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1、山东科技大学钢结构工程研究所 王 来,钢-混凝土组合结构,一、组合梁的优点 当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时，宜按钢-混凝土组合梁结构设计。钢-混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件。 （1）组合梁截面中混凝土主要受压，钢梁受拉，充分发挥材料特性，承载力高。承载力相同时，比非组合梁节约钢材达15%-25%。 （2）混凝土板参加梁的工作，梁的刚度增大。楼盖结构的刚度要求相同时，采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%-30%。组合梁用于高层建筑，不仅降低楼层结构高度，且显著减轻对地基的荷载。 （3）组合梁的翼缘板较宽大，提高了钢梁的侧向刚度，提高了稳定性。改善了钢梁受
2、压区的受力状态，增强抗疲劳性能。 （4）可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载，无需设置支撑，加快施工速度。 （5）抗震性能好。 （6）在钢梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撑室内管线用，不需埋设预埋件。,第三节 钢-混凝土组合梁的组成和构造,钢-混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混凝土。解决钢材锈蚀问题：采用低合金钢材，这种钢材表面锈蚀后可形成保护层，阻断锈蚀继续向内部发展；采用高质量的防锈蚀油漆。,二、钢梁的截面形式 组合梁中钢梁的截面形式多样，如图所示。,组合梁中钢梁的截面形式,工字钢梁在跨度小、荷载轻的组合梁中，一般采用小型工字钢；荷载较大时，可在工
3、字钢下翼缘加焊一块钢板条，形成不对称工字形截面；跨度大时，也可采用焊接成型的不对称工字钢。工字钢可通过抗剪连接件与混凝土板组合，也可将上翼缘埋入混凝土板中，此时不需设抗剪连接件。 箱形钢梁适用于公路和铁路桥梁及大跨度重载大梁。 轻钢桁架梁及普通钢桁架梁轻钢桁架用角钢做上弦，用圆钢做下弦及腹杆；普通钢桁架的杆件采用双角钢或单角钢。桁架上弦用抗剪连接件与混凝土板组合，或将桁架上弦节点伸入混凝土板中与混凝土板的连接件，以减小上弦杆型钢的截面尺寸。 蜂窝式梁将工字钢沿腹板纵向割成锯齿形的两着，然后错开对齐焊接凸出部分，形成腹部有六角形开孔的蜂窝式梁，不仅节省钢材，还增大了梁的承载力和刚度。 桁架梁和蜂
4、窝式梁适用于跨度较大、荷载较轻的多层建筑。设备管线可穿过梁的空腹处，不需另占楼层空间。,组合梁可以加设混凝土板托（图(d)），以增大混凝土板与钢梁间的中心距，使钢梁全截面基本上处于受拉区，提高组合梁的抗弯能力、抗剪能力和刚度。,三、组合梁的构造要求 1. 截面尺寸 抗弯能力 、抗剪能力、刚度的要求：简支组合梁的高跨比为1/18-1/12，一般取1/15。混凝土板厚通常取截面高度的1/3左右，一般采用100mm，120mm，140mm，160mm；荷载特别大的平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用180mm，200mm甚至300mm。采用压型钢板的组合楼盖中，压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离
