C23章鋼-混凝土組合梁050326

1、第五篇 鋼混凝土組合構(gòu)件組合構(gòu)件是指兩種或多種不同材料結(jié)合成整體而共同工作的構(gòu)件，如鋼混凝土組合構(gòu)件是采用鋼材和混凝土或鋼筋混凝土組合，并通過(guò)可靠措施使之形成整體受力的構(gòu)件。它將鋼和混凝土在截面上合理布置，以充分發(fā)揮兩種材料的特性，具有承載能力高、剛度大、延性好、節(jié)約鋼材、降低造價(jià)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，在土木工程中，特別是橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。在工程中，采用的鋼混凝土組合構(gòu)件有：鋼與混凝土組合梁、鋼管混凝土組合柱、壓型鋼板與混凝土組合板、型鋼混凝土組合構(gòu)件、外包鋼混凝土構(gòu)件等五大類。本篇主要介紹鋼混凝土組合梁和鋼管混凝土受壓構(gòu)件的受力特性及計(jì)算原理。第23章 鋼一混凝

2、土組合梁23.1 概 述鋼板梁橋一般由橋面系、鋼板梁和支座組成上部承重結(jié)構(gòu)。橋面系一般在主梁之上布置鋼板或鋼筋混凝土板，直接承受車輛荷載作用。當(dāng)鋼筋混凝土板擱置在主梁上時(shí)圖23-1a)，板沿板跨方向受彎并把荷載傳給主梁，而主梁沿梁的縱向受彎，二者工作方向互相垂直，板與梁的接觸面發(fā)生相對(duì)滑移，沿主梁的跨度方向產(chǎn)生的彎矩分別由板和主梁承擔(dān)，在二者的截面上分別產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。如果在鋼梁與鋼筋混凝土板的接觸面上采取可靠的構(gòu)造措施圖23-1b)，把板和主梁緊密相連形成整體，則板不但沿板跨方向受彎，而且在梁的跨度方向與梁一起共同受彎，板屬于雙向受彎構(gòu)件。這時(shí)鋼梁與鋼筋混凝土板的截面形成一個(gè)具有共同中和軸的整

3、體截面，其剛度、抗彎承載力將大大增加。鋼混凝土組合梁是指鋼梁和所支承的鋼筋混凝土板組合成一個(gè)整體而共同抗彎的構(gòu)件，其受力的合理性就在于鋼筋混凝土板承受壓應(yīng)力，鋼主梁承受拉應(yīng)力，充分發(fā)揮了材料各自的特性。當(dāng)組合梁在荷載作用下受彎時(shí)，鋼筋混凝土板與鋼板梁的上翼緣接觸面之間會(huì)產(chǎn)生水平剪力，因此在鋼板梁的上翼緣之間必須設(shè)置抗剪連接件，鋼筋混凝土板與鋼板梁通過(guò)抗剪連接件連接成整體而共同工作，如圖23-2所示。圖23-1 組合梁的共同工作a）非組合梁 b）組合梁當(dāng)組合梁上澆筑的鋼筋混凝土板尚未結(jié)硬之前是沒(méi)有組合作用的，不僅不能提高梁的承載能力，反而因其自重而使鋼板梁的下翼緣的拉應(yīng)力增大。但在鋼筋混凝土板的

4、混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，鋼板梁與鋼筋混凝土板形成一個(gè)鋼混凝土組合截面受力，二期恒載（如橋面鋪裝、欄桿扶手、人行道等）及車輛荷載等作用，均由這個(gè)組合截面來(lái)承受，而不是由鋼板梁?jiǎn)为?dú)承受，從而大大地提高了組合梁的承載能力。圖23-2組合梁的截面形式a)、b)型鋼組合梁 c)焊接鋼板組合梁（無(wú)承托） d)焊接鋼板組合梁（有承托）e)箱形組合梁對(duì)于承受較小荷載的組合梁，鋼梁一般采用軋制的工字鋼圖23-2a）；荷載稍大時(shí)，可在軋制工字鋼下翼緣上加焊一塊鋼板圖23-2b）；承受較大荷載的組合梁，可采用焊接工字形鋼板梁圖23-2c）。研究表明，對(duì)于焊接工字形鋼板梁截面，在滿足布置抗剪連接件的要求下，宜采用上（

