鋼與溷凝土組合梁課件

鋼與混凝土組合梁11.1組合梁的應(yīng)用和發(fā)展

組合梁的應(yīng)用開始于本世紀(jì)（20世紀(jì)）20年代，我國從50年代開始開展組合梁的研究和應(yīng)用。最初主要用于橋梁結(jié)構(gòu)，自80年代以來，由于在多層及高層建筑中更多地采用了鋼結(jié)構(gòu)，使得組合梁在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也得到了長足的發(fā)展。在設(shè)計(jì)方法方面，大約在60年代以前，組合梁基本上按彈性理論設(shè)計(jì)，60年代開始逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榘此苄岳碚撛O(shè)計(jì)。

組合梁是鋼梁和所支承的鋼筋混凝土板通過抗剪連接件組合成一個(gè)整體而共同工作的梁。組合梁能更好地發(fā)揮鋼和混凝土各自的材質(zhì)特點(diǎn)，即充分發(fā)揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能。與單獨(dú)工作的鋼梁相比，組合梁的穩(wěn)定性和抗扭性能均有提高，防銹和耐火性能也有所增強(qiáng)，可以節(jié)省鋼20～40％，從而取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。組合梁的整體剛度比鋼梁單獨(dú)工作時(shí)要大得多，撓度可減小1/3～1/2。如果保持撓度大小不變，則鋼梁高度可減低15～20％，使建筑高度降低。壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土翼板并通過抗剪連接件與鋼梁連接組合成整體后，鋼梁與樓板成為共同受力的組合梁結(jié)構(gòu)。

組合梁的組成及其工作原理

壓型鋼板組合梁通常由三部分組成，即：鋼筋混凝土翼板、抗剪連接件、鋼梁。

11.2一般規(guī)定（1）鋼筋混凝土翼板——組合梁的受壓翼緣；（2）抗剪連接件——混凝土翼板與鋼梁共同工作的基礎(chǔ)，主要用來承受翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力；同時(shí)可承受翼板與鋼梁之間的掀起力。（3）鋼梁——在組合梁中主要承受拉力和剪力，鋼梁的上翼緣用作混凝土翼板的支座并用來固定抗剪連接件，在組合梁受彎時(shí)，抵抗彎曲應(yīng)力的作用遠(yuǎn)不及下翼緣，故鋼梁宜設(shè)計(jì)成上翼緣截面小于下翼緣截面的不對稱截面。

組合梁的工作原理2.鋼梁的形式鋼梁的形式應(yīng)根據(jù)組合梁跨度、荷載、施工條件等綜合考慮。一般來說，采用上窄下寬的焊接工字形截面耗鋼量較少。當(dāng)荷載或跨度較小時(shí)，也可采用熱軋H型鋼或普通工字鋼，或在其下面加一塊蓋板。當(dāng)跨度較大而荷載相對較小的情況，可考慮采用H型鋼的腹板切割為鋸齒形，錯(cuò)開半齒焊合而成的蜂窩梁。它將H型鋼高度提高約50％，有較好的經(jīng)濟(jì)效果，而空洞又便于鋪設(shè)管線。

3.混凝土翼板的計(jì)算寬度計(jì)算組合梁時(shí)，將其截面視為T形截面，上部受壓翼緣為混凝土板的一部份甚至全部。由于剪力滯后的影響，混凝土翼板內(nèi)的壓應(yīng)力分布沿寬度方向是不均勻的，所謂計(jì)算寬度（即有效寬度）實(shí)質(zhì)上是指以應(yīng)力均勻分布為前提的當(dāng)量寬度。規(guī)范取用的組合梁混凝土翼板有效寬度，系按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的規(guī)定采用的?；炷烈戆宓挠行挾热∠率街械淖钚≈担菏街衎c1、bc2——相鄰鋼梁間凈距s0的1/2。

