鋼-混凝土組合梁的發(fā)展歷程

1、目錄1 鋼-混凝土組合梁的定義及分類11.1 定義11.2 分類22 鋼-混凝土組合梁的發(fā)展歷程52.1萌芽階段52.2發(fā)展階段52.3全面研究、實用階段62.4深入研究、推廣應用、完善規(guī)范階段63 鋼-混凝土組合梁的工程應用實例83.1 多層工業(yè)廠房83.2 高層建筑103.3 橋梁結構104 鋼-混凝土組合梁的前景11參考文獻13鋼-混凝土組合梁結構的發(fā)展概述鋼-混凝土組合梁結構的發(fā)展概述1 鋼-混凝土組合梁的定義及分類1.1 定義鋼-混凝土組合結構是在鋼結構和混凝土結構的基礎上發(fā)展起來的一種新型結構形式1。目前鋼-混凝土組合結構的主要形式包括組合結構、組合樓板、組合桁架、組合柱等組合承重

2、體系以及組合斜撐、組合剪力墻等組合抗側力體系，應用領域包括高層及超高層建筑（如圖1所示）、大跨橋梁、地下工程、礦山工程、港口工程以及組合加固和修復工程等2。本文主要對鋼-混凝土組合梁進行介紹。圖1 賽格廣場大廈（深圳）鋼-混凝土組合梁作為建筑房屋的橫向承重構件，通過抗剪連接件將鋼梁與混凝土板組合成一個整體來抵抗各種外界作用，能夠充分發(fā)揮鋼梁抗拉、混凝土板受壓性能好的優(yōu)點，與非組合梁結構相比，具有以下一系列的優(yōu)點：（1）組合梁截面中混凝土主要受壓，鋼梁受拉，能過充分發(fā)揮材料特性，承載力高。在承載力相同時，比非組合梁節(jié)約鋼材約15%-25%。（2）混凝土板參加梁的工作，梁的剛度增大。樓蓋結構的剛度

3、要求相同時，采用組合梁可比非組合梁減小截面高度26%-30%。組合梁用于高層建筑，不僅降低樓層結構高度，且顯著減輕對地基的荷載。（3）組合梁的翼緣板較寬大，提高了鋼梁的側向剛度，也提高了梁的穩(wěn)定性，改善了鋼梁受壓區(qū)的受力狀態(tài)，增強抗疲勞性能。（4）可以利用鋼梁的剛度和承載力承擔懸掛模板、混凝土板及施工荷載，無需設置支撐，加快施工速度。（5）抗震性能好。 （6）在鋼梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撐室內管線用，不需埋設預埋件。相比于混凝土結構，組合結構的缺點是需要采取防火及防腐措施。但組合結構的防火及維護費用比鋼結構低，并且隨著科學技術的發(fā)展，防腐涂料的質量和耐久性也在不斷提高，為組合結構的應用提

4、供了有利條件。1.2 分類組合梁自問世以來至今，各國學者們展開了廣泛且具有深度的研究。目前，組合梁的種類已從單一的外包式鋼-混凝土組合梁發(fā)展至T形組合梁、現澆混凝土翼板組合梁、預制混凝土翼板組合梁、疊合板翼板組合梁、壓型鋼板組合梁等形式。鋼-混凝土組合梁按照截面形式可以分為外包混凝土組合梁和鋼梁外露的組合梁（如T形組合梁），如圖2所示。外包混凝土組合梁又稱為勁性混凝土梁或鋼骨混凝土梁，主要依靠鋼材與混凝土之間的粘結力協(xié)同工作；T形組合梁則依靠抗剪連接件將鋼梁與混凝土翼板組合成一個整體來抵抗各種外界作用。大量的研究和實踐經驗表明，T形組合梁更能夠充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，具有更高的綜合性能，是組合

5、梁應用和發(fā)展的主要形式。（a）外包混凝土組合梁（b）T形組合梁（無拖座）（b）T形組合梁（有拖座）圖2 不同的組合梁截面形式T形組合梁按照混凝土翼板的形式不同又可以分為現澆混凝土翼板組合梁、預制混凝土翼板組合梁、疊合板翼板組合梁以及壓型鋼板混凝土翼板組合梁等。如圖3所示。（1）現澆混凝土翼板組合梁（圖3- a）：現澆混凝土翼板組合梁就是指組合梁的混凝土翼板是在施工現場進行現場澆筑的。它的優(yōu)點是組合梁的混凝土翼板整體性好，缺點是需要現場支模，濕作業(yè)工作量大，施工速度慢。（2）預制混凝土翼板組合梁（圖3- b）：預制混凝土翼板組合梁就是指組合梁的混凝土翼板是事先預制好的，通過運輸吊裝等工序，在施工