5、翼緣）窄下（翼緣）寬的截面形式。組合梁截面采用鋼筋混凝土板直接放置在鋼梁上，稱為無(wú)承托組合梁，而把圖23-2d）所示組合梁稱為有承托組合梁，其中混凝土翼緣與鋼梁上翼緣之間的混凝土局部過(guò)渡部分稱為承托。根據(jù)混凝土承托的高度，又分為淺承托和深承托組合梁截面，當(dāng)混凝土承托的高度小于或等于1.5（為混凝土板的厚度），其寬度1.5時(shí)，稱為淺承托組合梁。一般情況下，混凝土承托兩側(cè)斜坡不宜大于。鋼筋混凝土板設(shè)置承托，有如下優(yōu)點(diǎn)：加大了梁高，從而節(jié)省鋼材；減小了鋼梁高度，使鋼梁的上翼緣更接近中和軸，從而減小鋼梁壓應(yīng)力或使其完全受拉，發(fā)揮了鋼材的性能也避免了局部失穩(wěn)；當(dāng)板厚較小時(shí)，承托為設(shè)置抗剪連接件提供了空間

6、。對(duì)于簡(jiǎn)支的組合梁，考慮剛度的要求，截面高度對(duì)跨度的高跨比應(yīng)不小于。組合梁的抗彎能力較鋼梁有顯著提高，但在某些情況下，相對(duì)而言，組合梁中的鋼梁的抗剪能力顯得不足。為了避免這種不協(xié)調(diào)情況，在截面設(shè)計(jì)時(shí)，組合梁截面高度不宜超過(guò)鋼梁截面高度的2.5倍。組合梁中的鋼筋混凝土板，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20（現(xiàn)場(chǎng)澆筑）或C30（預(yù)制）；板中的鋼筋可采用R235級(jí)鋼筋、HRB335級(jí)鋼筋。組合梁中的鋼梁一般采用Q235鋼和Q345鋼。與鋼板梁相比，鋼混凝土組合梁具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）受力合理。充分發(fā)揮了鋼材適用于受拉和混凝土適用于受壓的材料特性；（2）抗彎承載力高。由于鋼筋混凝土板與鋼板梁共同工作，提高了

7、梁的承載能力，減小了鋼板梁上翼緣的截面，節(jié)省鋼材、降低造價(jià)。實(shí)踐表明，組合梁比鋼板梁節(jié)省鋼材可達(dá)到2040；（3）梁的剛度大。由于鋼筋混凝土板有效地參與工作，組合梁的計(jì)算截面比鋼板梁大，增加了梁的剛度，從而減小了主梁的撓度。研究表明，梁撓度可減少20左右；（4）整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性好。組合梁的受壓翼緣為較寬和較厚的鋼筋混凝土板，增強(qiáng)了梁的側(cè)向剛度，能有效地防止了梁的彎扭失穩(wěn)傾向。鋼梁部分只受到較低的壓應(yīng)力、大部分甚至全部截面受拉，一般不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)；（5）施工方便?？梢岳娩摿鹤鳛楝F(xiàn)澆混凝土樓板的模板支撐，以方便施工且節(jié)約費(fèi)用；（6）組合梁橋在活荷載作用下比全鋼梁橋的噪音小，在城市中采用組

8、合梁橋更為合適。基于上述優(yōu)點(diǎn)，鋼混凝土組合梁最先在公路橋梁上得到發(fā)展。幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本、加拿大及前蘇聯(lián)都制定了有關(guān)組合梁的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程。1971年，在國(guó)際土木工程師協(xié)會(huì)聯(lián)合委員會(huì)主持下，成立了由歐洲國(guó)際混凝土協(xié)會(huì)（CEB）、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（ESCC）、國(guó)際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會(huì)（FIP）、以及國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）共同組成的組合結(jié)構(gòu)委員會(huì)，并于1981年頒布了“組合結(jié)構(gòu)”規(guī)范。在我國(guó)，鋼混凝土組合梁的應(yīng)用也較早，1956年鐵道部編制了組合梁的標(biāo)準(zhǔn)圖，并在烏山橋和衡陽(yáng)湘江大橋中應(yīng)用。1959年修建的武漢長(zhǎng)江大橋的上層公路橋上就采用了跨度18m的組合梁，近年修建的上海

