淺議鋼筋混凝土梁與鋼混凝土組合梁

淺議鋼-混凝土土組合梁與與鋼筋混凝凝土梁摘要：分析鋼---混凝土組組合合梁與鋼鋼筋混混凝土梁梁的設設計和計計算的的異同，重重點點探討鋼-混凝土組組合合梁與鋼鋼筋混混凝土梁梁的變變形特點點、裂裂縫、受受彎承承載力，在在分分析的基基礎上上，加深對對其其的了解解，從從而知道道鋼-混凝土組組合合梁是組組合結結構中最最常見見的組合合構件件之一，是在鋼結結構構和混凝凝土結結構基礎礎上發(fā)發(fā)展起來來的一一種新型型梁，它是由鋼鋼筋筋混凝土土翼緣緣板，鋼梁肋部部和和抗剪連連接件件組成的的整體體受力構構件。鋼與混凝凝土土組合梁梁結構構充分利利用了了鋼材受受拉性性能好和和混凝凝土受壓壓性能能好的特特點，是將兩種種材材料通過過連接接件組合合成整整體而共共同工工作發(fā)揮揮作用用的一種種新型型結構。鋼筋混凝凝土土梁形式式多種種多樣，是是房房屋建筑筑、橋橋梁建筑筑等工工程結構構中最最基本的的承重重構件，應應用用范圍極極廣。關鍵詞：鋼-混混混凝土組組合梁梁、鋼筋筋混凝凝土梁、變變形形、受彎彎、裂裂縫前言：鋼-混凝凝凝土組合合梁是是由鋼梁梁、連連接件和和鋼筋筋混凝土土板組組成，而而鋼筋筋混凝土土梁是是用鋼筋混混凝凝土材料料制成成的梁。鋼鋼-混凝土組組合合梁的上上翼緣緣有截面面面積積較大的的鋼筋筋混凝土土板承承受壓力力，致致使鋼梁梁上翼翼緣截面面減小小，從而而節(jié)約約鋼材，鋼鋼梁梁下翼緣緣則承承受拉力力，這這是組合合梁的的受力特特點。鋼筋筋混凝土梁梁既可作成成獨立梁，也可與鋼鋼筋混凝土土板組成整整體的梁-板式樓蓋蓋，或與鋼鋼筋混凝土土柱組成整整體的單層層或多層框框架。1、變形1.1鋼-混凝凝凝土組合合梁1.1.1在在在荷載保保持不不變的情情況下下，由于于混凝凝梁發(fā)生生收縮縮徐變，組組合合梁的變變形將將不斷增增加。1.1.2混凝凝凝土的收收縮徐徐變受到到鋼梁梁的約束，組組合梁截截面中中將產(chǎn)生生內(nèi)力力重分布布，這這種內(nèi)力力重分分布也會對對組組合梁的的長期期變形產(chǎn)產(chǎn)生影影響[1]。中國現(xiàn)行《鋼結結結構設計計規(guī)范范))(GGB5000117，送審審稿稿)[2]和《公路路橋涵鋼鋼結構構及木結結構設設計規(guī)范范》((JTJ00225-886))[3]中均采用用降降低棍凝凝土彈彈性模量量的方方法來考慮慮混混凝土收收縮徐徐變對組組合梁梁長期變變形的的影響，混混凝凝土長期期荷載載作用下下的有有效彈性性模量量E為E=E/k式中：E為混凝凝凝土初始始彈性性模量;kk為混凝土土彈性模模量折折減系數(shù)數(shù)。文獻[2]提出出出考慮混混凝土土徐變影影響時時k取2.0；文獻[33」認為只只計混凝凝土徐徐變時k取2.55，同同時考慮慮混凝凝土收縮徐徐變變時k取2.0。應該指指出出，上述述規(guī)范范公式中中采用用的單一一彈性性模量折折減系系數(shù)法計計算簡簡單，便便于廣廣大工程程設計計人員應應用。但但在系統(tǒng)統(tǒng)查閱閱了國內(nèi)內(nèi)外有有關組合合梁時時隨性能能的最最新研究究成果果后，發(fā)發(fā)現(xiàn)上上述規(guī)范范方法法也存在在著一一定的局局限性性[4]；一方面面不不能反映映混凝凝土徐變變系數(shù)數(shù)的時隨隨變化化，徐變變系數(shù)數(shù)與加載載時棍棍凝土的的齡期期和加載載持續(xù)續(xù)時間等等多種種因素有有關，隨隨加載齡齡期的的增長而減減小小，又隨隨加載載持續(xù)時時間的的增加而而增大大；另一一方面面，按式式(1)計算的最最終終變形值值偏小小。在國內(nèi)內(nèi)外外已有的的相關關科技文文獻中中，文獻[4]對鋼一混凝凝土土組合梁梁的長長期變形形進行行了討論論，建建立了鋼一一混混凝土組組合梁梁的長期期剛度度計算公公式。