钢--混凝土组合梁的概述和发展历史

钢-混凝土叠合板连续组合梁
1995
北京 西客站工程
预应力钢-混凝土组合梁
1998
上海 金贸大厦
钢-混凝土组合梁
2000
深圳 赛格广场
图(1.4) 钢-混凝土组合梁
2000
芜湖 芜湖长江大桥
预应力混凝土板与钢桁架组合梁
2002
沈阳 沈阳市东西干道高架桥
钢-混凝土组合梁
2004
北京 LG 大楼（在建）
钢-混凝土组合梁
组合梁在我国的研究起步比较晚。在改革开放以前，虽有少数工程曾经应用过钢-混凝 土组合梁，如武汉长江大桥，但当时未考虑组合效应而仅仅把它作为强度储备而提高安全度 或者是为了方便施工而己，当时我国有关设计规范都未涉及钢-混凝土组合梁的设计内容。 1978 年以来，原郑州丁学院、原哈尔滨建筑工程学院、山西省电力勘测设计院、华北电力
截面设计方法
内力分析方法
宽厚比要求
备注
连续梁：塑性机构分析法
I 类截面
满足塑性分析 4 条件
简支梁
II，I 类截面
塑性设计
等截面模型＋弯矩调幅法 30% I 类截面 等截面模型＋弯矩调幅法 20% II 类截面
满足塑性分析 4 条件
变截面模型＋弯矩调幅法 15% I 类截面
规范方法
变截面模型＋弯矩调幅法 10% II 类截面
2 长期效应 4 混 凝 土 纵 向 剪 切
组 合 下 的 面计算
组 合 下 的 面计算
挠度
挠度
决定调幅效果的截面分类按照钢结构设计规范如表(1.3)所示：
表 1.3 组合截面的分类 [9]
截面类型
翼缘
腹板
I 类截面 塑性设计 1：要求塑 性铰有转动能力
b1 ≤ 9 235
t
fy
Ns ≤ 0.37 时： hw ≤ (72 −100 Ns ) 235
1）加入了连续组合梁负弯矩区的设计方法 2）在计算组合梁的挠度时，采用了折减刚度方法 3）引入了部分抗剪连接组合梁的概念和设计方法 4）引入了压型钢板组合梁的设计计算和构造要求 5）引入了混凝土叠合板的设计方法 新规范在以下的方面进行了修正： 1）基于实验结果，放宽了栓钉抗剪连接强度的限值 2）取消了钢材的塑性折减系数 3）取消了对槽钢连接件肢尖方向的限制要求
力
组 合 下 的 4 混凝土纵向剪切
求
挠度
2 挠度要求 挠度
面计算
自 无要求 1 短期效应 1 正截面受弯承载力 无要求
重
组 合 下 的 2 栓钉抗剪计算
1 短期效应 1 正截面受弯承载力 组 合 下 的 2 栓钉抗剪计算
组
挠度
3 横截面抗剪强度
合
2 长期效应 4 混 凝 土 纵 向 剪 切
挠度
Hale Waihona Puke 3 横截面抗剪强度表 1.1 组合梁在我国的工程应用
时间
地点 工程名称
组合梁的类别
1957
武汉 长江大桥上面公路桥 图(1.3) 钢-混凝土组合梁
1984
北京 长城饭店
钢-混凝土组合梁
1986
上海 瑞金大厦
型钢混凝土梁
1988
北京 国际培训中心
冷弯薄壁型钢钢-混凝土组合梁
1990
上海 南浦大桥
预制板组合梁
1993
北京 国贸大厦
对于连续组合梁，验算的内容与简支梁相似，关键是分析其内力的分布情况。在连续组 合梁中存在两个导致弯矩重分布的因素，一是负弯矩区混凝土受拉开裂导致的刚度变化，二 是负弯矩区支座截面塑性开展而发生扭转。通过分析可知，因素一的调幅效果为 15%，因
4
素二的调幅效果和限值与截面的性质有关。从而求解内力的方法可以根据采用的力学模型的
不同分为等截面模型法和变截面模型法，前者必须考虑上面提到的混凝土开裂的重分布因
素，后者不考虑已开裂的负弯矩区的混凝土而形成变截面的连续梁模型。
表 1.2 简支组合梁的计算项目 [9]
弹性设计
塑性设计
施 工 阶 使用阶段 极限承载力
施工阶段 使用阶段 极限承载力
段
非 1 钢梁的 1 短期效应 1 正截面受弯承载力 1 钢梁按照 1 短期效应 1 正截面塑性受弯承
Af
tw
fy
IIIa 类截面 弹性设计,允许受限 制的塑性开展
（ γ x = 1.05 ）
b1 ≤ 13 235
t
fy
ψ ≥ −1 时： hw ≤
40
235
tw 0.685 + 0.315ψ f y
ψ ≤ −1 时： hw ≤ 54(1 −ψ ) −ψ 235
tw
fy
III 类截面 弹性设计，无塑性开 展，也不允许板件局 部失稳。