6、現場進行裝配并在預留槽口處澆筑混凝土從而使之成為一個整體的形式。這種形式的組合梁的特點是混凝土翼板預制，現場只需要在預留槽口處澆筑混凝土，可以減少現場濕作業(yè)量，施工速度快，但是對預制板的加工精度要求高，不僅要求需要在預制板端部預留槽口，而且要求預留槽口在組合梁抗剪連接件的位置處對齊，同時槽口處需附加構造鋼筋。由于槽口處構造及現澆混凝土是保證混凝土翼板和鋼梁的整體工作的關鍵，因此，槽口處構造及現澆混凝土澆筑質量直接影響到混凝土翼板和鋼梁的整體工作性能。（3）疊合板翼板組合梁（圖3- c）：疊合板翼板組合梁是我國科技工作者在現澆混凝土翼板組合梁和預制混凝土翼板組合梁的基礎上發(fā)展起來的新型組合梁，具

7、有構造簡單、施工方便、受力性能好等優(yōu)點。預制板在施工階段作為模板，在使用階段則作為樓面板或橋面板的一部分參與板的受力，同時還作為組合梁混凝土翼板的一部分參與組合梁的受力，做到了物盡其用。（4）壓型鋼板混凝土翼板組合梁（圖3- d）：隨著我國鋼材產量和加工技術的提高，壓型鋼板的應用越來越廣泛，尤其是在高層建筑中的應用越來越多。壓型鋼板在施工階段可以作為模板，在使用階段的使用功能則取決于壓型鋼板的形狀、規(guī)格及構造。對于帶有壓痕和抗剪鍵的開口型壓型鋼板以及近年來發(fā)展起來的閉口型和縮口型壓型鋼板，還可以代替混凝土板中的下部受力鋼筋，其他類型的壓型鋼板一般則只作為永久性模板使用。圖3 不同混凝土翼板形式

8、的鋼-混凝土組合梁截面形式組合梁采用的鋼梁形式有工字型（軋制工字型鋼、H型鋼或焊接組合工字形鋼）、箱型、鋼桁架、蜂窩形鋼梁等。同時，采用預應力技術可以進一步提高組合梁的力學性能和使用性能。按照施加預應力的部位不同，又可以分為在混凝土翼板里施加預應力的方式，也稱體內預應力，目的是降低組合梁負彎矩區(qū)混凝土翼板的拉應力以控制混凝土開裂或減小裂縫寬度；也可以只在鋼梁內施加預應力，以減小使用荷載作用下組合梁正彎矩區(qū)鋼梁的最大拉應力，這種方法也可以稱為體外預應力。2 鋼-混凝土組合梁的發(fā)展歷程組合梁由于能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的力學性能，在國內外獲得廣泛的發(fā)展與應用。組合梁自20世紀20年代出現以來，

9、在橋梁結構中的大跨橋面梁、工業(yè)建筑中的重荷載平臺梁和吊車梁以及對結構高度和自重都有較高要求的民用建筑組合樓蓋中已得到廣泛應用。鋼-混凝土組合梁的發(fā)展過程大致如下1 3（示意圖見圖4）：2.1萌芽階段鋼-混凝土組合梁出現于20世紀20年代，隨后在30年代中期出現了鋼梁和混凝土翼板之間的多種抗剪連接件構造方法，這一時期是組合梁處于萌芽狀態(tài)的初始階段。1922年，Mackay HM在加拿大Domion橋梁公司進行了2 根外包混凝土鋼梁試驗4，幾乎在同時英國國家物理實驗室也進行了外包混凝土鋼梁的試驗，1923年Caughen首次進行6根T型組合梁試驗，建議可以根據材料力學方法進行設計。上述試驗中試件在

10、鋼與混凝土交界面均沒有機械連接件。而在1923 至1939 年間，美國、英國及其他歐洲各國等就沒有連接件的鋼與混凝土組合梁開展了進一步的試驗研究，其中以1939年Batho、Lash和Kirkham 的試驗研究最為深入全面5。研究表明，沒有機械連接件的鋼與混凝土接觸面，在滑移一旦出現時組合梁就開始破壞。1933年Maning等第一次研究了采用機械抗剪連接件的組合梁。1933年Ros首次設計了推出試驗來研究抗剪連接件，該方法行之有效，一直沿用至今。最早開始系統(tǒng)地研究配有機械連接的鋼與混凝土組合梁是在1935-1936 年間，瑞士人Voellmy 進行螺旋筋剪力連接件組合梁試驗6?？梢钥吹? 處于

