钢-混凝土组合桁架梁性能分析
钢与混凝土组合结构
钢与混凝土组合结构随着我国经济得快速发展,各种新得结构型式不断涌现。
其中刚与混凝土组合结构越来越受到大家得重视,由于组合结构具有许多突出得优点,高层建筑与大型桥梁等建构筑物在我国各地大量兴建,各种型式组合结构逐渐被广泛应用。
组合结构已经与钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砌体结构并称五大结构。
组合结构主要包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。
一、压型钢板与混凝土组合板。
压型钢板与混凝土组合板就是在压成各种形式得凹凸肋与中形式槽纹得钢板上浇注混凝土而制成得组合板,依靠凹凸肋及不同得槽纹使钢板与混凝土组合在一起。
压型钢板安琪在组合楼板中得作用可分为三类、第一类,以压型钢板作为楼板得主要承重构件,混凝土只就是作为楼板得面层以形成平整得表面及起到分布荷载得作用。
第二类,压型钢板只作为混凝土得永久性模板,并作为施工时得操作平台。
第三类,就是考虑组合作用得压型钢板混凝土组合结构。
其优点在于:１、节省大量木模板及其支撑。
２、压型钢板非常轻便,因此堆放、运输及安装都非常方便。
3、压型钢板在使用阶段,因其与混凝土得组合作用,还可代替受拉钢筋、４、组合楼板具有较大得刚度,省却许多受拉区混凝土,使组合楼板得自重减轻。
5、便于铺设通信、电力、采暖等管线。
6、压型钢板作为浇注混凝土得模板直接支撑于钢梁上,而且为各种作业提供了宽广得工作平台,大大加快了施工得进度,缩短了工期。
7、压型钢板可直接作顶棚、8。
与木模相比,压型钢板组合楼板施工时,减小了发生火灾得可能性。
二、组合梁。
将钢梁与混凝土板组合在一起形成组合梁。
组合梁根据混凝土板与钢梁组合连接程度可分为完全剪切连接组合梁与部分剪切连接组合梁;两大类。
组合梁充分发挥了混凝土与钢材得有利性能,因此具有以下优点:1、混凝土板成为组合梁得一部分,比按非组合梁考虑,承载力显著提高。
2、比非组合梁得竖线刚度侧香刚度都明显提高。
3、混凝土与钢梁两种材料都能充分发挥各自得产出,受力合理,节约材料、４、明显得提高了钢梁得整体与局部得稳定性。
基于有限元分析钢桁架混凝土组合梁桥的力学性能
安徽建筑中图分类号：U448.21+1文献标识码：A文章编号：1007-7359（2024）3-0162-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2024.3.059为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理、经济性能更具竞争力，钢-混凝土组合桁梁桥应运而生。
其主要通过剪力连接件将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，目前国内外普遍采用有限元分析对钢桁架-混凝土组合结构的力学性能进行研究。
在模拟方法及模型建立方面，王军文等[1]采用了空间杆系梁单元来模拟钢桁架梁，矩形板壳单元模拟公路桥面板；朱海松[2]运用有限元程序SAP-5进行分析，对主桁架分别采用空间刚接梁单元和空间铰接杆单元两种形式进行建模，对混凝土桥面板则亦采用板壳单元建立；周惟德和陈辉求[3]将组合桁架划分为四个单元，混凝土面板采用板单元，钢桁架的上下弦杆采用钢架单元，腹杆则采用杆单元。
不同学者根据所建得的不同模型得出了有关钢桁架-混凝土组合结构的各种研究成果，为后人提供了坚实的基础和有益的参考。
本文基于有限元软件ABAQUS6.10，依托天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m ，建立有限元模型，比较分析钢桁架-混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥的力学性能。
1研究对象依托工程为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。
立面简图见图1，节点间距及腹杆高度见表1。
图1组合桁架立面简图2计算模拟方法及模型的建立为了保证模型的收敛性，将桁架杆件均划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元。
