市政工程鋼與混凝土組合梁培訓(xùn)講義PPT

1、鋼與混凝土組合梁重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 崔 佳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，60年代開始逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榘此苄岳碚撛O(shè)計。 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

2、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2040，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)工作時要大得多，撓度可減小1/31/2。如果保持撓度大小不變，則鋼梁高度可減低152 0，使建筑高度降低?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范新增加了下列主要內(nèi)容：（）連續(xù)組合梁負(fù)彎矩處的計算方法。（）樓板為壓型鋼板組合板時組合梁的設(shè)計。（）部份抗剪連接組合梁的設(shè)計。部份抗剪連接對梁的強(qiáng)度影響很小，只撓度增大，可節(jié)約連接件和施工費(fèi)用。（）組合梁的撓度計算（主要是考慮滑移效應(yīng)的折減剛度的計算方法）。 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)。

3、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，抵抗彎曲應(yīng)力的作用遠(yuǎn)不及下翼緣，故鋼梁宜設(shè)計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1. 組合梁混凝土翼板的形式 組合梁混凝土翼板可用現(xiàn)澆混凝土板、混凝土疊合板或壓型鋼板混凝土組合板。混凝土

4、疊合板翼板由預(yù)制板和現(xiàn)澆混凝土層組成，施工時可在混凝土預(yù)制板表面采取拉毛及設(shè)置抗剪鋼筋等措施，以保證預(yù)制板和現(xiàn)澆混凝土層形成整體。 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)。 11.3 組合梁的截面形式和翼板的有效寬度 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，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，錯開半齒焊合而成的蜂窩梁。它將H型鋼高度提高約50，有較

5、好的經(jīng)濟(jì)效果，而空洞又便于鋪設(shè)管線。 3. 混凝土翼板的計算寬度 計算組合梁時，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)計規(guī)范GB50010的規(guī)定采用的。 混凝土翼板的有效寬度 取下式中的最小值： 式中 bc1、bc2相鄰鋼梁間凈距s0的1/2。 公式中最重要的是bc2值（有些情況bc1值與bc2值相等），世界各國或地區(qū)的規(guī)范，對bc2值的規(guī)定頗不一致，組合梁翼板的計算寬度與

6、梁格尺寸、梁的位置（在樓蓋外側(cè)或中部）、荷載方式（均布或集中荷載）、簡支單跨或連續(xù)等因素有關(guān)，只不過有些國家的規(guī)范忽略了某些因素，而其他規(guī)范又忽略另外一些因素而已。嚴(yán)格說來。樓蓋邊部無翼板時，其內(nèi)側(cè)的bc2應(yīng)小于中部兩側(cè)有翼板bc2的；集中荷載作用時的bc2值應(yīng)小于均布荷載作用的情況；連續(xù)梁的bc2值應(yīng)小于簡支梁的該值。 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)力時是合適的，但在極限荷載情況下，有效寬度應(yīng)予減小。 總的來看，我國規(guī)范對翼板計算寬度的規(guī)

7、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)計規(guī)范一致，似值得再加以研究。 混凝土翼板計算厚度的取值： （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)計規(guī)范GB 50010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，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

8、對位移，但可忽略不計；（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 2. 組合梁的截面設(shè)計 組合梁的截面高度一般為跨度的1/151/16，為使鋼梁的抗剪強(qiáng)度與組合梁的抗彎強(qiáng)度相協(xié)調(diào)，鋼梁截面高度不宜小于組合梁截面總高度h的1/2.5。 組合梁的截面計算有彈性分析法和塑性分析法兩種，在20世紀(jì)50年代及以前，組合梁的抗彎強(qiáng)度主要按彈性理論計算。假定鋼梁和混凝土均為彈性體，變形后截面保持平面，混凝土不能受拉，不考慮板托截面。計算時，將受壓區(qū)混凝土截面除以n0，換算成

9、鋼截面。 彈性設(shè)計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，截面開始屈服時的彎矩My卻過高地估計了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)行計算。組合梁的計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)計算強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度。

10、（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、剛度及裂縫寬度計算。 組合梁在正彎矩作用下的抗彎強(qiáng)度計算 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)，計算時分兩種情況考慮。（1）當(dāng)塑性中和軸位于混凝土受壓翼板內(nèi)，即Afbcehcfc時： （2）當(dāng)塑性中和軸位于鋼梁截面內(nèi)即Af bcehcfc時: 組合梁在負(fù)彎矩作用下的抗彎強(qiáng)度計算 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

