钢-混凝土组合梁的发展历程

目录
1 钢-混凝土组合梁的定义及分类 (1)
1.1 定义 (1)
1.2 分类 (2)
2 钢-混凝土组合梁的发展历程 (5)
2.1萌芽阶段 (5)
2.2发展阶段 (5)
2.3全面研究、实用阶段 (6)
2.4深入研究、推广应用、完善规范阶段 (6)
3 钢-混凝土组合梁的工程应用实例 (8)
3.1 多层工业厂房 (8)
3.2 高层建筑 (10)
3.3 桥梁结构 (11)
4 钢-混凝土组合梁的前景 (12)
参考文献 (13)
钢-混凝土组合梁结构的发展概述
1 钢-混凝土组合梁的定义及分类
1.1 定义
钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构形式[1]。

目前钢-混凝土组合结构的主要形式包括组合结构、组合楼板、组合桁架、组合柱等组合承重体系以及组合斜撑、组合剪力墙等组合抗侧力体系，应用领域包括高层及超高层建筑（如图1所示）、大跨桥梁、地下工程、矿山工程、港口工程以及组合加固和修复工程等[2]。

本文主要对钢-混凝土组合梁进行介绍。

图1 赛格广场大厦（深圳）
钢-混凝土组合梁作为建筑房屋的横向承重构件，通过抗剪连接件将钢梁与混凝土板组合成一个整体来抵抗各种外界作用，能够充分发挥钢梁抗拉、混凝土板受压性能好的优点，与非组合梁结构相比，具有以下一系列的优点：（1）组合梁截面中混凝土主要受压，钢梁受拉，能过充分发挥材料特性，
承载力高。

在承载力相同时，比非组合梁节约钢材约15%-25%。

（2）混凝土板参加梁的工作，梁的刚度增大。

楼盖结构的刚度要求相同时，采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%-30%。

组合梁用于高层建筑，不仅降低楼层结构高度，且显著减轻对地基的荷载。

（3）组合梁的翼缘板较宽大，提高了钢梁的侧向刚度，也提高了梁的稳定性，改善了钢梁受压区的受力状态，增强抗疲劳性能。

（4）可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载，无需设置支撑，加快施工速度。

（5）抗震性能好。

（6）在钢梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撑室内管线用，不需埋设预埋件。

相比于混凝土结构，组合结构的缺点是需要采取防火及防腐措施。

但组合结构的防火及维护费用比钢结构低，并且随着科学技术的发展，防腐涂料的质量和耐久性也在不断提高，为组合结构的应用提供了有利条件。

1.2 分类
组合梁自问世以来至今，各国学者们展开了广泛且具有深度的研究。

目前，组合梁的种类已从单一的外包式钢-混凝土组合梁发展至T形组合梁、现浇混凝土翼板组合梁、预制混凝土翼板组合梁、叠合板翼板组合梁、压型钢板组合梁等形式。

钢-混凝土组合梁按照截面形式可以分为外包混凝土组合梁和钢梁外露的组合梁（如T形组合梁），如图2所示。

外包混凝土组合梁又称为劲性混凝土梁或钢骨混凝土梁，主要依靠钢材与混凝土之间的粘结力协同工作；T形组合梁则依靠抗剪连接件将钢梁与混凝土翼板组合成一个整体来抵抗各种外界作用。

大量的研究和实践经验表明，T形组合梁更能够充分发挥不同材料的优势，具有更高的综合性能，是组合梁应用和发展的主要形式。

（b）T形组合梁（无拖座）
（a）外包混凝土组合梁
（b）T形组合梁（有拖座）
图2 不同的组合梁截面形式
T形组合梁按照混凝土翼板的形式不同又可以分为现浇混凝土翼板组合梁、预制混凝土翼板组合梁、叠合板翼板组合梁以及压型钢板混凝土翼板组合梁等。