混凝土桥面板被看成是各向同性的均质材料，且不考虑钢筋的作用，桥面板既可承受压力亦可承受拉力，且不会开裂而导致刚度降低。
所有构件均在弹性范围内工作，其应力-应变关系符合胡可定律，所有由于加工制造和安装原因导致的缺陷、偏心和残余应力影响均不考虑。
分别计算纯钢桁架结构和钢桁架混凝土组合结构在结构自重+活载（汽车荷载）下的位移和应力。
对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定，桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。
钢筋桁架楼承板技术性能与工程应用
钢筋桁架楼承板技术性能与工程应用一、概述钢筋桁架楼承板是将楼板中的受力钢筋在工厂内焊接成钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌钢板焊接成整体，形成模板和受力钢筋一体化建筑制品。
钢筋桁架楼承板是在施工阶段能够承受湿混凝土及施工荷载，在使用阶段钢筋桁架成为混凝土配筋，承受使用荷载的新技术。
采用钢筋桁架楼承板的混凝土楼板兼有传统现浇混凝土楼板整体性好、刚度大、防火性能好，及压型钢板组合楼盖无模板、施工快的优势，钢筋桁架楼承板桁架受力模式合理，可调整桁架高度与钢筋直径,实现更大跨度。
采用钢筋桁架楼承板的钢-混凝土组合楼盖，可减少次梁，抗剪栓钉焊接速度快，施工质量稳定。
作为一种成熟的新技术，钢筋桁架楼承板已在国内外建筑工程中大量应用，在多高层建筑中具有广阔的应用前景。
钢筋桁架楼承板将混凝土楼板中的钢筋与施工模板组合为一体，所以在施工阶段能够承受湿混凝土自重及施工荷载的承重构件，并且该构件在施工阶段可作为钢梁的侧向支撑使用。
在使用阶段，钢筋桁架与混凝土共同工作，共同承受使用荷载。
与传统的施工方法不同，在施工现场，可以将钢筋桁架楼承板直接铺设在梁上，然后进行简单的钢筋工程，便可浇筑混凝土，楼板施工不需要架设木模板及脚手架，底部镀锌钢板仅做模板用，不替代受力钢筋，故不需考虑防火喷涂及防腐维护的问题，可采用最薄的钢板。
并且，楼板的主要受力钢筋在自动控制生产线上进行定位和焊接成型，钢筋排列均匀，位置准确，施工快速，可减少现场钢筋绑扎工作量70%左右，大大缩短工期，并节省成本。
上下两层钢筋间距及混凝土保护层厚度能充分得到保证，为提高楼板施工质量创造了有利条件。
钢筋桁架楼承板将钢筋骨焊成整体，整体刚度大，楼板浇筑混凝土时变形小，一般无需加临时支撑，而且可承受更大的施工阶段荷载。
二、钢筋桁架楼承板的经济和技术优势（1）施工速度快钢筋桁架楼承板直接支承在钢梁或混凝土梁上，本身既是混凝土楼板的受力钢筋，也是施工脚手架更是混凝土楼板的模板，节省了搭设脚手架和支模板的时间。
钢—混凝土组合结构概况
一钢—混凝土组合结构概况（一）钢—混凝土组合结构的一般概念组合结构定义：组合结构的种类繁多，从广义上讲，组合结构是指两种或多种不同材料组成一个结构或构件而共同工作的结构（Composite Structure）。
钢—混凝土组合结构是继木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构之后发展兴起的第五大类结构。
从广义概念上看，钢筋混凝土结构就是具有代表性的组合结构的一种。
组合结构分类：组合结构通常是指钢—混凝土组合结构，其中钢又分为钢筋和型钢，混凝土可以是素混凝土也可以是钢筋混凝土。
国内外常用的钢—混凝土组合结构主要包括以下五大类：（1）压型钢板混凝土组合板；（2）钢—混凝土组合梁；（3）钢骨混凝土结构（也称为型钢混凝土结构或劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构。
（二）钢—混凝土组合结构的发展概况钢—混凝土组合结构这门学科起源于本世纪初期。
于本世纪二十年代进行了一些基础性的研究。
到了五十年代已基本形成独立的学科体系。
至今组合结构在基础理论，应用技术等方面都有很大的发展。
目前钢—混凝土组合结构在高层建筑、桥梁工程等许多土木工程中得到广泛的应用，并取得了较好的经济效益。