5、不小于50mm。 钢梁的截面高度ha不宜于截面总高度h 的1/2.5。为保证组合梁腹板的局部稳定性，可按钢结构设计规范要求设置加劲肋。,组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求。有托板时，伸出长度不应小于hc2；无托板时，应同时满足伸出钢梁中心线不小于150mm、伸出钢梁翼缘边不小于50mm的要求。,组合梁边梁混凝土翼缘板的构造,2横向钢筋 板内垂直于钢梁的横向钢筋需经计算确定，并符合最小配筋量要求 。 横向钢筋应沿梁纵向均匀布置，其下部水平段应布置在距钢梁上翼缘50mm的范围内，因为受到连接件的局部压力作用，钢梁上翼缘附近的混凝土较易劈裂，需要配置钢筋予以加强。,在混凝土板边缘到最近一排连
6、接件中心e300mm的距离的边梁中，横向钢筋应绕过连接件做成U形筋。以保证其有足够的锚固长度，防止由于连接件引起的混凝土板的纵向劈裂。,当使用栓钉连接件时，横向钢筋的直径不应小于0.5d，同时，混凝土板边缘到栓钉中心线的距离应大于6d。底部横向钢筋的间距，不应大于连接件伸出钢筋上方长度的8倍，且不超过600mm 。此外，上部横向钢筋应满足混凝土板受力钢筋的构造要求。,3板托 板托顶部的宽度与高度hc2之比应不小于1.5，且板托的高度不宜大于混凝土板厚度hc1的1.5倍； 板托的外形应满足图所示的构造要求，板托边缘距连接件外侧的距离不得小于40mm，板托外表轮廓应在自连接件根部算起的45仰角之外
7、。,4主次梁连接 平接连接方式; 叠接连接方式 。,四、抗剪连接件 抗抗剪连接件的形状：既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。 常用的抗剪连接件类型：栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、T形钢连接件等。宜优先采用栓钉连接件，因其施工方便快速，受力性能好，单位承载力用钢量最少。其次是槽钢连接件。 连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系，以有利于抵抗连接件被掀起，避免混凝土发生劈裂。,抗剪连接件剪力-滑移曲线。图为栓钉、槽钢、T形钢连接件的剪力-滑移曲线。由图可知，栓钉和槽钢等连接件的刚度较小，变形能力较大，这类连接称为柔性连接件；T形钢连接件的刚度较大，变形能力较小，称为刚性连接件，目前已很少采用。,抗剪连接
8、件剪力滑移曲线,第四节 组合梁施工阶段计算,一.施工时设置临支撑的组合梁,施工阶段在钢梁下设置一系列临时支撑，可以近似认为钢梁在施工阶段不产生应力。混凝土硬化达到设计强度的75%后，拆去临时支撑，混凝土板和钢梁自重、使用荷载以及后加的恒载全部由组合梁承担（图(a)）。临时支撑的数量应根据施工阶段变形控制要求确定，跨度大于7m时，不少于3个；小于7m时，设置1-2个。这种施工方法可以减小使用阶段组合梁的挠度，但需要有较多的抗剪连接件以抵抗混凝土与钢梁间的滑移。 对施工时设置临时支撑的组合梁，可不进行施工阶段验算。,组合梁的施工方法,二.施工时无临支撑的组合梁,混凝土硬化前，钢梁、模板和混凝土板的
9、自重以及施工荷载均由钢梁承担；混凝土硬化后，恒载、使用荷载及后加荷载由组合梁承担（图 (b)）。 施工阶段的荷载仅由钢梁承担，故应按钢结构设计规范的要求验算施工阶段钢梁的截面正应力、腹板剪应力、整体稳定及变形。 无临时支撑组合梁在使用阶段的挠度较大。这种施工方法常用于混凝土板自重不大的楼盖结构。 在施工阶段，当钢梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比不超过钢结构设计规范规定的最大值时（p24，表4.2.1），可不进行整体稳定验算。,第五节 组合梁的承载力计算,一.组合梁受弯承载力,组合梁设计的内容应包括：受弯承载力计算、受剪承载力计算、抗剪连接件的数量和布置、混凝土翼缘板及其板托纵向界面受剪承载力计
