大跨度型钢混凝土梁设计实例和分析

ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｈｏｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｂｅａｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｃａｐａｃｉｔｙ
ｌ概述 型钢混凝土结构是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种组合 结构形式，由型钢、主筋、箍筋及混凝土组合而成，核心部分有 型钢，其外部则为以箍筋约束并配置适当纵向受力主筋的混 凝土结构。 使用的型钢可分为实腹式和空腹式两大类：实腹式型钢 构件可由型钢或钢板焊成，常见的截面形式有Ｉ、Ｈ、［等，也有 矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接 角钢或槽钢组成。空腹式型钢比较节约钢材，但制作费用较 高。抗震性能相对较差，目前应用不多。实腹式型钢由于制作 简便、承载力大，因此被广泛采用Ｌ１］。 与钢结构相比，型钢混凝土结构具有以下优点：（１）良好 的耐久性和耐火性；（２）节约钢材；（３）受力性能好。另外，结 构刚度大，外力作用下变形小，在风载荷和地震作用下，结构 的水平位移可严格控制。使用的型钢规格较小、钢板厚度较 薄，比较符合目前我国钢材轧制的实际情况。缺点：结构自重 较大，施工较复杂。 与钢筋混凝士相比，型钢混凝士结构具有优点：（Ｉ）承载 力高；（２）施工周期短；（３）抗震性能好。当基础采用钢筋混 凝土结构、上部为钢结构时，采用型钢混凝土结构作为过渡层 可以使结构的内力传递更为合理。缺点：浇注比较困难；钢材 较费，建设费用较高。型钢混凝土结构的用钢量为８０一 １８０ｋｇ／ｍ２。其中型钢占总用钢量的２０％－－５０％。 型钢混凝土的适用范围：从结构形式方面讲，适用于框 架、框架一剪力墙、底层大空间剪力墙、框剪一核心筒、筒中筒 等结构体系。从应用的建筑类型讲，在多层、高层建筑、桥梁 等建筑物中。可以为全部构件，也可以为部分构件；也可以为 某几层或某局部。从抗震角度来讲，适用于非地震区和抗震
骨混凝土结构设计规程》（ＹＢ９０８２－－９７）Ｌ４１给出了如下计算方 法。
（１）一般叠加计算方法 对于型钢混凝土梁正截面承载力计算表达式为：
Ｍ≤Ａ儡＋峨
计算中，需要多次试算，才能取得正确结果。 （２）简单叠加法 对于钢骨为双轴对称的充满型实腹型钢，即钢骨截面形 心与钢筋混凝土截面形心重合时，型钢混凝土梁的正截面承 载力可按如下方法计算。
万方数据
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福建建设科技２０１１．Ｎｏ．１
●建筑结构
板轴向力承载项Ｎ。的确定，它是通过对型钢腹板应力分布 积分，再做一定的简化求出来的。
（３）计算公式
Ｍ≤ａｌｆｉｂｘ（ｈｏ一号）＋／４ ７，（ｈｏ－－ａ ７，）＋／。Ａ ７ａｆ（ｈｏ—
ａ７。）＋Ｍａｗ 醢、｛ｌｂｚ七｛，氏ｓ七ｆ Ａ《一｛Ａ ｓ—ｆ。｛堪七Ｎ。＝Ｑ ２．２．１．２叠加法 对于型钢混凝土梁正截面受弯承载力验算，行业标准《钢
９３２，钢筋面积Ａ＝燕＝意龋≈１４。３ｍ２
配４ｄｐ２２（Ａ：一１５２０ｍｍｚ），Ａ，＞ｐｍｍｂｈ＝４０５ｍｍ２，满足要 求。
２．２．２斜截面受剪承载力 在梁端支座处 梁的剪力设计值为Ｖ＝１／２×（６．７５＋２４）×１５＝
２３０．６３ ｋＮ
截面验算： Ｖ≤ｏ．４５５ｆｃｂｈｏ＝ｏ．４５×１．０×１４．３×３６０×６０５—１４０１．
万方数据
一建筑结构
福建建设科技２０１１．Ｎｏ．１