如图3所示。

（1）现浇混凝土翼板组合梁（图3- a）：现浇混凝土翼板组合梁就是指组合梁的混凝土翼板是在施工现场进行现场浇筑的。

它的优点是组合梁的混凝土翼板整体性好，缺点是需要现场支模，湿作业工作量大，施工速度慢。

（2）预制混凝土翼板组合梁（图3- b）：预制混凝土翼板组合梁就是指组合梁的混凝土翼板是事先预制好的，通过运输吊装等工序，在施工现场进行装配并在预留槽口处浇筑混凝土从而使之成为一个整体的形式。

这种形式的组合梁的特点是混凝土翼板预制，现场只需要在预留槽口处浇筑混凝土，可以减少现场湿作业量，施工速度快，但是对预制板的加工精度要求高，不仅要求需要在预制板端部预留槽口，而且要求预留槽口在组合梁抗剪连接件的位置处对齐，同时槽口处需附加构造钢筋。

由于槽口处构造及现浇混凝土是保证混凝土翼板和钢梁的整体工作的关键，因此，槽口处构造及现浇混凝土浇筑质量直接影响到混凝土翼板和钢梁的整体工作性能。

（3）叠合板翼板组合梁（图3- c）：叠合板翼板组合梁是我国科技工作者在
现浇混凝土翼板组合梁和预制混凝土翼板组合梁的基础上发展起来的新型组合梁，具有构造简单、施工方便、受力性能好等优点。

预制板在施工阶段作为模板，在使用阶段则作为楼面板或桥面板的一部分参与板的受力，同时还作为组合梁混凝土翼板的一部分参与组合梁的受力，做到了物尽其用。

（4）压型钢板混凝土翼板组合梁（图3- d）：随着我国钢材产量和加工技术的提高，压型钢板的应用越来越广泛，尤其是在高层建筑中的应用越来越多。

压型钢板在施工阶段可以作为模板，在使用阶段的使用功能则取决于压型钢板的形状、规格及构造。

对于带有压痕和抗剪键的开口型压型钢板以及近年来发展起来的闭口型和缩口型压型钢板，还可以代替混凝土板中的下部受力钢筋，其他类型的压型钢板一般则只作为永久性模板使用。

图3 不同混凝土翼板形式的钢-混凝土组合梁截面形式组合梁采用的钢梁形式有工字型（轧制工字型钢、H型钢或焊接组合工字形钢）、箱型、钢桁架、蜂窝形钢梁等。

同时，采用预应力技术可以进一步提高组合梁的力学性能和使用性能。

按照施加预应力的部位不同，又可以分为在混凝土翼板里施加预应力的方式，也称体内预应力，目的是降低组合梁负弯矩区混凝土翼板的拉应力以控制混凝土开裂或减小裂缝宽度；也可以只在钢梁内施加预应
力，以减小使用荷载作用下组合梁正弯矩区钢梁的最大拉应力，这种方法也可以称为体外预应力。

2 钢-混凝土组合梁的发展历程
组合梁由于能充分发挥钢与混凝土两种材料的力学性能，在国内外获得广泛的发展与应用。

组合梁自20世纪20年代出现以来，在桥梁结构中的大跨桥面梁、工业建筑中的重荷载平台梁和吊车梁以及对结构高度和自重都有较高要求的民用建筑组合楼盖中已得到广泛应用。

钢-混凝土组合梁的发展过程大致如下[1] [3]（示意图见图4）：
2.1萌芽阶段
钢-混凝土组合梁出现于20世纪20年代，随后在30年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接件构造方法，这一时期是组合梁处于萌芽状态的初始阶段。

1922年，Mackay HM在加拿大Domion桥梁公司进行了2 根外包混凝土钢梁试验[4]，几乎在同时英国国家物理实验室也进行了外包混凝土钢梁的试验，1923年Caughen首次进行6根T型组合梁试验，建议可以根据材料力学方法进行设计。

上述试验中试件在钢与混凝土交界面均没有机械连接件。

而在1923 至1939 年间，美国、英国及其他欧洲各国等就没有连接件的钢与混凝土组合梁开展了进一步的试验研究，其中以1939年Batho、Lash和Kirkham 的试验研究最为深入全面[5]。