9、南浦大橋和楊浦大橋等大型橋梁結(jié)構(gòu)都成功地使用了組合梁。交通部在1974年、1986年頒布的公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，制訂了組合梁的專門條款，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。23.2 鋼混凝土組合梁的計(jì)算原理鋼混凝土組合梁的計(jì)算方法，可分為彈性理論計(jì)算方法以及考慮截面塑性變形發(fā)展的塑性計(jì)算方法。公路橋規(guī)（JTJ 025-86）對(duì)鋼混凝土組合梁，采用的是彈性理論計(jì)算方法，即容許應(yīng)力法。23.2.1受壓混凝土板的有效寬度對(duì)于鋼筋混凝土板很寬的組合梁，受彎時(shí)沿板寬度方向的壓應(yīng)力分布是不均勻的，在截面腹板中心處的混凝土壓應(yīng)力最大，離開(kāi)中心處較遠(yuǎn)點(diǎn)的混凝土壓應(yīng)力逐步減小。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般用受壓混凝土板的有效寬度來(lái)代替實(shí)際板寬

10、度，在有效寬度內(nèi)，認(rèn)為混凝土的壓應(yīng)力是均勻分布的。組合梁中鋼筋混凝土橋面板的有效寬度（圖23-3），采用下列三種寬度中的最小者：（1）梁的計(jì)算跨徑的；（2）相鄰兩梁軸線間的距離；（3）承托的寬度（如無(wú)承托時(shí)，則為鋼梁上翼緣的寬度）加12倍的板厚度，即+。圖23-3 組合梁受壓混凝土板的有效寬度23.2.2換算截面當(dāng)鋼混凝土組合梁按彈性理論法計(jì)算時(shí)，采用了以下假定：（1）鋼材與混凝土均為理想的彈性體；（2）鋼筋混凝土板與鋼梁之間有可靠的連接，相對(duì)滑移很小，可以忽略不計(jì)，彎曲變形后截面仍保持平面；（3）鋼筋混凝土板按有效寬度內(nèi)全部面積計(jì)算，可不扣除其中受拉開(kāi)裂部分；（4）忽略鋼筋混凝土板中鋼筋和承

11、托的作用。按照彈性理論計(jì)算原則，組合梁的應(yīng)力及剛度計(jì)算，一般采用材料力學(xué)方法。因此，對(duì)于由鋼與混凝土兩種材料組成的組合梁截面，應(yīng)該把它換算成同一種材料的截面，即換算截面。下面考慮把混凝土截面換算成鋼截面。假設(shè)在混凝土板某高度處有一個(gè)鋼板條，由基本假定（2）知，則由基本假定（1）可得到在混凝土板某高度處的應(yīng)力為： 式中 混凝土的壓應(yīng)力；、分別為截面上同一高度混凝土與鋼板條的應(yīng)變；、分別為混凝土的彈性模量和鋼材的彈性模量。又因，為鋼板條的應(yīng)力，則： （23-1）式中 鋼材與混凝土彈性模量之比，。式（23-1）表明，在假設(shè)鋼板條處的混凝土應(yīng)力為鋼板條應(yīng)力的倍。要把混凝土板的面積，換算成與鋼材等價(jià)的換

12、算面積，由合力作用點(diǎn)位置及大小不變的換算原則可以推導(dǎo)出： （23-2）式（23-2）的物理意義是：根據(jù)應(yīng)變相等且總內(nèi)力不變的條件，將混凝土的面積除以后，可將混凝土板面積換算成與之等價(jià)的鋼材截面面積。為了保持混凝土截面形心高度換算前后不變，混凝土板的換算截面厚度與原截面厚度保持不變，即僅將混凝土板寬度換算。如果組合梁混凝土橋面板的有效寬度為，則板的換算寬度為： （23-3）根據(jù)上述換算截面原理，可將鋼混凝土組合梁截面換算為等價(jià)的鋼梁截面，從而按照換算的鋼梁截面進(jìn)行換算截面幾何特性的計(jì)算。23.2.3組合梁的施工方法1）澆筑或安裝鋼筋混凝土板時(shí)，鋼梁下不設(shè)置臨時(shí)支撐這種情況是利用鋼梁作為腳手架進(jìn)行

13、鋼筋混凝土橋面板施工，則組合梁可分為混凝土硬化前和混凝土硬化后（混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75以上）兩個(gè)受力階段計(jì)算：第一受力階段（施工階段）的荷載作用為鋼梁、聯(lián)結(jié)系、澆制的混凝土和模板等重量、以及施工活荷載（包括人員與施工設(shè)備等，一般可取1kN/m2，施工完畢后撤除，但鋼梁驗(yàn)算時(shí)應(yīng)計(jì)入）由鋼梁承受，即計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用鋼梁的截面幾何特性；第二受力階段（使用階段）的為橋面鋪裝、欄桿、人行道等重量（二期恒載），以及車輛活載等，這些荷載由組合梁承受，即計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用組合梁的換算截面幾何特性。按彈性方法設(shè)計(jì)時(shí)，組合梁按第一受力階段恒載（計(jì)算鋼梁應(yīng)力）及第二受力階段恒載和活載（計(jì)算組合截面應(yīng)力）產(chǎn)生的兩種應(yīng)