在国外，钢—混凝土组合结构最初大量应用于土木工程旨在二次世界大战结束后，当时的欧洲急需恢复战争破坏的房屋和桥梁，工程师们采用了大量的钢—混凝土组合结构，加快了重建的速度，完成了大量的道路桥梁和房屋的重建工程。
1968年日本十胜冲地震以后，发现采用钢—混凝土组合结构修建的房屋，其抗震性能良好，于是钢—混凝土组合结构在日本的高层与超高层中得到迅速发展。
60年代以后世界上许多国家（包括英、美、日、苏、法、德）根据本国的试验研究成果及施工技术条件制定了相应的设计与施工技术规范。
1971年成立了由欧洲国际混凝土委员会（CES）、欧洲钢结构协会（ECCS）、国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁及结构工程协会（IABSE）组成的组合结构委员会，多次组织了国际性的组合结构学术讨论会，并于1981年正式颁布了《组合结构》规范。
铁路新型80m钢—混凝土组合桁梁桥施工技术
图 １ 钢一 混凝 土组 合 桁 梁
２ 工 程 特 点
梁 结构 形式 ， 它能充 分发 挥不 同材料 的优点 ， 具有 重量
轻 和跨越 能力 强等 特点 。钢结构 部分 只有 腹杆 、 节点 、 横 撑 ， 工难 度大 。腹杆 、 施 节点 板 的加工精 度 、 整度 、 平 拼装精 度要求 高 。钢 结构 安 装 过程 中 ， 需要 设 计 临 时 附属杆 件 ， 以保证 线形 和稳定 。在施 工过程 中 ， 由于 桥
形协 调 问题极 为复 杂 ， 再考 虑到 施工 过程 中结构 自重 、 施 工荷载 以及 混凝 土材 料 的收 缩徐 变 ， 质 特 性 的不 材
作者简介： 秦瑞 耀 （ ９７ ） 男 ， 南 省 博 爱 县 人 ， １５ 一 ， 河 工程 师 。
２１ ０２年 第 ８期
铁 路 新 型 ８ 钢 一 混 凝 土组 合桁 梁 桥 施 工 技 术 ０ｍ
９
稳定 性 和周 边环境 温 度 变 化 等 因 素影 响 ， 有 这 些 都 所
使 施 工 过 程 中 桥 梁 结 构 各 个 施 工 阶 段 的 内 力 和 应 力 不
拼装 时 ， 证 板 层 密 贴 ， 栓 用 量 为 总 螺 栓 数 的 １ ３ 保 螺 ／ ，
并 且 用 试 孔 器 检 查 所 有 螺 栓 孔 （ 节 点 处 螺 栓 孔 应 即
３ ３ ２ 现 场 吊装 ． ．
３ 施 工 方 法
３ １ 施 工 总 体 方 案 ．
桥梁 跨越 高速 公路 ， 高速公 路斜 交 ， 墩 身紧挨 与 桥
公 路 边 坡 ， 工 场 地 受 到 限 制 ， 工 条 件 差 。 另 外 高 速 施 施
对钢--混凝土组合梁抗弯承载力的认识
对钢--混凝土组合梁抗弯承载力的认识西平铁路后河村特大桥：有着亚洲铁路“第一跨”之称的西平铁路后河村特大桥８０米钢－混凝土组合桁架梁。
钢--混凝土组合梁由于能充分发挥钢材和混凝土各自的材料特性，使其在桥梁结构中大量被采用，成为第五大类结构。
钢--混凝土组合梁最初的计算方法是基于弹性理论的换算截面法，即假设钢材与混凝土均为理想弹性体，两者连接可靠，完全共同变形，通过弹性模量比将两种材料换算成一种材料进行计算。
然而，钢材和混凝土都是弹塑性材料，需要考虑塑性发展带来承载力的提高。
我国现行的涉及组合梁计算的规范中，《钢结构设计规范》和《钢--混凝土组合结构设计规程》规定，组合梁的计算可采用塑性设计方法，考虑全截面的塑性发展，但都没有考虑钢梁与混凝土桥面板的相对滑移对承载能力的影响。
钢-混凝土组合梁的欧洲分类《欧洲规范4》根据截面的转动能力将钢-混凝土组合梁分为四类。
第一类截面能够形成塑性铰，具有满足塑性分析所需要的转动能力，截面的最大承载力大于全塑性弯矩Mp1；第二类截面的最大承载力能够达到全塑性弯矩Mp1，但塑性铰的转动会受到局部屈曲或者混凝土破坏的限制；第三类截面中，由于局部屈曲阻碍了截面塑性抗弯能力的发展，截面的最大抗弯能力仅能达到弹性弯矩Me1；第四类截面为钢梁受压截面提前发生屈曲，使其不能达到屈服强度，截面的最大承载力不能达到弹性弯矩Me1。
四类截面的划分情况详见图1。
Mp1和Me1分别为截面的塑性抗弯强度和弹性抗弯强度。
图1 欧洲规范对四类截面的划分剪力连接键是组合梁的关键部位。
根据剪力连接键所能提供的抗力与组合梁达到完全塑性截面应力分布时纵向剪力的关系，可将组合梁分为完全抗剪连接组合梁和部分抗剪连接组合梁。
