黃 民

（中節(jié)能建設(shè)工程設(shè)計(jì)院有限公司 四川 成都 610052）

1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是構(gòu)件以勁性型鋼為骨架，骨架周圍配置鋼筋，澆注混凝土后，鋼骨架與外包鋼筋混凝土成為一體所形成的組合結(jié)構(gòu)。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有許多顯著的特點(diǎn)：

1） 在截面尺寸相同的條件下， 可以合理配置較多的鋼材。 受力較大的柱，當(dāng)采用鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)，為了滿足軸壓比的要求，柱截面尺寸往往設(shè)計(jì)較大，形成短柱，降低了延性。 當(dāng)采用型鋼混凝土構(gòu)件時(shí)，型鋼混凝土中的型鋼可不受含鋼率的限制，柱的承載力和變形能力有效地提高了。 對(duì)于高層建筑，采用型鋼混凝土構(gòu)件，構(gòu)件截面減小，可以增加使用面積。 對(duì)于大跨度梁，當(dāng)采用鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)，梁截面高度較大，難以滿足建筑凈高的要求，改用型鋼混凝土構(gòu)件就很容易滿足要求。

2）由于鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力，型鋼混凝土構(gòu)件的變形能力強(qiáng)，具有良好的延性與耗能性能，抗震性能好。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)特別適用于地震區(qū)。

3） 當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、 上部為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，為避免結(jié)構(gòu)樓層剛度的突變，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為過渡層可以使結(jié)構(gòu)的傳力更為合理。

與鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土具有如下特點(diǎn)：

1）與全鋼結(jié)構(gòu)相比，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約大量鋼材，降低了造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性較好。

2） 混凝土有利于提高型鋼的整體穩(wěn)定性和鋼板的局部穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)剛度大，在風(fēng)荷載和地震作用下，結(jié)構(gòu)的水平位移可嚴(yán)格控制。

3） 包裹在型鋼外面的混凝土兼有構(gòu)件受力和型鋼保護(hù)層的功能，可以取代型鋼表面的鋼材防銹和防火涂料，耐久性好，節(jié)約后期維護(hù)費(fèi)用。

2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

關(guān)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，目前國(guó)際上主要有三種類型：

2.1 考慮外包混凝土對(duì)鋼骨剛度的提高作用，按鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論計(jì)算。 它適用于含鋼量較大的情況。

2.2 假定構(gòu)件內(nèi)的鋼骨與外包混凝土形成一個(gè)整體—變形一致，可套用鋼筋混凝土的有關(guān)計(jì)算理論。

2.3 “強(qiáng)度疊加法”它不要求鋼骨與外包混凝土完全實(shí)現(xiàn)整體工作，認(rèn)為型鋼混凝土構(gòu)件的抗彎能力，等于其中鋼骨的抗彎能力與外包鋼筋混凝土抗彎能力之和。 這是一種計(jì)算簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，比較實(shí)用的方法，計(jì)算結(jié)果偏于保守，應(yīng)用較廣泛。

3 型鋼混凝土構(gòu)件計(jì)算的基本假定

由于型鋼混凝土構(gòu)件是由混凝土、 鋼筋和型鋼三種材料構(gòu)成的組合構(gòu)件，計(jì)算分析比較復(fù)雜。 型鋼混凝土構(gòu)件的主要特點(diǎn)之一是型鋼于混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度比鋼筋于混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度低很多。 特別是在反復(fù)荷載作用下，型鋼與混凝土的粘結(jié)破壞明顯，混凝土受壓區(qū)的裂縫與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，裂縫數(shù)量少但寬度較大。 在到達(dá)極限承載力之前，型鋼與混凝土之間已經(jīng)產(chǎn)生了相對(duì)滑移。 因此，鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算中采用的鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào)的假定不能準(zhǔn)確反應(yīng)構(gòu)件的受力特點(diǎn)。 我國(guó)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》采用了強(qiáng)度疊加方法。

當(dāng)風(fēng)荷載或多遇地震作用參與荷載組合時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是處在彈性范圍的。 當(dāng)型鋼混凝土構(gòu)件的含鋼率較大時(shí)，應(yīng)考慮型鋼對(duì)構(gòu)件剛度的影響。 型鋼混凝土構(gòu)件的剛度為鋼骨與鋼筋混凝土兩部分剛度之和，即