14、力狀態(tài)疊加進(jìn)行截面計(jì)算。對(duì)于模板重量無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可按1kN/m2計(jì)算。2）澆筑或安裝鋼筋混凝土板時(shí)，鋼梁下設(shè)置支架這種情況是在組合梁下面設(shè)置足夠多的臨時(shí)支撐或滿堂支架，當(dāng)混凝土硬化前，所有荷載由支撐或滿堂支架承受；當(dāng)混凝土硬化后，拆卸支撐或支架，組合梁以整體截面承受全部恒載與投入使用后作用在梁上的活荷載，因此只需進(jìn)行第二受力階段的計(jì)算。滿堂支架需要數(shù)量很多的腳手架，安裝工作量較大，且不適用于在通航河流上使用。為了克服滿堂支架的上述缺點(diǎn)，在工程中一般采用在橋跨設(shè)置臨時(shí)支撐的方法，可達(dá)到與滿堂支架相近效果。23.2.4 溫差應(yīng)力、混凝土收縮及徐變對(duì)組合梁的影響1）溫差應(yīng)力的影響鋼與混凝土的溫度線

15、膨脹系數(shù)相差不大，它們的溫度變形基本是協(xié)調(diào)的。組合梁的溫度應(yīng)力主要來(lái)自鋼梁和混凝土溫度的差異：鋼的導(dǎo)熱系數(shù)很大，當(dāng)環(huán)境溫度有突然變化時(shí)，鋼材的溫度很快就接近環(huán)境溫度；混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼材的約左右，對(duì)環(huán)境溫度的反應(yīng)慢，這樣，就在組合梁的鋼梁和混凝土板之間產(chǎn)生了溫度差異。在露天條件下，氣溫突變可能在15左右，這時(shí)，組合梁的鋼梁和混凝土板的溫差約為10，因此，對(duì)于組合梁橋必須考慮由于溫差引起的溫度應(yīng)力。鋼梁和混凝土板溫差分布沿組合梁的截面高度是變化的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定溫差沿組合梁截面高度是均布的。假設(shè)組合梁的截面如圖23-4a所示。鋼筋混凝土板截面積為，繞自身形心軸的慣性矩為，板上下邊緣距自身形

16、心軸距離為和，截面模量分別為和，混凝土的彈性模量為；鋼梁的截面積為，繞自身形心軸的慣性矩為，梁上下邊緣距自身形心軸距離為和，截面模量分別為和，鋼材的彈性模量為。假設(shè)鋼和混凝土的溫度線脹系數(shù)相等且均為，設(shè)鋼梁溫度高于混凝土溫度，兩者之差為，如果鋼梁和混凝土板之間無(wú)連接件存在，則兩者溫度伸長(zhǎng)量之差為，相應(yīng)的溫差滑移應(yīng)變?yōu)椋▓D23-4b）。如果鋼梁與混凝土板之間有足夠的連接件，則組合梁變形后仍保持平截面，這時(shí)，在混凝土板與鋼梁之間將產(chǎn)生水平力（圖23-4c）。當(dāng)為正值時(shí)（鋼梁的伸長(zhǎng)大于混凝土板的伸長(zhǎng)），對(duì)混凝土板為偏心拉力，對(duì)鋼梁為偏心壓力。則混凝土板下邊緣的拉應(yīng)變?yōu)椋?鋼梁上邊緣的壓應(yīng)變?yōu)椋?根據(jù)