组合梁的计算从对象上来说，分为简支组合梁和连续组合梁。根据规范的具体规定，对 于不直接承受动力荷载的组合梁需要采用极限状态的分析方法对于其在正常使用极限状态 和承载能力极限状态下分别进行设计和验算。在求其承载能力时，可根据截面的不同采用塑 性或弹性的设计方法。整个设计过程可以分为八个步骤 [9] ，依次为：构造设计和荷载计算， 组合梁内力计算，施工验算，正常使用状态验算，承载能力极限状态验算，抗剪件设计和布 置，楼板纵向抗剪验算和楼板抗裂验算。其中，正常使用状态主要验算楼板的裂缝和组合梁 的挠度。承载能力极限状态主要验算混凝土和钢梁的抗弯，抗剪。各部分验算的内容和主要 注意事项如表(1.2)所述。其中，非自重组合是指组合梁在施工过程中没有添加下部支撑从而 混凝土的自重由下部钢梁单独承受，而不是由组合梁承受。
3
设计院和清华大学等单位曾先后对钢-混凝土组合梁进行了研究和应用，取得了一系列具有 重要理论意义和实用价值的成果，不少已经被国家规范所采纳 [5] 。试验的研究和实践的应用 极大地促进了组合梁设计理论的发展。
1.4 我国钢--混凝土组合梁设计概述
《钢结构设计规范》（GBJ17-88）[6] 第十二章包括了简支钢-混凝土组合梁的有关设计内 容，但由于当时的研究还不够充分，条文大多参考和借鉴国外的相关规范条文，保守且不够 合理，从而限制了钢-混凝土组合梁的应用。新的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）[7]（以 下简称“钢结构设计规范”）在以下的方面进行了补充 [8] ：
待建
上海 上海环球金融中心
钢-混凝土组合梁
2
图 1.3 武汉长江大桥
图 1.4 赛格广场
1.3 钢--混凝土组合梁研究轨迹和进展
钢-混凝土组合梁的采用一开始主要基于钢梁防火的要求，并未考虑其组合工作效应。 直到二、三十年代，经过对其性质的全面深入研究，才真正引入组合概念，但直到上世纪六 十年代其计算仍然基于弹性理论。在五十年代，西方国家，如美国，英国，苏联等都相应制 定了有关组合梁的规范或规程，促进了组合梁在桥梁和高层建筑中的广泛应用，组合梁的研 究也因此吸引了更多学者和工程人员。早在 1960 年美国钢结构协会及混凝土协会就联合组 成了 AISC-ACI 组合梁联合委员会开展工作。进入六十年代以后，对其研究逐渐转入塑性理 论的分析。在欧洲，1981 年发表了由多个结构研究协会共同参与制定的《组合结构》规范。 此后由欧洲各国共同制定的欧洲规范 4 [4] (Eurocode 4，以下简称 EC4)对于组合结构更是做 出了明确的设计规定。近年来，在组合构件的研究基础上，学者开始关注组合结构的整体性 能，包括组合节点的设计方法，组合框架的抗震性能等，这些研究对于组合结构理论的完整 和应用的拓展都有重要的意义。
钢-混凝土组合梁在我国的应用很早。在 20 世纪六十年代初，我国就已将此结构形式运 用于工业与民用建筑及桥梁建筑中。1957 年建成的武汉长江大桥，其上层跨度 18 米的公路 桥纵梁就使用了组合梁。唐山陡河电厂采用的平台组合梁经受了地震的考验。实践证明钢混凝土组合梁这种结构是十分有效和经济的。进入 80 年代以来，随着我国建设规模的不断 扩大，钢-混凝土组合结构应用更加广泛，表(1.1)是部分著名的采用此结构形式的工程列表。
自 抗 弯 和 组 合 下 的 2 栓钉抗剪计算
弹 性 计 算 组 合 下 的 载力
重 抗 剪 承 挠度
3 横截面抗剪强度 的 抗 弯 和 挠度
2 栓钉抗剪计算
组 载力
2 长期效应 4 混 凝 土 纵 向 剪 切 抗 剪 承 载 2 长期效应 3 横截面抗剪强度
合 2 挠度要 组 合 下 的 面计算
简支梁（可以利用塑性开展） III，IIIa 类截面 完全抗剪组合
弹性设计
b1 ≤ 15 235
t
fy
ψ ≥ −1 时： hw ≤
42
235
tw 0.67 + 0.33ψ f y
ψ ≤ −1 时： hw ≤ 62(1 −ψ ) −ψ 235
tw
fy
IV 类截面
比上面给出的宽厚比或高厚比还要大的截面
：允许板件局部屈曲，
5
表中 Ns 是组合梁的钢梁部分自身应力的合力，在简支组合梁中一般是拉力，取负值代
入。对于负弯矩区的组合梁， Ns 是有效宽度范围内支座负弯矩钢筋面积和抗拉设计强度的
乘积，取正值代入。 Af 是钢梁截面面积和钢梁抗拉强度设计值的乘积。ψ 是腹板计算高度
边缘拉应力和压应力的比值。
求出内力后，即可按弹性或弹塑性方法计算极限荷载，各种方法的要求如表(1.4)。
表 1.4 组合梁的截面设计方法，内力设计方法和宽厚比要求 [9]
Af
tw
Af f y
Ns ≥ 0.37 时： hw ≤ 35 235
Af
tw
fy
II 类截面 塑性设计 2：不要求 塑性铰塑性转动能力
b1 ≤ 11 235
t
fy
Ns ≤ 0.375 时： hw ≤ (85 −120 Ns ) 235