10、算、变形验算、负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算以及构造设计。,1.组合梁正截面的受力性能 从开始加荷到破坏，组合梁正截面经历弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段。,组合梁的恒载挠度曲线,加荷到破坏荷载90%以上时，混凝土翼缘板相对于钢梁发生较大的掀起变形，连接件的水平变形较大。若横向钢筋不足，板顶面沿钢梁轴线附近出现纵向裂缝（图(a)），削弱了混凝土与钢梁的共同工作，此时钢梁的屈服范围已发展到一定的高度，受压区混凝土产生塑性变形，挠度迅速增大，组合梁进入塑性阶段，直到破坏（图(b)）。,组合梁正截面受力的实测应变分布。可以看出，在钢梁下翼缘达到屈服应变以前，截面应变分布基本上符合平截面假定
11、。 实测混凝土翼缘板相对于钢梁的纵向水平滑移。表明，在钢梁的下翼缘屈服以前，钢梁与混凝土翼缘板之间的相对滑移较小，试验表明，连接件的水平滑移对组合梁极限承载力的影响很小，计算承载力时可以忽略，但对变形的影响则不能忽略。而且纵向剪力在各连接件中产生重分布，使各连接件承爱的剪力超于均匀。,实测混凝土翼缘板沿梁长的掀起变形。在跨中加载点附近，掀起值很小；由跨中向支座延伸，掀起值不断增大，约距支座处l0/10 处（l0为计算跨度）为最大。,交界面上沿梁长的掀起变形,弹性计算理论。早期的钢-混凝土组合梁承载力设计计算方法。把混凝土翼缘板按钢与混凝土的弹性模量比折算成钢材截面，然后按材料力学方法计算截面的
12、最大应力，并使其小于材料的容许应力。这一计算方法不考虑塑性变形发展带来的承载力潜力。适合于重复荷载的组合梁（包括疲劳强度）。,2. 计算方法,塑性设计方法。考虑梁破坏前塑性变形的发展，更符合组合梁的实际受力情况。但是，按塑性理论计算时，组合梁的塑性变形较大，构件刚度降低很多，容易发生局部压屈、侧向压屈和弯扭压屈，以致材料的强度不能充分发挥，导致承载力的降低。,组合梁受弯时塑性中和轴的位置有两种情况。当塑性和轴位于钢梁腹板内时，受压区内的钢梁上翼缘及钢梁腹板有可能产生局部压屈。当塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时，钢梁位于截面的受拉区，不会产生局部压屈。为保证计算可靠，按塑性方法计算时应采取措施保证
13、钢梁截面腹板和翼缘足够的刚度，即在达到塑性受弯承载力前，截面能产生足够的塑性转角。为此，钢结构设计规范规定了按塑性方法设计的板件宽厚比限值。（p93，表9.1.4）,组合梁板件宽厚比限值,混凝土翼缘板的计算宽度be。组合梁截面中，混凝土翼缘板内压应力是通过抗剪连接件传递的。所以，受弯时沿翼缘板宽度方向板内的压应力分布并不均匀，在钢梁轴线附件较大，距轴线较远的板中压应力较小。简化之，计算时取计算宽度be ，并假定在be范围内压应力均匀分布。计算宽度be与梁的高跨比、荷载作用形式、翼缘厚度与梁高比值、钢梁间距等有关。上翼板的计算宽度按下式取值：,混凝土翼缘板的计算宽度be,3. 受弯承载力计算,（
14、1）按塑性理论计算的基本假定 混凝土翼缘板与钢梁为完全抗剪连接； 塑性中和轴以上混凝土达到轴心抗压设计强度： 忽略塑性中和轴以下混凝土的抗拉强度； 不计托板截面的作用； 塑性中轴以下钢梁截面的拉应力和塑性中和轴以上钢梁截面的压应力均达到钢材的相应强度设计值。,（2）正弯矩截面的受弯承载力 塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时,塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时, 塑性中和轴在钢梁腹板内时,塑性中和轴在钢梁腹板内时,假定组合梁截面上的全部剪力仅由钢梁腹板承受，则应满足：,二.组合梁受剪承载力,三.组合梁纵向界面受剪承载力,混凝土翼缘板及其托板的纵向最不利受剪界面有两种类型：一是穿过整个板厚的竖向受剪界面a