研究表明，没有机械连接件的钢与混凝土接触面，在滑移一旦出现时组合梁就开始破坏。

1933年Maning等第一次研究了采用机械抗剪连接件的组合梁。

1933年Ros首次设计了推出试验来研究抗剪连接件，该方法行之有效，一直沿用至今。

最早开始系统地研究配有机械连接的钢与混凝土组合梁是在1935-1936 年间，瑞士人V oellmy 进行螺旋筋剪力连接件组合梁试验[6]。

可以看到, 处于萌芽阶段的研究主要集中于考虑防水需要的外包混凝土钢梁及其实用连接件的研究。

该阶段探索性的研究为后续钢与混凝土组合梁的蓬勃发展奠定了一定的基础。

2.2发展阶段
在这一个阶段，20世纪20-30 年代的研究成果尤其是采用抗剪连接件的组合梁在该阶段得到了较广泛的应用，并且开始制定相应的规程，同时关于实用连接件的研究工作进一步展开，使得组合梁的应用在科学指导下逐渐普及。

1943
年，里海大学报道了槽钢连接件组合梁的试验报告[7]，并且在1954年L.M. Viest 首次对栓钉连接件进行研究，并提出以残余滑移为0.07mm 时的剪力作为允许抗剪临界值[8]，之后在1964 年Chapman 和Balakrishnan首次进行了带头栓钉的研究[9] [10]，充分考虑了栓钉在钢与混凝土组合梁的滑移和掀起作用下的实际受力情况。

研究和应用表明栓钉在提高了组合梁极限承载力的同时，也大大加快了组合梁的施工速度，并使组合梁后来能在压型钢板组合楼盖中应用成为可能。

2.3全面研究、实用阶段
这一阶段在总结以往研究和应用成果的基础上，进一步改进和完善了组合梁的有关设计规范或规程，组合结构的应用和发展逐步成熟，几乎日趋赶上钢结构的发展，并受到广泛的重视。

研究工作重点由简支梁研究转而开始了连续梁的研究，由完全剪力连接组合梁的研究转而开始了部分剪切连接组合梁的研究，由考虑允许应力设计方法转为考虑极限状态设计方法。

其中代表性的理论研究成果有：1965 年R.G. Slutter，R.G.Driscoll 提出了极限抗弯强度计算方法[11]、1971 年R.P. Johnson关于纵向抗剪的计算[12]以及1975 年R.P. Johnson提出部分剪力连接组合梁的强度和变形计算[13]等。

图4 钢-混凝土组合梁的发展历程简图
2.4深入研究、推广应用、完善规范阶段
在前面工作的基础上，钢与混凝土组合梁又有了新的进展。

研究工作从线性、平面构件开始向非线性、空间体系扩展。

同时也开始出现新的截面组合形式。

这一阶段，相继出现了预制装配式钢-混凝土组合梁、叠合板组合梁、预应力钢-混凝土组合梁、钢板夹心组合梁等多种新的结构形式。

同时，对组合梁在使用阶段所产生的问题以及新材料、新工艺的应用开展了更加细致的研究，并由线弹性向非线性，由平面结构向空间结构的方向进行了发展。

我国从50年代初期开始研究组合梁结构，之后在公路、铁路桥梁方面得到应用。

如1957年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥的纵梁（跨度18m）采用了组合梁，但当时在应用中并未考虑钢与混凝土材料之间的组合效应，而仅仅将其作为强度储备以提高安全度或者是为了方便施工。

在房屋建筑方面，早在50年代，北京钢铁设计研究总院对组合梁结构进行了探讨和研究。

自20世纪80年代初以来，随着我国经济建设的快速发展、钢产量的大幅提高、钢材品种的增加、科研工作的深入、应用实践经验的积累，钢-混凝土组合梁结构得到了迅速的发展和越来越广泛的应用，应用范围已涉及建筑、桥梁、高耸结构、地下结构、结构加固等领域。

