝土各自的材质特点,即充分发挥钢 材的抗拉性能和混凝土的抗压性能。与单独工作的钢 梁相比,组合梁的稳定性和抗扭性能均有提高,防锈
和耐火性能也有所增强,可以节省钢20~40%,从而
取得较大的经济效益。 组合梁的整体刚度比钢梁单独工作时要大得多, 挠度可减小1/3~1/2。如果保持挠度大小不变,则钢 梁高度可减低15~2 0%,使建筑高度降低。

现行《钢结构设计规范》新增加了下列主要内容:
(1)连续组合梁负弯矩处的计算方法。 (2)楼板为压型钢板组合板时组合梁的设计。 (3)部份抗剪连接组合梁的设计。部份抗剪连接 对梁的强度影响很小,只挠度增大,可节约连接
的,但在极限荷载情况下,有效宽度应予减小。
总的来看,我国规范对翼板计算宽度的规定有
些偏大。由于组合梁混凝土板与钢梁之间仅用连接件
连结,不能考虑两者完全粘连,按理,其计算宽度应小 于全混凝土的,但规范的规定与《混凝土结构设计规 范》一致,似值得再加以研究。
混凝土翼板计算厚度的取值:
(1)对现浇混凝土,取如图 中的值;
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