15、-a；二是围绕抗剪连接件周边的受剪界面b-b（无板托）和c-c（有板托）。, 单位梁长a-a受剪界面的纵向剪力取以下二式中的较大值： 其中，v=nsNv/s ,为钢与混凝土界面单位梁长上由抗剪连接件提供的实际抗剪承载力（N/mm）,1.单位梁长受剪界面的纵向剪力,b-b及c-c受剪界面承担的纵向剪力 在按塑性理论设计的完全抗剪连接组合梁中，抗剪连接件基本上是满应力工作的，所以钢与混凝土界面上由抗剪连接件提供的实际抗剪承载力按连接件的承载力计算。 因此，b-b及c-c受剪界面承担的纵向剪力等于连接件传递的剪力。按单位梁长计算为：,2.单位梁长界面受剪极限承载力,根据试验研究，单位梁长界面受剪极限
16、承载力可按下式计算：,第六节 抗剪连接件设计,一.构造要求,1.一般要求 抗剪连接件的作用是抵抗水平剪力和竖向掀起力。 设置抗剪连接件的一般要求是：连接件的抗掀起作用面（如栓钉头部的底面）高出翼缘板底部钢筋顶面不小于30mm；当设置板托时，板托中横向钢筋距连接件顶面位置应不小于40mm。连接件上部混凝土保护层厚度不小于15mm；连接件的纵向间距不应大于600mm或混凝土翼缘板厚度的4倍；连接件的外侧边缘至钢梁缘边缘之间的距离不应小于20mm，当有托座时不应小于40mm。,2.各种抗剪连接件的构造要求 （1）栓钉连接件 栓钉是采用自动栓钉焊接机焊接于钢梁翼缘上的，各个方向具有相同的强度和刚度，不
17、影响混凝土板中钢筋的布置。 栓钉连接件的公称直径有8mm，10mm，13mm，16mm，19mm及22mm，常用的为后四种。栓钉沿梁轴线方向的间距不应小于焊杆直径的6倍；垂直于梁轴线方向的间距不应小于焊杆直径的4倍。,栓钉连接件的布置要求,采用压型钢板的组合楼盖中，栓钉直径不宜大于19mm。安装后栓钉高度 应符合 的要求。,（2）槽钢连接件 当栓钉的抗剪能力不满足要求或者不具备栓钉焊接设备时，可采用槽钢连接件（图）。槽钢连接件一般采用Q235钢轧制的8、10、12等小型槽钢，其长度不能超过钢梁翼缘宽度减去50mm后的值。槽钢连接件翼缘肢尖方向应与混凝土板中水平剪应力的方向一致，并仅在槽刚下翼缘
18、根部和趾部（即垂直于钢梁的方向）与钢梁焊接，角焊尺寸根据计算确定，但不小于5mm。为减少钢梁上翼缘的焊接变形，平行于钢梁的方向不需施焊。,槽钢连接件,（3）弯筋连接件 弯筋连接件一般采用直径不小于12mm的HPB235级钢筋，弯起角度宜为45，弯折方向应与板中纵向水平剪应力的方向一致，并成对设置。沿梁轴线方向的间距不小于0.7hc1，（hc1为混凝土板厚度），且不大于2hc1；弯筋连接件的长度不小于其直径的30倍，从弯起点算起的长度不小于直径的25倍，其中，水平段的长度不小于其直径的10倍（光面钢筋应加弯钢）。弯筋连接件与钢梁连接的双侧焊缝长度为4d（HRB335级钢筋）或5d（HPB235级
19、钢筋）。,弯筋连接件,二.受力性能,1.荷载-滑移曲线 推出试验。国际上以推出试验作为连接件的标准试验，图为常用的（欧洲钢结构协会（ECCS）1981年公布）连接件推出试验标准试件，同时规定了试验要求。 梁式试验。能较好反映连接件的组合梁中的受力变形性能，但试验较为复杂。,推出试验标准试件,荷载-滑移曲线（P-s）。初始受力阶段（A点以前），关系近似于直线，为弹性受力阶段；当荷载到极限荷载的50%左右时，关系曲线明显弯曲，滑移增加较快，连接件处于弹塑性受力阶段；接近极限荷载时，关系曲线趋于水平，为塑性受力阶段。槽钢连接件的荷载-滑移关系曲线在极限荷载后有一下降段。,剪力滑移曲线,2.抗剪连接的
20、破坏形态 （1）连接件受剪受拉破坏 混凝土强度等级比较高时，连接件的承载力与混凝土无关，取决于连接件的类型及材质。这种破坏也包括焊缝破坏。 （2）连接件附近混凝土破坏 栓钉连接件的承压应力在底部最大，沿高度逐渐减小，当接近顶部时承压应力开始反向。前方根部混凝土的局部受压破碎或劈裂。,栓钉连接件破坏,槽钢连接件破坏：以混凝土板劈裂最为常见，混凝土板中在连接件受力方向形成宏观纵向裂缝，在垂直方向形成宏观横向裂缝。此类破坏时连接件的承载力取决于混凝土的强度等级及品种。,槽钢连接件破坏,三.单个抗剪连接件承载力,1.栓钉连接件 组合梁中的栓钉连接件主要承受侧压力，一般情况下掀起作用在栓钉中产生的拉力很