17、的變形協(xié)調(diào)條件，得混凝土板與鋼梁之間將產(chǎn)生水平力為： （23-4）圖23-4 組合梁的溫差應(yīng)力a)組合梁截面 b)鋼梁、混凝土板之間的溫差變形 c)溫差應(yīng)力 d)溫差力T于是，組合梁的溫差應(yīng)力（以受拉為正）為： （23-5）組合梁由于溫度產(chǎn)生的應(yīng)力分布如圖23-4d所示。因?yàn)闇夭罨茟?yīng)變沿梁長(zhǎng)方向是常量，所以在梁跨中間大部分區(qū)段內(nèi)也接近于常量。但在梁的端部區(qū)段，邊界條件要求，因而在梁端區(qū)段內(nèi)，呈顯著的曲線變化段，對(duì)應(yīng)于的變化率d/d，在混凝土板與鋼梁之間將產(chǎn)生水平剪力，并由該區(qū)段的抗剪連接件承受。對(duì)于溫差的取值，公路橋規(guī)（JTJ 025-86）建議一般采用1015，在有可能發(fā)生更顯著的溫差情況

18、下,則應(yīng)另作考慮。2）混凝土收縮的影響組合梁中混凝土收縮的影響類似于混凝土板的溫度低于鋼梁溫度時(shí)的影響?；炷恋氖湛s應(yīng)變相當(dāng)于，因?yàn)?，取，?duì)比之后可以發(fā)現(xiàn)，收縮應(yīng)變就相當(dāng)于1520的溫差滑移應(yīng)變，所以，在分析收縮應(yīng)力時(shí)，仍可采用式（23-4）計(jì)算。但混凝土的收縮是個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，因此，必須考慮混凝土徐變的影響，一般是以考慮徐變影響的有效彈性模量來(lái)取代式（23-4）中的混凝土彈性模量，得到： （23-6）公路橋規(guī)（JTJ 025-86）計(jì)算混凝土的收縮力采用式（23-6）。由于混凝土收縮在齡期很短時(shí)就已開(kāi)始，早期收縮所占比例大，故整體澆筑的混凝土橋面板因收縮發(fā)生的變形也大，可按相當(dāng)于溫度降低1520

19、考慮；對(duì)分段澆筑的鋼筋混凝土板相對(duì)于整體澆筑的收縮變形小，可按相當(dāng)于溫度降低1015考慮；預(yù)制的鋼筋混凝土橋面板，在早期收縮完成后才與鋼梁共同工作，故不考慮混凝土收縮影響?；炷潦湛s應(yīng)力計(jì)算式與式（23-5）相同。3）混凝土徐變的影響在恒載及混凝土收縮應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，組合梁中的混凝土板會(huì)產(chǎn)生徐變變形，可近似地認(rèn)為混凝土的總變形包括彈性變形和塑性變形兩部分,即： 或 （23-7）式中 混凝土的總應(yīng)變； 混凝土的彈性應(yīng)變； 混凝土的塑性應(yīng)變；混凝土應(yīng)力；混凝土的彈性模量；徐變系數(shù)，混凝土的塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變之比；混凝土有效彈性模量。由式（23-7）可知，混凝土徐變變形的影響相當(dāng)于混凝土彈性模量降

20、低，因此公路橋規(guī)（JTJ 025-86）采用式（23-7）計(jì)算的有效彈性模量來(lái)考慮混凝土徐變的影響。公路橋規(guī)（JTJ 025-86）規(guī)定：考慮混凝土徐變時(shí)，如果無(wú)可靠技術(shù)資料作依據(jù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)自重對(duì)混凝土徐變影響時(shí)，取0.4；計(jì)算混凝土收縮對(duì)徐變影響時(shí)，取0.5；活載對(duì)徐變的影響可以不予考慮?？紤]徐變時(shí)，鋼材與混凝土的有效彈性模量之比為，相應(yīng)的混凝土板換算面積為，其他截面幾何特征也可由此推得。23.2.5 組合梁的截面驗(yàn)算組合梁的截面驗(yàn)算包括應(yīng)力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算，但組合梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定問(wèn)題并不突出，這是因?yàn)殇摿旱纳弦砭壟c鋼筋混凝土板拉接，鋼梁不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，其上翼緣也不會(huì)發(fā)生局

21、部失穩(wěn)。組合梁的腹板高度較小，一般可滿足不設(shè)加勁肋的條件，并且鋼梁以拉應(yīng)力為主而壓應(yīng)力較小，不設(shè)加勁肋的條件還可放寬。因此，組合梁中鋼梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定一般是可以保證的。當(dāng)必須驗(yàn)算鋼梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定時(shí)，按第22章的方法進(jìn)行驗(yàn)算。因此，組合梁主要驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度，并應(yīng)結(jié)合組合梁的施工方法進(jìn)行。現(xiàn)以澆筑鋼筋混凝土板、鋼梁無(wú)臨時(shí)支撐的組合梁為例，說(shuō)明組合梁的彈性計(jì)算原理。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，不計(jì)算組合梁的溫度應(yīng)力、混凝土收縮應(yīng)力、徐變及其組合對(duì)組合梁強(qiáng)度的影響。1）第一受力階段驗(yàn)算（1）鋼梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算當(dāng)混凝土未凝固前，一期恒載（混凝土板、模板和鋼梁自重等）和相應(yīng)的施工活載由鋼梁承受，鋼梁截面