例如：我国已建成的上海环球金融中心（492m）、金茂大厦（见图5，高421m）、深圳地王大厦（384m）、深圳赛格广场大厦（292m）等超高层建筑都采用了组合楼面；上海杨浦大桥（602m）、东海大桥（420m）、芜湖长江大桥（见图6，大桥主跨度312m）、深圳彩虹桥（150m）以及北京等城市的大量立交桥也都使用了钢-混凝土组合梁作为桥面系。

大量工程应用实例证明，钢-混凝土组合梁综合了钢梁和钢筋混凝土梁的优点，可以用传统的施工方法和简单的施工工艺获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国基本建设的国情，是具有广阔应用前景的新型结构形式之一。

图5 金茂大厦（421m）
图6 芜湖长江大桥（312m）
目前, 各国均对组合结构编制了相应的规范。

其中，欧洲规范4 (Eurocode 4)是一本专门的钢-混凝土组合梁的设计规范；我国现行规范和规程如《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《型钢混凝土组合结构技术规程》(JCJ138-2001)、《钢-混凝土组合结构设计规程》(DL/T 5085-1999)和《钢-混凝土组合结构施工规范》（GB50901-2013）等也都可以指导钢-混凝土组合结构设计与施工。

3 钢-混凝土组合梁的工程应用实例
3.1 多层工业厂房
1988年开始建设的国家重点建设项目——太原第一热电厂五期工程，由山西省电力勘测设计院设计。

该工程的集中控制楼位于两台锅炉之问，处在第一台锅炉的安装通道上，只有在第一台锅炉的大件吊装完，塔吊退出后才能进行全面施工，因此，第一台机组能否早日发电取决于集中控制楼的工期。

集中控制楼楼面设计荷载为25~35 kN/m2。

对集中控制楼设计必须选择施工工序简单，便于立体交叉作业和多层同时施工且能最大限度地加快施工速度的结构型式。

为此，在钢-混凝土组合楼层的三个方案(现浇楼板、压型钢板-混凝土组合楼板、混凝土叠合楼板组合梁)中选择了叠合板组合梁方案，柱为钢管混凝土柱，通过加强环与组合梁相连，形成了完整的钢-混凝土组合结构体系。

当时，由于钢-混凝土叠合板组合梁的应用在国内尚无先例，又无设计规范可循，因此在设计前，山西省电力勘测设计院和郑州工学院合作，对叠合板组合梁进行了试验研究，包括钢筋混
凝土简支叠合板、连续叠合板、钢-混凝土叠合板简支和连续组合梁等，成果为叠合板组合楼层结构设计提供了依据。

集中控制楼柱网尺寸为7 m×9 m，次梁沿纵向布置(梁跨9 m)并支承在梁跨为7m的主梁上，如图7所示。

预制板跨3.5 m，宽0.8~2.2 m，厚度70 mm，预制板中配置了楼板的正弯矩钢筋。

在板的上表面沿每米宽布置1列、纵向间距为300 mm、直径为,6构造抗剪钢筋(如图8所示)。

浇灌预制板时在其上表面用竹扫帚拉毛以使其具有一定的粗糙度。

组合梁混凝土翼缘的横向配筋率为0.7％，包括伸出预制板端120mm的“胡子筋”和现浇层中的负钢筋。

组合梁中支座弯矩调幅度取15％。

值得指出的是，由于叠合板组合楼层设计在当时尚无规范可循，又没有实例参考，故集中控制楼楼层结构设计偏于保守。

尽管如此，它同现浇组合楼层相比，不仅缩短工期1/3，而且由于节省了支模工序和模板等降低造价18％。

与压型钢板组合楼层相比，节省钢材30％，降低造价76％。

由于缩短工期使第一台机组提前发电所创造经济效益近700万元。

继太原第一热电厂第五期工程之后，第六期工程和阳泉第二发电厂等工程也采用了叠合板组合梁结构。

图7 太原第一热电厂柱网布置及组合梁截面
图8 钢-混凝土叠合板组合梁构造
3.2 高层建筑
北京国际技术培训中心的两幢18层塔楼，楼盖结构采用冷弯薄壁型钢-混凝土简支组合梁，跨度6 m，间距1.5 m，组合梁全高300 mm(包括混凝土楼板厚度)。