但但該公式式只適適用于普普通組組合梁，不不能能用來計計算預預應力組組合梁梁，且公公式形形式過于于復雜雜。有的的提出出了“變剛度”的分析方方法法，來分分析預預應力組組合梁梁的時隨隨性能能，也有有的提提出了一一步迭迭代法、無無迭迭代漸進進法、迭迭代漸進進法和和基于無無迭代代漸進法法的改改進方法法，來來計算因因混凝凝土收縮縮、徐徐變和預預應力力筋松弛弛引起起的預應應力損損失。1.2鋼筋混混混凝土梁梁1.1.1HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"鋼筋筋筋HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%bb%ec%c4%fd%cd%c1"混凝土梁在在外外荷載的的直接接應力和和次應應力的作作用下下，引起起結構構變形在房屋建設中，HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"鋼筋砼結構是不可缺少的結構體系，也是保證工程主體質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%b8%d6%bd%ee"鋼筋HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%bb%ec%c4%fd%cd%c1"混凝土梁在外荷載的直接應力和次應力的作用下，引起結構變形而HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂縫。構件在使用過程中受年溫差的長期作用，當溫差的脹縮應力大于構件極限抗拉強度時就會HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂縫。構件HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂縫的因素是多方面的，包括結構設計、地基沉降差異、施工質(zhì)量、材料質(zhì)量、環(huán)境影響等，無論何種原因產(chǎn)生的HYPERLINK"/SearchResult.aspx?type=0&startpos=1&sort=1&keywords=%c1%d1%b7%ec"裂縫，都會給建筑物肢體結構帶來影響。1.1.2在低低低速沖擊擊荷載載作用下下梁的的變形與與其動動力特性性、沖沖擊體與與梁的的質(zhì)量比Ms/MMbb，沖擊速度V0、沖擊時時間間和沖擊擊體形形狀密切切相關關。在足夠?qū)拰挼腗s/MMb、V0的變化范范圍圍內(nèi)，鋼筋混凝凝土土梁呈現(xiàn)現(xiàn)出一一致的狀狀態(tài)特特性[5]。2、裂縫2.1鋼-混凝凝凝土組合合梁2.1.1鋼---混凝土組組合合梁負彎彎矩區(qū)區(qū)出現(xiàn)裂裂縫鋼-混凝土組合合梁梁由于鋼梁梁梁及抗剪剪連接接件的約約束作作用，鋼-混凝土組組合合梁在承承受負負彎矩作作用時時，其裂裂縫的的形成、發(fā)發(fā)展展除表現(xiàn)現(xiàn)出和和鋼筋混混凝土土梁相似似的規(guī)規(guī)律外，還還具具有其自自身的的特點：：（1）、隨隨著齡期期的增增長，混混凝土土板產(chǎn)生生收縮縮徐變，在在與與剛度相相對較較強的鋼鋼梁之之間的相相互作作用下會會形成成一定的的內(nèi)應應力，造造成開開裂荷載載降低低，同時時裂縫縫發(fā)展初初期寬寬度較大大；（2）、鋼鋼筋混凝凝土梁梁的裂縫縫高度度可以達達到平平均中性性軸位位置，但但對于于組合梁梁，鋼鋼梁的存存在使使裂縫高高度不不能達到到組合合梁的平平均中中性軸處處；（3）、由于剪剪力力釘對裂縫縫縫的約束束作用用，組合合梁的的裂縫高高度一一般到達達剪力力釘頂部部，或或者在兩兩個剪剪力釘之之間，少少部分的的裂縫縫貫通而而到達達鋼梁的的頂部部；（4）、隨著荷荷載載的增加，鋼鋼梁和混凝土土板之間發(fā)生生滑移，滑移移可以產(chǎn)生附附加曲率，或或者說使得負負彎矩區(qū)的手手拉鋼筋產(chǎn)生生附加應變，這這是導致組合合梁的裂縫寬寬度增大[6]。