钢―混凝土混合结构组合梁设计探讨

钢―混凝土混合结构组合梁设计探讨

摘要：本文阐述了钢-混凝土组合梁的应用、组成、形式及特点，基于特定条件下运用弹性理论设计经济效果好的优势，对其设计计算方法作了介绍和分析。

关键词：钢-混凝土组合结构;组合梁;设计

钢梁与混凝土翼板组合，并且因在钢梁上设置了抗剪连接件，使钢梁与混凝土翼板得以共同承受外力，较之单独工作的钢梁或钢筋混凝土梁承载能力显著提高，这种结构就称之为钢-混凝土混合结构组合梁（简称钢-混凝土组合梁）或钢与混凝土组合梁。据介绍[1]，与独立钢梁比较，钢-混凝土组合梁可节省钢材20%～40%，相应地降低造价10%～30%;与钢筋混凝土梁比较，钢-混凝土组合梁施工更便捷，不仅可节省模板和支撑工序，还可缩短工期，方便安装管线。由于钢-混凝土组合梁优势明显，因而在工民建工程项目中获得广泛应用。然而我国大规模应用钢-混凝土组合梁主要发生在最近20余年时间里，随着《钢结构设计规范》（GBJ 17-88）和《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）对钢-混凝土组合梁的规范和完善，钢-混凝土组合梁设计方法得以推广和应用[2]。为了更好地开展钢-混凝土组合梁设计工作，本文对相关问题进行了探讨。

1钢-混凝土组合梁的组成、形式及特点

钢-混凝土组合梁由混凝土翼板、钢梁、抗剪连接件及板托所组成。混凝土翼板主要承担受压翼缘作用，在组合梁负弯矩区工作，GB 50017-2003第11.1.2条规定了翼板有效宽

度的计算方法，而实际翼板宽度大得多，在有效宽度范围内应力分布被认为是均匀的。钢梁大部分处于组合梁的受拉区，主要承受拉力和剪力，在弯矩作用下上翼缘比下翼缘受力小，所以通常上翼缘截面设计的更小一些，以节省钢材。钢梁截面有工字形、槽钢形、箱形、蜂窝形、钢桁架等多种形式。抗剪连接件是为了确保钢梁与混凝土翼板共同工作的关键

构件，以限制钢梁与混凝土翼板之间相对滑移和抵抗使两者产生分离的“揭拉力”。抗剪连接件常用形式有栓钉、槽钢

和弯筋三种。GB 50017-2003第11.3节给出了这三种连接件

的计算方法。栓钉不需考虑方向，但槽钢翼缘肢尖应指向水平剪力方向，弯筋倾角方向应顺着受力方向。板托的作用是增加梁高，节省钢材，但也增加了施工支模的工作量，然而设置板托的好处超过了不足，一般情况下应予设置，但在梁截面计算时可不考虑板托作用。按照受力特点，组合梁分简支组合梁和连续组合梁两种形式，由于连续组合梁中间支座负弯矩区构造较为复杂，所以受力状况比简支组合梁复杂，GBJ 17-88只列入了简支组合梁设计内容，直到GB

50017-2003才补充了连续组合梁负弯矩区的计算内容。从钢

梁与混凝土翼板接触面的滑移大小，组合梁分为完全抗剪连接和部分抗剪连接，剪力连接程度降低虽会导致组合梁跨中挠度增加，但部分抗剪连接可有效节省造价[3]。

2钢-混凝土组合梁的设计

组合梁截面应力的计算可分别采用塑性理论和弹性理

论两种方法进行计算，由于GB 50017-2003推荐塑性理论计算方法，不少结构设计人员往往忽视了弹性理论的应用，事实上在特定条件下运用弹性理论设计具有更好的经济效果。根据相关研究[4]，在钢截面高度受限制情况下，采用塑性理论设计比非组合梁经济性好，但是在组合梁跨度不大的情况下，采用弹性理论设计比塑性理论设计经济效果更好，例如楼面跨度在9～15m时，弹性理论设计方案比塑性理论设计方案可节省用钢量7.5%～28%。这是因为组合梁跨度较小时，塑性理论设计方案由于要兼顾宽厚比，梁截面难以设计得太小，导致其刚度和承载力的浪费，但弹性理论设计方案梁截面可以设计得更轻薄，通过增加钢梁高度获得更大的抗弯性能和刚度，所以两者经济效果就有明显差异。