此外，各國規(guī)范對bc2的取值相差較大，與梁跨度l的關(guān)系從0.083l（美國，一側(cè)有翼板）到0.2l（日本，簡支組合梁）。與板厚有關(guān)與否也不盡統(tǒng)一。對于日本AIJ的規(guī)定，有試驗(yàn)證明，在低應(yīng)力時(shí)是合適的，但在極限荷載情況下，有效寬度應(yīng)予減小?？偟膩砜矗覈?guī)范對翼板計(jì)算寬度的規(guī)定有些偏大。由于組合梁混凝土板與鋼梁之間僅用連接件連結(jié)，不能考慮兩者完全粘連,按理，其計(jì)算寬度應(yīng)小于全混凝土的，但規(guī)范的規(guī)定與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》一致，似值得再加以研究?；炷烈戆逵?jì)算厚度的取值：（1）對現(xiàn)澆混凝土，取如圖中的值；（2）對預(yù)制混凝土疊合板，當(dāng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的有關(guān)規(guī)定采取相應(yīng)的構(gòu)造措施后，可取為預(yù)制板加現(xiàn)澆層的厚度；（3）當(dāng)采用壓型鋼板作混凝土底模時(shí)，若用薄弱截面的厚度將過于保守，參照試驗(yàn)結(jié)果和美國資料，翼板厚度可采用有肋處板的總厚度。1.組合梁截面的基本假定（1）組合梁截面變形符合平面假定；（2）鋼梁與混凝土翼板之間的相互連接可靠，雖然有微小的相對位移，但可忽略不計(jì)；（3）鋼材與混凝土均為理想的彈塑性體。（4）忽略鋼筋混凝土翼板受壓區(qū)中鋼筋的作用；（5）假定剪力全部由鋼梁承受，同時(shí)不考慮剪力對組合梁抗彎承載力的影響。11.4組合梁的截面設(shè)計(jì)

彈性設(shè)計(jì)法假定鋼和混凝土都是理想彈塑性體，因而截面始終保持平面，不能全面反映組合梁的實(shí)際工作。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，彈性理論對彎曲剛度和截面開始屈服前的曲率能給出較準(zhǔn)確的預(yù)測，但由于收縮、徐變和溫度作用等的影響，截面開始屈服時(shí)的彎矩My卻過高地估計(jì)了13％左右。組合梁開始屈服后的承載潛力較大，最后破壞的極限彎矩Mu比My大得多，若以極限彎矩為準(zhǔn)，就顯得彈性設(shè)計(jì)太保守。所以從60年代開始，各國對承受靜態(tài)荷載和間接承受動(dòng)態(tài)荷載的一般結(jié)構(gòu)，均逐漸轉(zhuǎn)為按簡單塑性理論進(jìn)行計(jì)算。組合梁的計(jì)算分兩階段——施工階段和使用階段。（1）施工階段：鋼梁承受混凝土和鋼梁的自重以及施工活荷載，鋼梁應(yīng)計(jì)算強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度。（2）使用階段：鋼梁上的混凝土翼板已終凝形成組合梁承受在使用期間的荷載。應(yīng)按鋼與混凝土組合梁進(jìn)行截面的強(qiáng)度、剛度及裂縫寬度計(jì)算。組合梁在正彎矩作用下的抗彎強(qiáng)度計(jì)算正彎矩作用下，組合梁的塑性中和軸可能位于鋼筋混凝土翼板內(nèi)，也可能位于鋼梁截面內(nèi)，計(jì)算時(shí)分兩種情況考慮。（1）當(dāng)塑性中和軸位于混凝土受壓翼板內(nèi)，即Afbcehcfc時(shí)：

組合梁在負(fù)彎矩作用下的抗彎強(qiáng)度計(jì)算

對連續(xù)組合梁，在負(fù)彎矩作用下極限狀態(tài)的一般特征為：負(fù)彎矩區(qū)混凝土翼板受拉開裂后退出工作，同時(shí)混凝土板中的縱向受拉鋼筋達(dá)到或超過屈服應(yīng)變，鋼梁的拉區(qū)和壓區(qū)大部分也達(dá)到或超過屈服應(yīng)變，其受力狀態(tài)類似鋼筋混凝土梁。我國規(guī)范規(guī)定可以采用塑性理論計(jì)算抗彎承載力，并在計(jì)算中假定鋼梁與混凝土翼板有可靠連接，能保證鋼筋應(yīng)力的充分發(fā)揮，忽略混凝土抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。規(guī)范規(guī)定組合梁在負(fù)彎矩作用區(qū)段拉力全部由翼板內(nèi)配置的縱向鋼筋承受，梁的抗彎強(qiáng)度應(yīng)滿足下式的要求：Ms=(S1+S2)f

在負(fù)彎矩作用下，組合梁的混凝土翼板還應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度計(jì)算。因?yàn)檫B續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土翼板的工作狀態(tài)很接近于鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件，故最大裂縫寬度的計(jì)算可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。在驗(yàn)算混凝土裂縫時(shí)，可僅按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵诤奢d標(biāo)準(zhǔn)組合下計(jì)算裂縫的公式中已考慮了荷載長期作用的影響。