11、萌芽階段的研究主要集中于考慮防水需要的外包混凝土鋼梁及其實用連接件的研究。該階段探索性的研究為后續(xù)鋼與混凝土組合梁的蓬勃發(fā)展奠定了一定的基礎。2.2發(fā)展階段在這一個階段，20世紀20-30 年代的研究成果尤其是采用抗剪連接件的組合梁在該階段得到了較廣泛的應用，并且開始制定相應的規(guī)程，同時關于實用連接件的研究工作進一步展開，使得組合梁的應用在科學指導下逐漸普及。1943 年，里海大學報道了槽鋼連接件組合梁的試驗報告7，并且在1954年L.M. Viest 首次對栓釘連接件進行研究，并提出以殘余滑移為0.07mm 時的剪力作為允許抗剪臨界值8，之后在1964 年Chapman 和Balakrish

12、nan首次進行了帶頭栓釘的研究9 10，充分考慮了栓釘在鋼與混凝土組合梁的滑移和掀起作用下的實際受力情況。研究和應用表明栓釘在提高了組合梁極限承載力的同時，也大大加快了組合梁的施工速度，并使組合梁后來能在壓型鋼板組合樓蓋中應用成為可能。2.3全面研究、實用階段這一階段在總結以往研究和應用成果的基礎上，進一步改進和完善了組合梁的有關設計規(guī)范或規(guī)程，組合結構的應用和發(fā)展逐步成熟，幾乎日趨趕上鋼結構的發(fā)展，并受到廣泛的重視。研究工作重點由簡支梁研究轉而開始了連續(xù)梁的研究，由完全剪力連接組合梁的研究轉而開始了部分剪切連接組合梁的研究，由考慮允許應力設計方法轉為考慮極限狀態(tài)設計方法。其中代表性的理論研究

13、成果有：1965 年R.G. Slutter，R.G.Driscoll 提出了極限抗彎強度計算方法11、1971 年R.P. Johnson關于縱向抗剪的計算12以及1975 年R.P. Johnson提出部分剪力連接組合梁的強度和變形計算13等。圖4 鋼-混凝土組合梁的發(fā)展歷程簡圖2.4深入研究、推廣應用、完善規(guī)范階段在前面工作的基礎上，鋼與混凝土組合梁又有了新的進展。研究工作從線性、平面構件開始向非線性、空間體系擴展。同時也開始出現新的截面組合形式。這一階段，相繼出現了預制裝配式鋼-混凝土組合梁、疊合板組合梁、預應力鋼-混凝土組合梁、鋼板夾心組合梁等多種新的結構形式。同時，對組合梁在使用階

14、段所產生的問題以及新材料、新工藝的應用開展了更加細致的研究，并由線彈性向非線性，由平面結構向空間結構的方向進行了發(fā)展。我國從50年代初期開始研究組合梁結構，之后在公路、鐵路橋梁方面得到應用。如1957年建成的武漢長江大橋，其上層公路橋的縱梁（跨度18m）采用了組合梁，但當時在應用中并未考慮鋼與混凝土材料之間的組合效應，而僅僅將其作為強度儲備以提高安全度或者是為了方便施工。在房屋建筑方面，早在50年代，北京鋼鐵設計研究總院對組合梁結構進行了探討和研究。自20世紀80年代初以來，隨著我國經濟建設的快速發(fā)展、鋼產量的大幅提高、鋼材品種的增加、科研工作的深入、應用實踐經驗的積累，鋼-混凝土組合梁結構得

15、到了迅速的發(fā)展和越來越廣泛的應用，應用范圍已涉及建筑、橋梁、高聳結構、地下結構、結構加固等領域。例如：我國已建成的上海環(huán)球金融中心（492m）、金茂大廈（見圖5，高421m）、深圳地王大廈（384m）、深圳賽格廣場大廈（292m）等超高層建筑都采用了組合樓面；上海楊浦大橋（602m）、東海大橋（420m）、蕪湖長江大橋（見圖6，大橋主跨度312m）、深圳彩虹橋（150m）以及北京等城市的大量立交橋也都使用了鋼-混凝土組合梁作為橋面系。大量工程應用實例證明，鋼-混凝土組合梁綜合了鋼梁和鋼筋混凝土梁的優(yōu)點，可以用傳統(tǒng)的施工方法和簡單的施工工藝獲得優(yōu)良的結構性能，技術經濟效益和社會效益顯著，非常適合