梁的截面如图9所示。

组合楼盖结构设计是以试验研究成果为依据的。

栓钉剪力连接件设计采用文献[14]的研究成果，节约栓钉用量达47％(仅这2幢高层建筑的楼盖结构就节约栓钉近10万个)。

与钢筋混凝土叠合楼板相比较，结构自重降低29％，水泥消耗节约34％，钢材消耗节约22％，木材消耗节约7％，造价降低5％，施工周期缩短25％，并且使建筑标准提高了一大步，实现了建设部对小康住宅提出的“造价不高水平高，标准不超质量高”的要求，为我国城镇住宅建设提供了一种轻型、优质、大跨的楼盖结构型式，这种新型组合梁在高层建筑楼盖结构中具有广阔的应用前景，有利于推动大开问灵活分隔的高层建筑的发展。

钢-压型钢板混凝土组合结构在高层建筑中的应用也在不断发展，如深圳赛格广场、上海世界金融大厦、金茂大厦等超高层建筑的楼板也采用了压型钢板组合楼板。

压型钢板组合楼盖的最大优点是施工速度快，但造价比较高。

图9 冷弯薄壁型钢一混凝土组合梁截面
3.3 桥梁结构
1993年，北京市市政工程设计研究总院设计的北京国贸桥，在三个主跨采用了钢-混凝土叠合板连续组合梁结构，其侧面和横剖面如图10所示。

当时叠合板组合梁在国内城市立交桥中的应用尚属首次。

其综合效益为：
(1)比原现浇桥面板方案节省近4000 m2的高空支模工序和模板，减小现场湿作业量，缩短工期近一半，未中断下部交通；
(2)比钢筋混凝土梁桥自重减轻约50％；
(3)比钢桥节省钢材30％左右。

图10 国贸桥三跨钢-混凝土连续叠合板组合梁
模拟气超-20的静载试验结果和分析表明，该桥具有同现浇桥面板组合梁一样的受力性能，再次证明钢-混凝土叠合板组合梁具有良好的整体工作性能。

它在桥梁结构中的成功应用实现了“轻型大跨、预制装配、快速施工”的目的，符合我国城市立交桥建设的国情。

继国贸桥之后，仅北京又有6座大跨立交桥的主跨采用了这种结构型式，最大跨度已达到70m，取得了显著的技术经济效益和社会效益。

钢-混凝土叠合板组合梁的显著优点是省掉了高空支模工序和模板。

用于桥梁可以不中断下部交通，用于建筑可以省去满堂红脚手架，对于减少现场作业量和保护环境等都是有利的。

有关专家对多座城市大跨立交桥结构方案(包括预应力钢筋混凝土桥、钢桥及钢-混凝土组合梁桥)比较后认为，钢-混凝土叠合板组合梁方案的综合效益最好。

4 钢-混凝土组合梁的前景
大量工程应用实例证明，钢-混凝土组合梁综合了钢梁和钢筋混凝土梁的优点，可以用传统的施工方法和简单的施工工艺获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国基本建设的国情，是具有广阔应用前景的新型结构形式之一。

为了促进传统结构的发展，还需要加大对钢-混凝土组合结构研究的投入。

在组合梁领域值得进一步研究的问题包括组合梁在复合受力状态下的性能与设计方法、组合梁截面的优化、预应力组合梁、桁架组合梁、大跨组合梁的温度、徐变和收缩效应、新型组合梁的开发、钢-混凝土组合结构体系的整体性能、钢-混凝土组合楼盖的空间作用、钢-压型钢板组合梁的组合效应利用问题，组合梁在超高层建筑中的应用问题等，将钢-混凝土组合梁用于超高层建筑的转换层结构是值得探讨的，它将克服目前转换层钢筋混凝土大梁尺寸过大的问题。

此外，有必要尽快制订一部完整的适合我国基本建设国情的钢一混凝土组合结构设计规程。

参考文献
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