2.2鋼筋混凝凝凝土梁鋼筋混凝凝凝土梁裂裂縫是是一種很很普遍遍的現(xiàn)象象，鋼鋼筋混凝凝土梁梁產(chǎn)生裂裂縫的的原因十十分復復雜，越越來越越引起國國內(nèi)外外學者和和工程程界的重重視。通通過長期期的施施工實踐踐對鋼鋼筋混凝凝土梁梁裂縫產(chǎn)產(chǎn)生的的原因有有一定定的總結結。2.2.1材料料料質(zhì)量混凝土所采用的的的材料的的質(zhì)量量不合格格，可可能導致致結構構出現(xiàn)裂裂縫。袁袁觀錫[7]等人也認認為為鋼筋混混凝土土裂縫產(chǎn)產(chǎn)生的的原因與與選材材有直接接的關關系，應應選用用級配良良好的的骨料，嚴嚴格格控制砂砂、石石含量，避避免免外摻料料不合合理的現(xiàn)現(xiàn)象。混混凝土的的攪拌拌、運輸輸、澆澆搗、振振實各各道工序序中的的任何缺缺陷和和疏漏，也也是是產(chǎn)生裂裂縫的的直接原原因。2.2..22施工質(zhì)量量由于混凝土標號號號偏低、受受力力鋼筋截截面偏偏小、截截面尺尺寸不符符合設設計等而而導致致混凝土土梁出出現(xiàn)裂縫縫。由由于施工工工藝藝不合理理，施施工質(zhì)量量低劣劣，可能能產(chǎn)生生各種形形式的的裂縫。裂裂縫縫出現(xiàn)的的部位位和走向向因產(chǎn)產(chǎn)生的原原因而而異。預預制鋼鋼筋混凝凝土梁梁在運輸輸、吊吊裝的過過程中中，由于于支撐撐不合理理、吊吊點位置置不符符，以及及較大大的振動動或沖沖擊荷載載，也也會導致致鋼筋筋混凝土土梁出出現(xiàn)裂縫縫。2.2.3工工工程設計計工程設計欠周全全全，也是是引起起混凝土土梁產(chǎn)產(chǎn)生裂縫縫的一一個重要要原因因之一。鋼鋼筋筋混凝土土梁的的截面不不夠、梁梁的跨度度過大大、高度度偏小小，或者者由于于計算錯錯誤，受受力鋼筋筋截面面偏小、配配筋筋位置不不當、節(jié)節(jié)點不合合理、結結構縫設設置不不妥等因因素，均均容易導導致混混凝土梁梁出現(xiàn)現(xiàn)結構裂裂縫。2.2.4溫度度度變化溫度裂縫是粗裂裂裂縫產(chǎn)生生的重重要原因因，一一般出現(xiàn)現(xiàn)在配配筋薄弱弱處。在在澆筑混混凝土土時，由由于混混凝土內(nèi)內(nèi)外溫溫差過大大，容容易引起起較大大的溫度度應力力，當混混凝土土溫度應應力超超過混凝凝土抗抗拉強度度時，混混凝土機機會開開裂；另另外，混混凝土在在降溫溫收縮時時，由由于受約約束內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)生生拉應應力，當當混凝凝土拉應應力超超過混凝凝土抗抗拉強度度時，混混凝土也也容易易開裂。2.2.5養(yǎng)護護護方法目前在混凝土施施施工中采采用的的養(yǎng)護方方法基基本沿用用過去去簡易的的方法法，這種種方法法已遠不不適應應泵送混混凝土土的較大大溫度度收縮變變形要要求。2.2.6功能能能改變在使用過程中，改改變原來使用用功能，將辦辦公室改為倉倉庫，屋面加加層、使用不不當、增大梁梁上荷載等均均會出現(xiàn)裂縫縫。3、抗彎承載力力力3.1鋼-混凝凝凝土組合合梁目前，鋼-混凝凝凝土組合合梁多多采用栓栓釘剪剪力連接接件形形式，其其抗彎彎承載力力不僅僅受到自自身材材料強度度、截截面尺寸寸的影影響，還還要受受到界面面剪力力連接件件數(shù)量量和混凝凝土翼翼板內(nèi)橫橫向配配筋率的的影響響。