22、的彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為： 鋼梁上翼緣板邊緣 （23-8）鋼梁下翼緣板邊緣 （23-9）式中 一期恒載產(chǎn)生的彎矩； 第一受力階段施工活載產(chǎn)生的彎矩；、鋼梁截面上翼緣板邊緣和下翼緣板邊緣的截面模量；鋼材的容許彎曲應(yīng)力，由附表4-1查得。（2）鋼梁的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算鋼梁截面的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為： （23-10）式中一期恒載產(chǎn)生的剪力；施工活載產(chǎn)生的剪力；鋼梁中和軸以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩；鋼梁的截面慣性矩；鋼梁的腹板厚度；鋼梁的容許剪應(yīng)力，由附表4-1查得。（3）鋼梁的剛度驗(yàn)算鋼梁的撓度計(jì)算按荷載的短期效應(yīng)組合，因此僅考慮施工階段的恒載，簡(jiǎn)支鋼梁在均布荷載作用下的撓度按下式計(jì)算： （23-11）2）第二

23、受力階段驗(yàn)算（1）組合梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75以上后，組合梁承受二期恒載和活載作用，此時(shí)混凝土上邊緣的壓應(yīng)力為： 鋼梁上翼緣邊緣應(yīng)力為： 鋼梁下翼緣邊緣拉應(yīng)力為： 因此，鋼筋混凝土板上邊緣的混凝土抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算： (23-12）鋼梁上邊緣的強(qiáng)度計(jì)算公式為： （23-13）鋼梁下邊緣的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為： （23-14）式中 二期恒載產(chǎn)生的彎矩；第二受力階段活載產(chǎn)生的彎矩；組合梁的換算截面慣性矩；鋼梁上翼緣邊緣距組合梁換算截面中和軸的距離；為組合梁中混凝土板上邊緣對(duì)換算截面中和軸的截面模量；為組合梁中鋼梁下邊緣對(duì)換算截面中和軸的截面模量；鋼材與混凝土彈性模量比；混凝土容許壓

24、應(yīng)力，可取0.66，為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，由附表1-1查得。（2）組合梁的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算組合梁在第二受力階段的剪應(yīng)力包括第一受力階段恒載對(duì)鋼梁產(chǎn)生的剪應(yīng)力和第二受力階段全部荷載對(duì)組合截面產(chǎn)生的剪應(yīng)力兩部分，如果抗剪強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)位于鋼梁腹板上某點(diǎn)（如驗(yàn)算鋼梁腹板與翼緣的交點(diǎn)），則組合梁的抗剪強(qiáng)度公式為： （23-15）式中 二期恒載產(chǎn)生的剪力；第二受力階段活載產(chǎn)生的剪力；抗剪強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)以外的鋼梁截面面積對(duì)鋼梁中和軸的面積矩；抗剪強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)以外的組合截面面積對(duì)組合截面中和軸的面積矩。（3）組合梁的剛度驗(yàn)算組合梁的撓度計(jì)算按荷載的短期效應(yīng)組合，并考慮恒載的長(zhǎng)期作用（徐變）的影響，因此應(yīng)計(jì)入第一受力

25、階段恒載與第二階段恒載共同長(zhǎng)期作用下（應(yīng)考慮徐變影響）的撓度和第二階段活載短期作用下（不考慮徐變影響）的撓度。簡(jiǎn)支鋼梁在均布荷載作用下的撓度計(jì)算公式為： （23-16）式中 考慮徐變時(shí)組合梁的換算截面慣性矩。23.3 抗剪連接件設(shè)計(jì)23.3.1 抗剪連接件的類型和構(gòu)造要求抗剪連接件設(shè)置在鋼梁上翼緣上，是保證鋼混凝土組合梁整體工作的關(guān)鍵?？辜暨B接件的主要作用是承受鋼筋混凝土板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，抵抗二者之間的相對(duì)滑移，同時(shí)還可防止鋼筋混凝土板與鋼梁之間由于剛度不同而產(chǎn)生的掀起效應(yīng)。組合梁的抗剪連接件常用的類型有栓釘、型鋼和彎起鋼筋等機(jī)械結(jié)合的抗剪連接件，有可靠依據(jù)時(shí)，也可采用其他類型的抗