16、我國基本建設的國情，是具有廣闊應用前景的新型結構形式之一。圖5 金茂大廈（421m）圖6 蕪湖長江大橋（312m）目前, 各國均對組合結構編制了相應的規(guī)范。其中，歐洲規(guī)范4 (Eurocode 4)是一本專門的鋼-混凝土組合梁的設計規(guī)范；我國現行規(guī)范和規(guī)程如鋼結構設計規(guī)范(GB50017-2003)、型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程(JCJ138-2001)、鋼-混凝土組合結構設計規(guī)程(DL/T 5085-1999)和鋼-混凝土組合結構施工規(guī)范（GB50901-2013）等也都可以指導鋼-混凝土組合結構設計與施工。3 鋼-混凝土組合梁的工程應用實例3.1 多層工業(yè)廠房1988年開始建設的國家重點建設

17、項目太原第一熱電廠五期工程，由山西省電力勘測設計院設計。該工程的集中控制樓位于兩臺鍋爐之問，處在第一臺鍋爐的安裝通道上，只有在第一臺鍋爐的大件吊裝完，塔吊退出后才能進行全面施工，因此，第一臺機組能否早日發(fā)電取決于集中控制樓的工期。集中控制樓樓面設計荷載為2535 kN/m2。對集中控制樓設計必須選擇施工工序簡單，便于立體交叉作業(yè)和多層同時施工且能最大限度地加快施工速度的結構型式。為此，在鋼-混凝土組合樓層的三個方案(現澆樓板、壓型鋼板-混凝土組合樓板、混凝土疊合樓板組合梁)中選擇了疊合板組合梁方案，柱為鋼管混凝土柱，通過加強環(huán)與組合梁相連，形成了完整的鋼-混凝土組合結構體系。當時，由于鋼-混凝

18、土疊合板組合梁的應用在國內尚無先例，又無設計規(guī)范可循，因此在設計前，山西省電力勘測設計院和鄭州工學院合作，對疊合板組合梁進行了試驗研究，包括鋼筋混凝土簡支疊合板、連續(xù)疊合板、鋼-混凝土疊合板簡支和連續(xù)組合梁等，成果為疊合板組合樓層結構設計提供了依據。集中控制樓柱網尺寸為7 m×9 m，次梁沿縱向布置(梁跨9 m)并支承在梁跨為7m的主梁上，如圖7所示。預制板跨3.5 m，寬0.82.2 m，厚度70 mm，預制板中配置了樓板的正彎矩鋼筋。在板的上表面沿每米寬布置1列、縱向間距為300 mm、直徑為,6構造抗剪鋼筋(如圖8所示)。澆灌預制板時在其上表面用竹掃帚拉毛以使其具有一定的粗糙度

19、。組合梁混凝土翼緣的橫向配筋率為0.7，包括伸出預制板端120mm的“胡子筋”和現澆層中的負鋼筋。組合梁中支座彎矩調幅度取15。值得指出的是，由于疊合板組合樓層設計在當時尚無規(guī)范可循，又沒有實例參考，故集中控制樓樓層結構設計偏于保守。盡管如此，它同現澆組合樓層相比，不僅縮短工期1/3，而且由于節(jié)省了支模工序和模板等降低造價18。與壓型鋼板組合樓層相比，節(jié)省鋼材30，降低造價76。由于縮短工期使第一臺機組提前發(fā)電所創(chuàng)造經濟效益近700萬元。繼太原第一熱電廠第五期工程之后，第六期工程和陽泉第二發(fā)電廠等工程也采用了疊合板組合梁結構。圖7 太原第一熱電廠柱網布置及組合梁截面圖8 鋼-混凝土疊合板組合梁

20、構造3.2 高層建筑北京國際技術培訓中心的兩幢18層塔樓，樓蓋結構采用冷彎薄壁型鋼-混凝土簡支組合梁，跨度6 m，間距1.5 m，組合梁全高300 mm(包括混凝土樓板厚度)。梁的截面如圖9所示。組合樓蓋結構設計是以試驗研究成果為依據的。栓釘剪力連接件設計采用文獻14的研究成果，節(jié)約栓釘用量達47 (僅這2幢高層建筑的樓蓋結構就節(jié)約栓釘近10萬個)。與鋼筋混凝土疊合樓板相比較，結構自重降低29，水泥消耗節(jié)約34，鋼材消耗節(jié)約22，木材消耗節(jié)約7，造價降低5，施工周期縮短25，并且使建筑標準提高了一大步，實現了建設部對小康住宅提出的“造價不高水平高，標準不超質量高”的要求，為我國城鎮(zhèn)住宅建設提供