國內(nèi)一一些些學者對對此進進行了研研究[[8]，但但由由于研究究的角角度和形形式各各不相同同，其其成果不不便于于在工程程中得得到直接接應用用。3.1.1彈性性性受彎承承載力力的計算算基本本假定（1）、剛才和和混混凝土均為為為理想的的彈性性體；（2）、鋼材和和混混凝土板之之之間的滑滑移很很小，可可以忽忽略不計計，組組合截面面的應應變保持持平面面；（3）、在正彎彎矩矩作用下，計計算混凝土板板面積時不扣扣除其中受拉拉開裂的部分分；（4）、在正彎彎矩矩作用下，不不考慮混凝土土板中的鋼筋筋作用；（5）、中間支支座座兩側負彎彎彎矩區(qū)混混凝土土板受拉拉開裂裂區(qū)段的的長度度，各為為該跨跨的0.15倍；在確確定定截面剛剛度時時，只計計入該該區(qū)段的的鋼筋筋，不計計入該該區(qū)段的的混凝凝土板。3.1.2、截截截面特征征（1）、混凝土土板板的換算寬寬寬度按彈性理論計算算算時，應應該根根據(jù)應變變相同同且總內(nèi)內(nèi)力不不變的原原則，將將受壓混混凝土土板的有有效寬寬度b折算成與與剛剛才等效效的換換算截面面寬度度。短期荷載作用下下下長期荷載載作作用下（2）、換算截截面面重心軸（中中和軸）的位位置若取組合梁的底底底邊為基基線，在在短期荷荷載作作用下，課課的的組合截截面的的重心軸軸距組組合截面面底邊邊的距離離（3）、換算截截面面繞重心軸軸軸的慣性性矩以組合截面底邊邊邊為基線線，將將混凝土土界面面換算成成鋼梁梁截面，則則組組合梁換換算截截面繞重重心軸軸的慣性性矩按按下式計計算3.1.3、截截截面計算算（1）、正彎矩矩作作用下的正正正應力計計算當組合梁下設有有有臨時支支撐時時，按一一個階階段受力力設計計，如果果其中中的永久久荷載載不是很很大，這這是不考考慮混混凝土徐徐變的的影響，梁梁上上的全部部荷載載由組合合截面面承受，其其正正應力可可按下下式計算算：對鋼梁部分對對對混凝土土部分分當組合梁下不設設設臨時支支撐時時，按兩兩個階階段受力力設計計，這是是長期期荷載作作用下下混凝土土徐變變的影響響可以以不考慮慮，其其正應力力可按按下式計計算：：對鋼梁部分對混凝土土部部分（2）、負彎矩矩作作用下的正正正應力計計算當組合梁下設有有有臨時支支撐時時，按一一個階階段受力力設計計，梁上上的全全部荷載載有組組合截面面承受受，其正正應力力可按下下式計計算：對鋼梁部分對混凝土土部部分當組合梁下不設設設臨時支支撐時時，按兩兩個階階段受力力設計計，其正正應力力可按下下式計計算：對鋼梁部分對混凝土土部部分3.2鋼筋混凝凝凝土梁3.2.1現(xiàn)有有有承載力力計算算方法鋼筋銹蝕對構件件件抗彎承承載力力的影響響主要要表現(xiàn)在在4個方面:鋼筋截面面面面積減小小、構構件截面面尺寸寸相應變變小、鋼鋼筋強度度降低低，以及及鋼筋筋與混凝凝土之之間的粘粘結性性能退化化。對對于銹蝕蝕引起起的前3個因素，在在在承載力力計算算中相對對容易易考慮，且且概概念上也也較明明確;對于粘結結退退化的影影響，目目前則主主要是是通過鋼鋼筋與與混凝土土的協(xié)協(xié)同工作作系數(shù)數(shù)來考慮慮，并并且在試試驗基基礎上給給出了了該系數(shù)數(shù)的計計算公式式。現(xiàn)現(xiàn)有銹蝕蝕鋼筋筋混凝土土梁的的承載力力計算算方法是是，先先根據(jù)銹銹蝕程程度確定定鋼筋筋與混凝凝土的的協(xié)同工工作系系數(shù)，再再考慮慮鋼筋銹銹蝕損損傷后的的實際際截面面面積和和屈服強強度，最最后按混混凝土土規(guī)范中中完好好構件承承載力力公式計計算銹銹蝕梁的的抗彎彎承載力力。從從現(xiàn)有的的計算算方法來來看，計計算銹蝕蝕鋼筋筋混凝土土梁承承載力的的關鍵鍵是確定定鋼筋筋與混凝凝土的的協(xié)同工工作系系數(shù)。