Mk—由荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的截面負(fù)彎矩：Mse—由荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合按彈性方法計(jì)算得到的連續(xù)組合梁支座負(fù)彎矩值（按等截面計(jì)算）：a—連續(xù)組合梁支座負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)：

r—鋼筋截面重心至鋼筋和鋼梁形成的組合截面塑性中和軸的距離。鋼筋與鋼梁的力比，f=Astfst/Af11.5部分抗剪連接的組合梁設(shè)計(jì)鋼-混凝土組合梁的混凝土板與鋼梁之所以能形成整體共同工作，關(guān)鍵是由于抗剪連接件傳遞二者之間的剪力。規(guī)范規(guī)定，抗剪連接件應(yīng)以控制截面間的區(qū)段分段進(jìn)行布置，控制截面一般取彎矩最大截面及零彎矩截面。在每個(gè)正彎矩計(jì)算區(qū)段（剪跨）內(nèi)，鋼梁與混凝土板交界面的縱向剪力Vs?。ˋf）和（behc1fc）中的較小值。在負(fù)彎矩區(qū)段，Vs等于鋼筋屈服時(shí)所能提供的縱向拉力Astfst。對于單跨簡支梁，部分抗剪連接的抗彎強(qiáng)度計(jì)算方法是根據(jù)簡化塑性理論按下列假定確定的：（1）在所計(jì)算截面左右兩個(gè)剪跨內(nèi)，

取連接件承載力設(shè)計(jì)值之和nr的較小者作為混凝土翼板中的剪力；（2）梁與混凝土翼板間產(chǎn)生相對滑移，以至混凝土翼板與鋼梁有各自的中和軸。

部分抗剪連接時(shí)，混凝土翼板受壓區(qū)高度由抗剪連接件能夠提供的最大剪力所確定:——部分抗剪連接時(shí)一個(gè)剪跨區(qū)的抗剪連接件數(shù)目；——每個(gè)抗剪連接件的縱向抗剪承載力。鋼梁受壓區(qū)面積為：A——鋼梁截面面積。

部分抗剪連接時(shí)組合梁截面抗彎承載力為：y1——鋼梁受拉區(qū)截面形心至混凝土翼板受壓區(qū)形心的距離；y2——鋼梁受拉區(qū)截面形心至鋼梁受壓區(qū)形心的距離。部分抗剪連接組合梁在負(fù)彎矩作用區(qū)段的抗彎強(qiáng)度，按nr和Astfst兩者中的較小值計(jì)算。計(jì)算略偏保守，以補(bǔ)償混凝土的抗拉作用、鋼筋的強(qiáng)化作用以及構(gòu)造鋼筋的作用。隨著抗剪連接件數(shù)目的減少，鋼梁與混凝土翼板的共同工作能力不斷降低，導(dǎo)致二者交界面產(chǎn)生過大的滑移，從而影響鋼梁塑性性能的充分發(fā)揮，并使構(gòu)件在承載力極限狀態(tài)時(shí)延性降低。為了保證部分抗剪連接的組合梁能有較好的工作性能，在任一剪跨區(qū)內(nèi)，規(guī)范規(guī)定部分抗剪連接時(shí)連接件的數(shù)量不得少于按完全抗剪連接設(shè)計(jì)時(shí)該剪跨區(qū)內(nèi)所需抗剪連接件總數(shù)的50%，否則將按單根鋼梁計(jì)算，不考慮組合作用。部分抗剪連接時(shí)，組合梁的抗剪連接件必須具有一定的柔性，即理想的塑性狀態(tài)，因此規(guī)范規(guī)定栓釘直徑d22mm，桿長l4d。此外，混凝土強(qiáng)度等級不能高于C40，以保證栓釘工作時(shí)全截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。11.6鋼梁板件的寬厚比當(dāng)塑性中和軸在混凝土翼板內(nèi)或板托內(nèi)時(shí)，整個(gè)鋼梁處于受拉狀態(tài)，則不應(yīng)對鋼梁板件寬厚比提出要求。當(dāng)塑性中和軸在鋼梁內(nèi)時(shí)，為保證截面塑性能充分發(fā)展，應(yīng)按塑性設(shè)計(jì)的規(guī)定控制鋼梁板件的寬厚比。受壓翼緣板的外伸冤度b與其厚度t之比的控制式為b/t≤9。實(shí)際上此規(guī)定是偏于保守的，因受壓翼緣焊有連接件，不易失去局部穩(wěn)定。