同，但需考虑型钢与受拉钢筋与混凝土粘结性能的差别对裂 缝间距的影响ｌ“。
ａ．短期抗弯刚度Ｂ； 型钢截面处于弹性状态，其抗弯刚度为Ｂ，Ｓ—Ｅ搿Ｊ。＝４．０
Ｘ１０Ｈ
混凝土截面的开裂荷载Ｍ＝ｏ．２３５ｂｈ２＾＝９５．６５ｋＮ·ｍ
正常实用阶段钢筋混凝土截面所分担的弯矩懈＝
２７３．６ｋＮ·ＩＴＩ
受拉钢筋应变不均匀系数驴一１．１（１一嚣）一１．１（１一
等鲁＿ｏ．０３４９６
所以，最大裂缝宽度‰５２．１妒营（１．９ｆ＋。．。８亳）＝
０．３１５ｍｍ。满足。 截面配筋如图所示。
万９５．丽６５户．ｏ．７１５
型钢截面所受拉力Ｎ８＝丘Ａ，＝３００Ｘ １５２０＝４５６ｋＮ 钢筋混凝土截面所受压力』、ｒＮ８＝４５６ｋＮ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｂｅａｍｓ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ，ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅ－
作者简介：朱冬冬（１９８７一）。男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事建 筑结构、计算机数值模拟方面的研究。
设防烈度为６度至９度的多层、高层建筑和一般构筑物。但 对承受反复荷载作用的疲劳构件，如吊车梁等，要在有一定的 试验数据和经验的基础上谨慎采用【２ｊ。
２型钢混凝土梁设计 ２．１设计假定 跨度１５ｍ，荷载假定取通常情况的含梁自重的荷载设计 值Ｐ＝３０ｋＮ／ｍ均布在梁的上翼缘，为简化，不考虑抗震。采 用实腹式型钢混凝土梁，混凝土选用常用的Ｃ３０，混凝土强度 设计值，ｆ＝１４．３Ｎ／ｍｍｚ，五＝１．４３Ｎ／ｒｎ】ｍ２，钢筋采用 ＨＲＢ３３５级钢筋，强度设计值＾＝３００Ｎ／ｍｍ２厂，一３００Ｎ／ ｍｍ２，型钢采用Ｑ３４５Ｂ钢材，初始截面选择，梁高ｈ一７５０ ＩＴｌｒｎ，梁宽ｂ＝３６０ｍｍ， 则跨中最大弯矩为Ｍ一１／８×ｐｌｚ＝８６５ ｋＮ·ｍ ２．２计算过程和分析 ２．２．Ｉ正截面受弯承载力 ２．２．１．１平截面假定基础上的极限平衡法 对于配置充满型、实腹式型钢混凝梁，其正截面受弯承载 力计算，其行业标准《型钢混凝土组合技术规程》（ＪＧＪ １３８— ２００１）［３］’给出了如下计算方法。 （１）基本假定 （ａ）截面应变保持平面；（ｂ）不考虑混凝土的抗拉强度； （ｃ）受压边缘混凝土极限压应变￡ａｌ取０．００３，相应的最大应力 取混凝土轴心抗压强度设计值ｍ五；（ｄ）受压区混凝土的应力 图形简化为等效矩形，其高度取按平截面假定的中和轴高度 乘以系数岛；（ｅ）型钢腹板的拉、压应力图形均为梯形。设计 计算时，简化为等效的矩形应力图形。（ｆ）纵向钢筋的应力取 等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于设计值。受拉 钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变ｅａ‘取０．０１。 （２）计算原则 把型钢翼缘作为纵向受力钢筋的一部分，并在下面的平 衡方程式中分别增加了型钢腹板受弯承载力项＾心和型钢腹
２．２．１．ห้องสมุดไป่ตู้几种计算方法结果的比较
（１）一般叠加法的计算结果，与理论计算方法（平截面假 定基础上极限平衡法）吻合较好，但多数情况下计算结果偏于 安全。上述两种方法的计算过程均比较繁琐。
（２）简单霍加法与一般叠加法相比较，计算过程简单，但 计算结果偏于保守。对于钢骨为对称配置的情况，简单叠加 法与一般叠加法计算结果相差不是太大曲ｊ。
５ｋＮ
型钢部分的受剪承载力为