21、小，可以忽略不计，因此栓钉承载力可按纯剪受力模型计算。当栓钉中的拉力不可忽略时，可按拉、剪组合作用计算。,栓钉除承受剪切作用外，其根部混凝土承受局部压力，因此混凝土的强度和变形对栓钉受剪承载力也有影响。当混凝土立方体强度fcu35N/mm2时，单根栓钉的受剪承载力与栓钉截面积、混凝土轴心抗压强度和弹性模量有关。当混凝土强度fcu35N/mm2时，栓钉的最大受剪承载力取决于检钉的抗剪能力。,单根栓钉受剪承载力计算公式如下：,式中 Ad栓钉钉杆的截面积； fdu栓钉的极限抗拉强度，当fdu520N/mm2时，取fdu=520N/mm2 ； EC 混凝土的弹性模量； fc 混凝土的轴心抗压强度； k
22、由试验研究确定的经验系数，其值与栓钉的高度和直径的比值有关。栓钉的高度为其直径4倍以上时（常见情况），取k=0.43。 式中不等号右边表示单个栓钉本身的受剪承载力设计值，考虑到栓钉受到周围混凝土的约束，其抗剪强度有所提高，故取栓钉的抗剪强度为抗拉强度的70%。,2.槽钢连接件 影响槽钢连接件抗剪承载力的主要因素有混凝土强度、槽钢强度及几何尺寸。单个槽钢连接件的受剪承载力按下式计算：,3.弯筋连接件 单个弯筋连接件的受剪承载力按下式计算：,对于连续组合梁的负弯矩区，由于混凝土板受拉，连接件的抗剪承载力有所降低，应乘以折减系数0.85。,四.抗剪连接件的数量和布置,完全抗剪连接组合梁的抗剪连接件设
23、计应保证梁截面在达到受弯承载力之前，交界面不发生连接件的受剪破坏。因此，最大弯矩截面至零弯截面之间区段（剪跨区）内的连接件数量按下式计算：,第七节 组合梁的变形计算,1.换算截面法 混凝土板的换算宽度按下列公式计算： 计算荷载效应标准组合下的挠度时 计算荷载效应准永久组合下的挠度时,正常使用阶段组合梁的变形计算采用弹性理论，要求分别按荷载效应标准组合值、荷载效应准永久组合值（考虑长期荷载作用下混凝土徐变、收缩的影响）计算，其中的较大者不应大于规范规定的挠度限值。,用换算截面计算截面分别计算荷载效应标准组合值下和荷载效应准永久组合值下的形心轴位置、惯性矩及短期刚度Bs、刚度B 。最后，利用材料力
24、学公式计算相应的挠度。,2.折减刚度法 考虑滑移效应对组合梁刚度的影响，对换算截面刚度的进行折减。试验结果证实，在采用栓钉等柔性抗剪连接件的组合梁中，钢梁与混凝土板交界面上总有相对滑移，因而使组合梁产生附加曲率。附加曲率则使梁的变形增大，与试验研究结果的比较表明，按换算截面法计算的组合梁挠度值比试验实测值小20%左右，偏于不可靠，则按折减刚度法计算符合较好。,组合梁截面应变分布及附加曲率,折减刚度法是在理论分析和试验的基础上提出来的，刚度折减系数值与钢梁和混凝土板截面的组成比例、抗剪连接件的间距和抗剪承载力等因素有关。,第八节 连续组合梁,在连续组合梁中，中间支座附近截面承受负弯矩，因而设计中
25、要注意以下问题： （1）中间支座附近截面混凝土翼缘板受拉开裂，抗弯仍以钢梁为主。 （2）中间支座处钢梁主要处于受压区，其受压翼缘和腹板可能发生局部失稳，以致影响截面承载力的发挥和内力塑性重分布。当由于荷载不利布置使某跨均为负弯矩时，梁还可能发生整体失稳。 （3）简支组合梁跨中截面承受的弯矩大而剪力小（或为零），支座截面承受的剪力大而弯矩为零，故可分别按纯弯或纯剪条件设计截面。而在多跨连续组合梁中，中间支座截面上承受的弯矩和剪力同时最大，属于复杂受力状态，对其承载力要产生交互影响。 （4）在连续组合梁的负弯矩区段中，抗剪连接件的承载能力有所降低。 （5）连续组合梁为超静定结构，其内力分析、塑性内力重分布计算及其条件，与钢筋混凝土连续梁和钢连续梁也有所不同。,一.受力性能,1.受弯承载力,二.负弯矩截面承载力,由图(d)截面的平衡条件，得：,可求得截面塑性中和轴到钢梁截面形心的距离：,2. 受剪承载力,受剪承载力仍可按下式计算,承受负弯矩作用区，由于混凝土翼缘板的开裂，连接件的承载力有所降低。一般取降低系数=0.85.,三.抗剪连接计算,谢 谢,