21、了一種輕型、優(yōu)質、大跨的樓蓋結構型式，這種新型組合梁在高層建筑樓蓋結構中具有廣闊的應用前景，有利于推動大開問靈活分隔的高層建筑的發(fā)展。鋼-壓型鋼板混凝土組合結構在高層建筑中的應用也在不斷發(fā)展，如深圳賽格廣場、上海世界金融大廈、金茂大廈等超高層建筑的樓板也采用了壓型鋼板組合樓板。壓型鋼板組合樓蓋的最大優(yōu)點是施工速度快，但造價比較高。圖9 冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁截面3.3 橋梁結構1993年，北京市市政工程設計研究總院設計的北京國貿橋，在三個主跨采用了鋼-混凝土疊合板連續(xù)組合梁結構，其側面和橫剖面如圖10所示。當時疊合板組合梁在國內城市立交橋中的應用尚屬首次。其綜合效益為：(1)比原現澆橋面板

22、方案節(jié)省近4000 m2的高空支模工序和模板，減小現場濕作業(yè)量，縮短工期近一半，未中斷下部交通；(2)比鋼筋混凝土梁橋自重減輕約50；(3)比鋼橋節(jié)省鋼材30左右。圖10 國貿橋三跨鋼-混凝土連續(xù)疊合板組合梁模擬氣超-20的靜載試驗結果和分析表明，該橋具有同現澆橋面板組合梁一樣的受力性能，再次證明鋼-混凝土疊合板組合梁具有良好的整體工作性能。它在橋梁結構中的成功應用實現了“輕型大跨、預制裝配、快速施工”的目的，符合我國城市立交橋建設的國情。繼國貿橋之后，僅北京又有6座大跨立交橋的主跨采用了這種結構型式，最大跨度已達到70m，取得了顯著的技術經濟效益和社會效益。鋼-混凝土疊合板組合梁的顯著優(yōu)點是

23、省掉了高空支模工序和模板。用于橋梁可以不中斷下部交通，用于建筑可以省去滿堂紅腳手架，對于減少現場作業(yè)量和保護環(huán)境等都是有利的。有關專家對多座城市大跨立交橋結構方案(包括預應力鋼筋混凝土橋、鋼橋及鋼-混凝土組合梁橋)比較后認為，鋼-混凝土疊合板組合梁方案的綜合效益最好。4 鋼-混凝土組合梁的前景大量工程應用實例證明，鋼-混凝土組合梁綜合了鋼梁和鋼筋混凝土梁的優(yōu)點，可以用傳統(tǒng)的施工方法和簡單的施工工藝獲得優(yōu)良的結構性能，技術經濟效益和社會效益顯著，非常適合我國基本建設的國情，是具有廣闊應用前景的新型結構形式之一。為了促進傳統(tǒng)結構的發(fā)展，還需要加大對鋼-混凝土組合結構研究的投入。在組合梁領域值得進一

24、步研究的問題包括組合梁在復合受力狀態(tài)下的性能與設計方法、組合梁截面的優(yōu)化、預應力組合梁、桁架組合梁、大跨組合梁的溫度、徐變和收縮效應、新型組合梁的開發(fā)、鋼-混凝土組合結構體系的整體性能、鋼-混凝土組合樓蓋的空間作用、鋼-壓型鋼板組合梁的組合效應利用問題，組合梁在超高層建筑中的應用問題等，將鋼-混凝土組合梁用于超高層建筑的轉換層結構是值得探討的，它將克服目前轉換層鋼筋混凝土大梁尺寸過大的問題。此外，有必要盡快制訂一部完整的適合我國基本建設國情的鋼一混凝土組合結構設計規(guī)程。參考文獻1 聶建國. 鋼-混凝土組合梁結構-試驗、理論與應用M. 北京: 科學出版社, 2005.2 勞埃·楊. 張

25、培信譯. 鋼-混凝土組合結構設計M. 上海: 同濟大學出版社, 1991.3 肖輝, 李愛群, 陳麗華等. 鋼與混凝土組合梁的發(fā)展、研究和應用J. 特種結構, 2005, 22(01): 38-41.4 Mackay HM, Gillespie P &Leluau C. Report on the strength of steel I-beams haunched with concrete. Engineering Journal, Canada, 1923 , 6(8):365-369.5 Batho C, Lash SD &Kirkham RHH. The proper

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