26、剪連接件。栓釘和型鋼連接件屬于剛性連接件，彎筋連接件屬于柔性連接件。受沖擊荷載作用時(shí)，宜采用柔性連接件并現(xiàn)澆在鋼筋混凝土板內(nèi)；若采用鋼筋混凝土預(yù)制板，則使用剛性連接件比較便利。圖23-5 抗剪連接件的常用類型a)栓釘 b)槽鋼連接件 c)角鋼連接件 d)方鋼連接件 e)彎筋連接件1）栓釘圖23-5 a）所示栓釘是世界各國(guó)廣為采用的一種機(jī)械連接件，栓釘?shù)尼敆U直徑為825mm，常用的為1619mm。選用栓釘直徑不宜超過(guò)被焊鋼梁翼緣厚度的2.5倍，栓釘長(zhǎng)不小于4。為防止混凝土板在鋼梁上掀起，栓釘上部做成大頭，大頭直徑不得小于1.5。栓釘布置時(shí)，沿梁跨度方向的最小間距為6，垂直于梁跨度方向的最小間距為

27、4。栓釘連接件采用專用焊接設(shè)備（栓釘焊接機(jī)）和焊接工藝將栓釘焊在鋼梁上翼緣上，施工效率很高。栓釘桿的端部配有瓷環(huán)和焊劑，焊接時(shí)起引弧、成型、保護(hù)、脫氧和穩(wěn)弧作用。2）型鋼連接件通常將短槽鋼、方鋼或角鋼焊接在鋼梁上翼緣上作為剛性連接件，槽鋼常用的規(guī)格有80、100及120，槽鋼的翼緣肢尖方向應(yīng)與混凝土板中水平剪應(yīng)力方向一致（圖23-5b）；方鋼常用的規(guī)格為25mm25mm及50mm38mm兩種，為了防止混凝土板在鋼梁上掀起，方鋼必須加焊直徑不小于12mm的箍筋（圖23-5 c）。采用角鋼連接件時(shí)，為了增強(qiáng)其豎肢的剛度，往往在豎肢上用加勁板加強(qiáng)（圖23-5 d）。為了防止連接件與鋼筋混凝土板脫開(kāi)，

28、可將剛性連接件與鋼筋混凝土板的鋼筋焊接在一起；為了保證鋼梁與鋼筋混凝土板能共同工作，型鋼連接件之間的間距不得超過(guò)混凝土板厚度的8倍；同時(shí)為了不妨礙澆筑混凝土，型鋼連接件之間的間距也不得小于連接件計(jì)算高度的3.5倍。型鋼連接件與鋼梁上翼緣的連接焊縫由計(jì)算確定。3）彎筋連接件將彎筋焊接在鋼梁上翼緣并伸入鋼筋混凝土板中（圖23-5 e）作為柔性連接件，彎筋連接件一般采用直徑為1220mm的級(jí)或級(jí)鋼筋，彎起角度一般為30o 或45o,彎折方向與混凝土板中縱向水平剪應(yīng)力方向一致，并在末端做成彎鉤。在組合梁跨中產(chǎn)生剪應(yīng)力變號(hào)處，必須在兩個(gè)方向均設(shè)置彎筋連接件。每個(gè)彎筋從彎折點(diǎn)算起的總長(zhǎng)度不宜小于25，其中

29、水平段長(zhǎng)度不應(yīng)小于10。為了保證受力均勻，彎起鋼筋連接件宜在組合梁上成對(duì)布置，并對(duì)稱于梁跨度方向的中心線。為了避免單面焊接導(dǎo)致鋼筋受力不均而產(chǎn)生應(yīng)力集中，彎筋必須采用雙面?zhèn)群缚p與鋼梁上翼緣焊接；焊縫的長(zhǎng)度除滿足受力要求外，不得小于4（級(jí)鋼筋）或5（級(jí)鋼筋）。兩個(gè)彎起鋼筋之間的間距不得小于0.7倍也不得大于2倍鋼筋混凝土板的厚度。無(wú)論是采用剛性連接件還是柔性連接件，尚應(yīng)滿足以下一般構(gòu)造要求：（1）連接件抗掀起端頭的底面（如栓釘大頭的底面、槽鋼上翼緣內(nèi)側(cè)）應(yīng)比混凝土板下部的縱向鋼筋高出30mm以上；（2）連接件的外側(cè)邊與鋼梁翼緣邊緣之間的距離應(yīng)不小于20mm，與混凝土翼緣邊之間的距離應(yīng)不小于100