本本文中中選擇了了不同同的損傷傷指標標，如裂裂縫寬寬度、鋼鋼筋截截面損失失率、銹銹蝕損傷傷范圍圍[9]等，建議議了了協(xié)同工工作系系數(shù)的取取值方方法。3.2.2抗彎彎彎承載力力計算算根據(jù)構件銹蝕后后后的截面面配筋筋指標和和鋼筋筋銹蝕程程度計計算極限限狀態(tài)態(tài)下受拉拉鋼筋筋的強度度利用用系數(shù)，即即可可確定銹銹蝕鋼鋼筋的極極限應應力，再再按規(guī)規(guī)范中計計算完完好混凝凝土梁梁的方法法計算算銹蝕構構件的的承載力[10]在極限狀狀態(tài)態(tài)下，根根據(jù)截截面平衡衡條件件可得式中:a，為等等等效矩形形的應應力值與與軸心心抗壓強強度設設計值的的比值值，當混混凝土土強度等等級不不超過C5500時，取all==1..0；；x為等效矩矩形形應力的的混凝凝土受壓壓區(qū)高高度。由于現(xiàn)行行規(guī)規(guī)范GB5500110--20002中中提高了了安全全度水平平，承承載力計計算中中采用的的是軸軸心抗壓壓強度度，為了了盡量量反映試試驗構構件的實實際承承載力，在在驗驗證計算算時，混混凝土強強度仍仍采用規(guī)規(guī)范GGBJ110--89中的的彎彎曲抗壓壓強度度。4、結束語對鋼-混凝土組組合梁梁與鋼筋筋混凝土土梁進進行上述述對比比和研究究，鋼鋼-混凝土組組合合梁是利利用鋼鋼材宜于于受拉拉,混凝土宜宜于于受壓的的特點點,通過剪切切連連接件將將鋼梁梁與混凝凝土板板連接成成為整整體而共共同工工作的一一種新新型承重重構件件。它兼兼有鋼鋼梁和鋼鋼筋混混凝土梁梁的優(yōu)優(yōu)點,具有良好好的的經(jīng)濟效效益和和社會。鋼鋼筋筋混凝土土梁也也被廣泛泛應用用，但是是鋼筋筋混凝土土結構構抗裂性性較差差，受拉拉和受受彎等構構件在在正常使使用時時往往帶帶裂縫縫工作，對對一一些不允允許出出現(xiàn)裂縫縫或?qū)α芽p寬寬度有有嚴格限限制的的結構，要要滿滿足這些些要求求就需要要提高高工程造造價。應用用的同時要要注意其的的缺點，所所以一定要要合理的選選擇適合的的梁。參考文獻[1]薛偉辰...現(xiàn)代預應應力力結構設設計[M].北京中國國建建筑工業(yè)業(yè)出版版社，200003.[2]GB50000177.鋼鋼結構設設計規(guī)規(guī)范(送審稿)[[SS].200022.[3]JTJ0255-886.公路路橋橋涵鋼結結構及及木結構構設計計規(guī)范[S]..19988..[4]聶建國...鋼混凝土土組組合梁長長期變變形的計計算與與分析[J]建筑結構構,119977,227(11)::42--455.[5]HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E5%91%A8%E6%B3%BD%E5%B9%B3"周澤平,,,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E7%8E%8B%E6%98%8E%E6%B4%8B"王明洋,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E5%86%AF%E6%B7%91%E8%8A%B3"馮淑芳,HYPERLINK"/Class.aspx?query=%E9%92%B1%E4%B8%83%E8%99%8E"錢七虎.HYPERLINK"/p-QCode~zdycj.html"振動與沖沖擊JOURRNNALOFFVIIBRRATIIONNANNDSHOOCKK2007年第26卷第5期.[6]聶建國，張張張眉河.鋼—混凝土組組合合梁負彎矩矩區(qū)區(qū)板裂縫縫的研研究.清華大學學學學報（自自然科科學版），19977,