塑性中和軸在鋼梁內(nèi)時(shí)，腹板小部分為受壓區(qū)，大部分為受拉區(qū)，整個(gè)腹板屬偏心受拉的工作狀態(tài)。如果偏安全地參照塑性設(shè)計(jì)時(shí)偏心受壓的控制式，得腹板總的計(jì)算高度h0與其厚度tw之比的控制式為：也可以將塑性中和軸以上的受壓區(qū)視為軸心受壓構(gòu)件的腹板，取：式中h1為腹板受壓區(qū)的高度。

由于連續(xù)梁內(nèi)力重分配時(shí)負(fù)彎矩區(qū)需具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)還需控制裂縫寬度，一般要求對縱向鋼筋的配筋數(shù)量加以限制，即多數(shù)情況下，鋼筋所承擔(dān)的力與鋼梁承擔(dān)的力之比Astfst/Af小于0.37，此時(shí)，鋼梁腹板高厚比應(yīng)滿足條件：11.7抗剪連接件的計(jì)算抗剪連接件是組合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前一般采用圓柱頭栓釘、槽鋼和彎起起鋼筋等三種抗剪連接件，它們單位承載力的耗鋼量之比約為1：2.5：5，以栓釘最省，彎筋耗鋼量最大。所以在條件許可情況下，應(yīng)盡可能采用以專門設(shè)備進(jìn)行接觸焊的圓柱頭栓釘。

圓柱頭栓釘連接件主要靠栓桿抗剪來承受剪力，用圓頭抵抗掀拉力。根據(jù)試驗(yàn)，栓釘連接件主要有兩種破壞模式，即栓釘根部混凝土受局部承壓作用，根部混凝土區(qū)出現(xiàn)局部破碎或栓釘桿被剪壞。因而影響圓柱頭栓釘連接件抗剪承載力的主要因素有：①栓桿的直徑d（或栓釘?shù)慕孛娣eAs）；②混凝土的彈性模量Ec；③混凝土的強(qiáng)度等級。

關(guān)于圓柱頭栓釘?shù)目辜舫休d力，根據(jù)歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)組合結(jié)構(gòu)規(guī)范等資料，其承載力的限制條件為0.7Asfu。但在修訂88規(guī)范時(shí)，認(rèn)為我國使用經(jīng)驗(yàn)不足，將fu改為f，即：

GBJ17-88規(guī)范發(fā)行以來，設(shè)計(jì)者在使用中發(fā)現(xiàn)，Nvc均由“≤0.7Asf”控制，“”不起作用，使栓釘數(shù)偏多，現(xiàn)將此限制條件改為：“0.7Asrf”，r為栓釘材料的強(qiáng)屈比，按規(guī)定，栓釘材料為4.6級，即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。以上對抗剪連接件承載力的計(jì)算公式，是根據(jù)正彎矩作用下的試驗(yàn)結(jié)果得到的，當(dāng)栓釘位于負(fù)彎矩區(qū)時(shí)，混凝土翼板處于受拉狀態(tài)，栓釘周圍的混凝土對其約束程度不如正彎矩區(qū)的栓釘受到周圍混凝土約束程度高，故位于負(fù)彎矩區(qū)的栓釘抗剪承載力應(yīng)予折減。規(guī)范規(guī)定，對位于負(fù)彎矩區(qū)段的抗剪連接件，其抗剪承載力設(shè)計(jì)值對中間支座應(yīng)乘以折減系數(shù)0.9，對懸臂部分應(yīng)乘以折減系數(shù)0.8。用壓型鋼板作混凝土翼板的底模時(shí)，其抗剪連接件一般用栓釘，栓釘根部無混凝土約束，當(dāng)壓型鋼板垂直于鋼梁時(shí)，混凝土肋是不連續(xù)的。壓型鋼板組合梁的破壞主要表現(xiàn)為混凝土肋的破壞。其承載力極限狀態(tài)首先表現(xiàn)為混凝土肋和壓型鋼板的粘結(jié)破壞，然后是混凝土肋剪切破壞，此時(shí)栓釘?shù)某休d力要低于混凝土實(shí)板的情況，故栓釘?shù)目辜舫休d力應(yīng)予折減，規(guī)范規(guī)定的折減系數(shù)是根據(jù)試驗(yàn)分析而得的，分為兩種情況。當(dāng)壓型鋼板的肋平行于鋼梁布置時(shí)，栓釘承載力折減系數(shù)為：bw