Ｗ一厶ｆ旃。＝１２５×４６８×１０．２＝５９６．７ｋＮ＞一Ｏ．１ｆｌ。ｆ，ｂｈｏ
一３１１－４５ｋＮ
则钢筋混凝土部分的设计剪力可取 Ｗ—Ｖ一Ⅵ一２３０．６３—５９６．６＝一３６５．９７ｋＮ＜＜０． ２５ｆｌ。ｆｃｂｈｏ＝７７８．６ｋＮ 即，钢筋混凝土部分不需要承担剪力。 而Ⅵ＜０．７ｆ，ｂｈｏ＝Ｏ．７×１．４３×３６０×６０５＝２１８．０２ｋＮ
则型钢部分承担的弯矩设计值＾鹰＝ｘⅣ。，。＝６２７．２ ｋＮ·ＩＴＩ
钢筋混凝土部分的弯矩设计值崦＝Ｍ一嗡一２３７．６
ｋＮ·ｍ 设采用双排钢筋，有效高度ｈｏ＝（２×５３０＋２×６８０）／４＝
６０５ ｔ截ｕｒｎ面抵抗系数ｍ＝≠彘一面≤簧淼一ｏ．１２６＜
ｍ．一＝ｏ．３９９，截面内力臂系数Ｋ＝÷（１＋ １ＪＹｚＴａ，）＝ｏ．
一建筑结构
福建建设科技２０１１．Ｎｏ．１
大跨度型钢混凝土梁设计实例和分析
朱冬冬（同济大学土木工程学院上海２０００９２）
［摘要］综述相关文献，介绍型钢混凝土组合结构概念，类型和适用范围，并与钢筋混凝土、钢结构梁比较的优缺点，并给 出在给定条件下设计１５ｍ大跨度型钢混凝土梁计算实例和步骤。结果与其他类型梁对比分析，得出型钢混凝土梁是符合要求的 较优选择。
凝土受压区压力合力点的距离Ⅻ、岛为系数；６田为梁截面混 凝土受压区扣除其中钢骨截面面积后的等效宽度。
基于坦性理论下限解的一般叠加方法、简单叠加方法的 计算结果是偏于安全的。对于型钢配置在受拉区的截面，其 受弯承载力可按钢一混凝土组合梁的方法计算，但型钢上翼 缘应设置足够的剪力连接件以保证型钢与混凝土的共同工 作。
［关键词］型钢混凝土梁组合结构 梁设计计算承载力
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｓｃｏｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄ—
钢筋混凝土截面部分的偏心矩勖一等＝堑墨轰等燮＝
受拉钢筋配筋率ｐ＝揣一５．６３×１０—３
钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比ＣｔＥ＝等＝
；黑吒６７
驴而《褊乩２３３×１０１４ 由于采用矩形截面，受压翼缘加强系数７／，一。
钢筋混凝土部分为偏心受压，其抗弯刚度计算公式为
对于配置对称型钢的截面。ｄ，一０，组合刚度可近似取为 ０，故短期抗弯度为Ｂ，＝既＋风＝５．２３３×１０１４
则争一苇等磐＜ｏ
按构造配筋即可，实际取梁端双肢础＠１５０，跨中双肢 螂＠ｚ５０。
根据规程，验算斜截面承载力
０．０８ｆｉｂｈｏ＋／０半＾ｏ＋ｏ．５８ｆ，ｔ旃。＞Ｖ，满足要求。
２．２．３变形和裂缝 使用阶段，型钢混凝土梁截面的弯矩一曲率关系与钢筋 混凝土梁基本类似，分为三个阶段。型钢混凝土梁的开裂荷 载约为破坏荷载的１０％一１５％，其裂缝出现、分布和开展的 机理与钢筋混凝土类似。开裂后弯矩一曲率关系曲线出现转 折，但因型钢截面抗弯刚度较大，开裂时的转折不是很大，以 后基本旱线性发展，直至受拉钢筋和型钢受拉翼缘屈服。实 验表明，当试件的正截面受弯承载力相同时，型钢混凝土梁的 刚度比钢筋混凝土梁的刚度有所提高。由于型钢配置位置的 关系，一般来说受拉钢筋水平处的裂缝宽度比型钢受拉翼缘 水平处的裂缝宽度大，受拉钢筋的应变是影响裂缝宽度的主 要因素。 与钢筋混凝土梁相同。在正常使用荷载下，型钢混凝土梁 也是带裂缝工作。试验表明，对于型钢与混凝土粘结町靠的 梁，在整个受力过程中，截面平均应变分布符合平截面假定， 即型钢部分与混凝土部分保持变形协调。试验观测表明，受 拉钢筋水平处的裂缝宽度普遍大于型钢受拉翼缘水平处的裂 缝宽度，因此裂缝宽度的计算是以受拉钢筋的水平位置为依 据。型钢混凝土梁的裂缝扩展机理与钢筋混凝土梁基本相