30、mm；（3）連接件頂面的混凝土保護(hù)層厚度不得小于20mm。23.3.2抗剪連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算1）單個(gè)抗剪連接件的容許承載力計(jì)算公路橋規(guī)（JTJ 025-86）對(duì)單個(gè)連接件的容許（抗剪）承載力沒(méi)有規(guī)定，其值可根據(jù)試驗(yàn)資料得到，也可參考我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017-2003）的規(guī)定。但我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，而公路橋規(guī)（JTJ 025-86）卻采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，為此將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017-2003）規(guī)定的單個(gè)抗剪連接件承載力設(shè)計(jì)值公式作簡(jiǎn)單修正后，供橋梁設(shè)計(jì)時(shí)采用，其中材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值定義詳見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017-2003

31、）。（1）栓釘連接件當(dāng)栓釘長(zhǎng)度與釘桿直徑之比大于4時(shí)，栓釘?shù)娜菰S抗剪承載力為： （23-17）式中 混凝土彈性模量； 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；栓釘釘桿截面面積；栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)栓釘材料性能等級(jí)為4.6級(jí)時(shí)，取215N/mm2；栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服強(qiáng)度之比。當(dāng)栓釘材料性能等級(jí)為4.6級(jí)時(shí)，取1.67。（2） 槽鋼連接件 （23-18）式中 槽鋼翼緣平均厚度；槽鋼腹板厚度；槽鋼長(zhǎng)度。（3） 彎筋連接件 （23-19）式中 彎筋截面面積；彎筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。組合梁的抗剪連接件設(shè)計(jì)，也可以分為彈性設(shè)計(jì)法與塑性設(shè)計(jì)法。公路橋規(guī)（JTJ 025-86）采用的是彈性設(shè)計(jì)法。鋼梁與鋼筋混凝

32、土板之間的縱向水平剪力，由抗剪連接件承受，單位長(zhǎng)度上的縱向水平剪力按下式計(jì)算： （23-20）式中 作用于組合梁截面上的剪力；鋼筋混凝土板對(duì)換算截面形心軸的面積矩；組合梁換算截面慣性矩。2）抗剪連接件的數(shù)量確定組合梁所受到的剪力沿梁跨度方向的分布并不是均勻變化的（圖23-6），為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定連接件在鋼梁翼緣上的數(shù)量可按梁跨度范圍內(nèi)的平均剪力計(jì)算并等間距布置。若單個(gè)連接件的容許抗剪承載力為，其布置間距為，數(shù)量為個(gè)，則當(dāng)時(shí)，才能滿足設(shè)計(jì)要求，故所需的連接件數(shù)量為： （23-21）圖23-6 連接件的縱向受剪應(yīng)該看到，上述計(jì)算方法在剪力變化較大時(shí)顯得略為粗糙，因而在設(shè)計(jì)中，可將梁按剪力大小劃分成

33、數(shù)個(gè)區(qū)段（一般為23個(gè)區(qū)段），在每個(gè)區(qū)段上連接件間距相等，其數(shù)量按該區(qū)段的最大剪力計(jì)算確定。在組合梁的抗剪連接設(shè)計(jì)中，如果要考慮混凝土徐變的影響，設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)該分別考慮恒載和活載產(chǎn)生的剪力。對(duì)應(yīng)于計(jì)算區(qū)段的恒載產(chǎn)生的剪力為，考慮徐變時(shí)，鋼材與混凝土的有效彈性模量之比為，相應(yīng)的混凝土板換算面積為，混凝土考慮徐變影響的組合梁換算截面慣性矩為和換算截面形心軸的面積矩為也可由此推得。對(duì)應(yīng)于車輛荷載等活載產(chǎn)生的剪力為，鋼材與混凝土的有效彈性模量之比為，幾何特性為和。若該區(qū)段抗剪連接件按構(gòu)造要求均勻布置，間距為，單個(gè)連接件容許承載力為，則：所需連接件的數(shù)量應(yīng)為： （23-22）23.4 設(shè)計(jì)計(jì)算示例例23-1如圖23-7所示鋼-混凝土組合梁截面，混凝土翼緣計(jì)算寬度1300mm，翼緣厚80mm，承托厚120m