11、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算抗彎承載力，并在計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算可參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行。 在驗(yàn)算混凝土裂縫時，可僅按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算，因?yàn)樵诤奢d標(biāo)準(zhǔn)組合下計算裂縫的公式中已考慮了荷載長期作用

12、的影響。 連續(xù)組合梁由于混凝土開裂的影響，正負(fù)彎矩區(qū)抗彎剛度有較大差異，相對于大部分單一材料的梁或鋼筋混凝土連續(xù)梁，其彎矩重分布的程度較高，且在正常使用極限狀態(tài)彎矩重分布就有很大發(fā)展。因此，計算混凝土翼板中縱向鋼筋時，應(yīng)當(dāng)考慮彎矩重分布的影響。 由荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的負(fù)彎矩區(qū)鋼筋應(yīng)力可以按下式計算：由縱向鋼筋與鋼梁形成的鋼截面的慣性矩 Mk由荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的截面負(fù)彎矩： Mse由荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合按彈性方法計算得到的連續(xù)組合梁支座負(fù)彎矩值（按等截面計算）： 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/

13、Af11.5 部分抗剪連接的組合梁設(shè)計 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。在每個正彎矩計算區(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等于鋼筋屈服時所能提供的縱向拉力Astfst。 因此，完全抗剪連接所需要的抗剪連接件數(shù)目為： 當(dāng)剪力連接件的設(shè)置受構(gòu)造等原因影響不能全部配置，即剪跨內(nèi)的實(shí)際抗剪連接件數(shù)目nrnf，不足以承受組合梁上最大彎矩點(diǎn)和鄰近零彎矩點(diǎn)之間的剪跨區(qū)段內(nèi)總的

14、縱向水平剪力時，可采用部分抗剪連接設(shè)計法。國內(nèi)外研究成果表明，在承載力和變形都能滿足要求時，采用部分抗剪連接組合梁是可行的。 在承載力和變形許可的條件下，采用部分抗剪連接可以減少連接件用量，降低造價并方便施工。對采用壓型鋼板混凝土組合板為翼板的組合梁，由于受板肋幾何尺寸的限制，栓釘布置的數(shù)量有限，有時也不得不采用部分抗剪連接的設(shè)計方法。 由于梁的跨度愈大對連接件柔性性能要求愈高，所以用這種方法設(shè)計的組合梁其跨度不宜超過20m。 對于單跨簡支梁，部分抗剪連接的抗彎強(qiáng)度計算方法是根據(jù)簡化塑性理論按下列假定確定的：（1）在所計算截面左右兩個剪跨內(nèi)， 取連接件承載力設(shè)計值之和 nr 的較小者作為混凝土

15、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，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: 部分抗剪連接時一個剪跨區(qū)的抗剪連接件數(shù)目； 每個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 兩者中的較小值計算。計算略偏保守，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

16、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)定部分抗剪連接時連接件的數(shù)量不得少于按完全抗剪連接設(shè)計時該剪跨區(qū)內(nèi)所需抗剪連接件總數(shù)的50%，否則將按單根鋼梁計算，不考慮組合作用。 部分抗剪連接時，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d 22mm，桿長l 4d。 此外，混凝土強(qiáng)度等級不能高于C40，以保證栓釘工作時全截面進(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

17、混凝土翼板內(nèi)或板托內(nèi)時，整個鋼梁處于受拉狀態(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，為保證截面塑性能充分發(fā)展，應(yīng)按塑性設(shè)計的規(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/t9。 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，腹板小部分為受壓區(qū)，大部分為受拉區(qū)，整個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)計時偏心受壓的控制式，得腹板總的計算高度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，?。?式中h1為腹板受壓區(qū)的高度。 由于連續(xù)梁內(nèi)力重分配時負(fù)彎矩區(qū)

18、需具有一定的轉(zhuǎn)動能力，同時還需控制裂縫寬度，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，鋼梁腹板高厚比應(yīng)滿足條件：11.7 抗剪連接件的計算 抗剪連接件是組合梁設(shè)計的關(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

19、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： 栓桿的直徑d（或栓釘?shù)慕孛娣eAs）； 混凝土的彈性模量Ec； 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，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

20、接件承載力的計算公式，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，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，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，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，此時栓釘?shù)某休d力要低于混凝土實(shí)板的情況，故栓釘?shù)目?/p>