2.1截面几何特性

组合梁按弹性理论计算时，其截面不考虑塑性铰出现，钢梁受压翼缘的宽厚比可按GB 50017-2003第4.3.8条的公式进行计算。由于钢梁和混凝土被看作两种不同的弹性材料，计算组合梁的截面几何特性时需将两种材料换算为等效的

一种材料。截面换算时，假定混凝土板厚不变，混凝土截面重心沿截面高度方向也不变，则按荷载短期效应设计的等效宽度为;若按荷载长期效应进行设计，考虑到混凝土徐变的影响，混凝土板内的应力将会下降，钢梁内的压力亦会增加，故将等效宽度调整为。其中为混凝土翼板的有效宽度，可按GB 50017-2003第11.1.2条公式计算，为钢与混凝土弹性模

量之比。计算荷载短期效应的截面特性，当弹性中和轴位于钢梁内时，换算为钢的组合截面，有，式中、分别为混凝土和钢梁的截面积。如果弹性中和轴位于混凝土板内，以弹性中和轴至混凝土板顶的距离代替，得到。换算为混凝土的组合截面，并且弹性中和轴位于钢梁内时，有;弹性中和轴位于混凝土板内时，混凝土的组合截面积为。考虑长期荷载效应时，可将等效宽度代替计算组合截面积。

2.2截面设计计算

2.2.1施工阶段

采用弹性理论进行组合梁设计，需要分别进行施工阶段和使用阶段的计算。在施工阶段，组合梁上的全部荷载都需要由钢梁承担，所以计算内容也就是钢梁的强度和稳定性计算。钢梁截面正应力与剪应力可按GB 50017-2003第4.1.1和4.1.2条公式计算，其中正应力如图1（a）所示。变形验算，可按计算挠度，其中为施工恒载与施工活载产生的均布荷载，为钢梁跨度，为钢的弹模，钢梁截面惯性积，为构件允许挠

度。

2.2.2使用阶段

使用阶段，钢梁和混凝土翼板共同承担组合梁上的荷载，所以需按组合截面进行计算。再将两阶段的应力叠加，就得到组合梁所受应力。

考虑短期效应组合，可得到以下正应力公式：、、、，其中正应力如图1（b）所示。式中、分别为组合梁中的钢梁上、下翼缘正应力;、分别为组合梁中的混凝土翼板顶面、底面正应力;、分别为施工阶段、使用阶段荷载产生的弯矩;、分别

为钢梁截面对上、下翼缘的截面模量;、分别为组合梁换算为钢的组合截面后对钢梁上、下翼缘的截面模量;、分别为组合梁换算为混凝土的组合截面后对混凝土顶面、底面的截面模量;、分别为钢、混凝土的强度设计值。

考虑长期效应组合，可得到以下正应力公式：，其中正

应力如图1（c）所示。式中、分别为考虑混凝土徐变后组合梁中的钢梁上、下翼缘正应力;、分别为考虑混凝土徐变后组合梁中的混凝土翼板顶面、底面正应力;、分别为使用阶段恒载、活载产生的弯矩;、分别为考虑混凝土徐变后组合梁换算为混凝土的组合截面后对混凝土顶面、底面的截面模量;其他符号意义同前。

剪应力也按两阶段进行叠加，短期效应组合的计算公式为。式中为施工阶段恒载产生的剪力;、分别为使用阶段恒载、