完全抗剪连接是指抗剪连接件的纵向水平抗剪承载力能够保证最大弯矩截面上抗弯承载力得以充分发挥的连接，否则则为部分抗剪连接。
从定义中可以看出，抗剪连接件的设计会影响到组合梁的抗弯承载力。
因此在《欧洲规范4》中分别给出了完全抗剪连接和部分抗剪连接下组合梁的抗弯承载能力。
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
组合结构设计原理 第2版 第6章 钢-混凝土组合梁
第六章 钢-混凝土组合梁
主讲人
目录
content
6.1 钢－混凝土组合梁的概念和特点 6.2 组合梁的构造要求 6.3 组合梁的设计方法 6.4 简支组合梁的弹性设计方法 6.5 简支组合梁的塑性设计方法 6.6 组合梁的纵向抗剪计算 6.7 组合梁抗剪连接件的计算 66.8 组合梁的变形计算 6.9 连续组合梁设计方法 本章小结
由混凝土板和钢梁组成的楼盖中，如果在两者交界面处没有连接构造措施，在弯矩作用下，混凝土板截面和 钢梁截面的弯曲变形相互独立，各自有其中和轴。如果忽略交界面处的摩擦力，两者之间必定发生相对水平滑移 错动，因此其受弯承载力为混凝土板受弯承载力和钢梁受弯承载力之和，这种梁称为非组合梁（图6-1）。
（a）交界面的滑移错动
（a）交界面的滑移错动
（b）交界面应力
应变
弹性应力 塑性应力
（c）截面应力、应变分布示意图
图6-2 组合梁受力情况及截面应力、应变分布示意图
剪应力
当钢梁与混凝土板间设置的抗剪连接件数量较少，受剪承载力不足时，梁在弯矩作用下的受力状态介于非组 合梁和组合梁之间，混凝土翼板和钢梁上翼缘交界面处产生一定的相互滑移，这种梁称为部分抗剪连接组合梁。 相应设置了足够数量抗剪连接件的组合梁也称为完全抗剪连接组合梁。部分抗剪连接组合梁的受弯承载力和刚度 介于非组合梁和完全抗剪连接组合梁之间。一般用于跨度不超过20m，以承受静力荷载为主、且没有太大集中荷 载的等截面组合梁。在满足设计要求的情况下，采用部分抗剪连接也可以获得较好的经济效益。
6.1 钢－混凝土组合梁的概念和特点
6.1.1 钢－混凝土组合梁的概念
组合梁有两类：一种是将钢筋混凝土板锚固在钢梁上形成的组合梁（Composite Beam）；另一种是将型钢 或焊接钢骨架埋入钢筋混凝土梁而形成的组合梁，又称为型钢混凝土梁（Steel Reinforced Concrete Beam，或 Concrete Encased Steel Beam）。本章介绍的组合梁是指第一种钢－混凝土组合梁。
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钢一 混凝 土组合桁架梁性能分析
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钢一 混凝土 组合桁架梁 （ Ｓ Ｃ Ｃ Ｔ Ｇ） 是 在 普 通 组 合
（ １ ．郑 州 大学 土 木 工 程 学 院 ， ４ ５ ０ ０ ０ １ ， 郑 州 ；２ ． 台 州 职 业技 术学 院 土 木 工 程 系 ， ３ １ ８ ０ ０ ０ ，浙 江 台 州 ； ３ ． 国 强建 设 集 团有 限 公 司 ， ３ １ ８ ０ ０ ０ ， 浙 江 台卅｛ ）
摘 要 ：通 过将 普 通 工字 钢 组合 梁 的理 论 计 算结 果 与Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 有 限 元软 件模 拟 分析 结 果进 行 比较 分 析 ， 验 证 有 限 元模 型 的合 理 性 。 通过 有 限 元软 件对 比分析 普 通 工字 钢 组合 梁 、 钢 桁 架梁 和 钢一 混凝 土 组 合桁 架 梁 （ Ｓ Ｃ Ｃ Ｔ Ｇ） 在 同工况 作 用下 的受 力性 能 。结 果 表 明Ｓ Ｃ Ｃ Ｔ Ｇ 的跨 中挠 度 小于 前 两者 ， 用钢 量 比 普通 工 字钢 组 合梁 节约２ ２ ． ６ ％， 说明Ｓ Ｃ Ｃ Ｔ Ｇ 在 受 力性 能 和工 程 造价 上 都具 有 明 显 的优 势 。 关键 词 ： 钢一 混凝 土 组合 梁 ；组 合 桁 架 ；受 力性 能
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