EA=EcAc+EssAss

EI=EcIc+EssIss

GA=GcAc′+GssAss′

式中：Ass、Ac——分別為鋼骨部分、鋼筋混凝土部分的截面面積；

Ass′、Ac′——分別為鋼骨部分、 鋼筋混凝土部分與受力方向平行的腹辦水平截面面積；

Iss、Ic——分別為鋼骨部分、鋼筋混凝土部分的截面慣性矩；

Ess、Ec——分別為鋼骨鋼材、混凝土的彈性模量；

Gss、Gc——分別為鋼骨鋼材、混凝土的剪變模量。

4 型鋼混凝土梁的承載力計(jì)算

型鋼混凝土梁的受力性能與破壞形態(tài)受鋼骨與鋼筋兩部分的影響。 進(jìn)行型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)時(shí)，采用強(qiáng)度疊加公式計(jì)算構(gòu)件截面的承載力。

4.1 型鋼混凝土梁正截面承載力

對(duì)于型鋼混凝土梁，其正截面承載力為鋼骨部分與鋼筋混凝土部分承載力之和，

式中：M——彎矩設(shè)計(jì)值；

式中：γs——鋼骨截面塑性發(fā)展系數(shù)， 對(duì)于工字形截面，γs=1.05；

Wss——鋼骨的凈截面抵抗矩；

fss——鋼骨的抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。鋼筋混凝土部分的受彎承載力，按下式計(jì)算：

式中：As——受拉鋼筋的截面面積；

fsy——受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

hb0——受拉鋼筋截面重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距離；

γhb0——受拉鋼筋面積形心至受壓區(qū)壓力合力作用點(diǎn)的距離。

由于實(shí)際構(gòu)件中鋼骨與混凝土之間存在粘結(jié)力，彼此之間的變形有相互約束作用，所以按簡(jiǎn)單疊加法得到的結(jié)果一般來(lái)說是偏于保守的。

4.2 型鋼湖凝土梁斜截面承載力

型鋼混凝土梁一般跨高比較大， 通常容易發(fā)生彎曲破壞。 當(dāng)由于地震作用引起剪切破壞時(shí)，其破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土梁的情況很接近。 鋼骨浮板的厚度對(duì)受剪開裂的發(fā)生、最大承載力以及延性都有很大的影響，隨著腹板厚度的增大，受剪承載力明顯上升。

實(shí)腹式型鋼混凝土梁的斜截面破壞形態(tài)主要有三種類型：斜壓破壞、剪壓破壞和剪切粘結(jié)破壞。 在沒有箍筋或箍筋很少，且剪跨比較大的情況下，型鋼混凝土梁受剪破壞時(shí)，在鋼骨上下翼緣附近產(chǎn)生許多劈裂裂縫，使保護(hù)層混凝土產(chǎn)生較大范圍的剝落，這種破壞形式稱為剪切粘結(jié)破壞。

型鋼混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁的受剪性能有很大差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在斜裂縫出現(xiàn)時(shí)，荷載—撓度曲線沒有明顯轉(zhuǎn)折，這是由于實(shí)腹式鋼骨具有較大的抗剪剛度，而且腹板在梁中是連續(xù)分布的，對(duì)斜裂縫的開展起著較好的約束作用。 因此，梁的剛度不因混凝土出現(xiàn)斜裂縫部分退出工作而顯著降低。

（2）斜裂縫出現(xiàn)以后，梁的承載力可以增加很多，鋼骨腹板使梁的受剪承載力大大提高。

（3）雖然梁由于混凝土的破壞而達(dá)到最大承載力，但從鋼骨腹板屈服到最大承載力之前有一個(gè)較長(zhǎng)的過程，特別是剪壓破壞的梁，而且最大承載力之后，承載力的衰減要比鋼筋混凝土梁緩慢得多，表現(xiàn)出較好的延性。 這是與一般鋼筋混凝土梁斜截面受剪的脆性破壞特征的最大差別。

（4）型鋼混凝土梁中，由于鋼骨與混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度較低，破壞時(shí)受壓側(cè)保護(hù)層混凝土剝離范圍較大，有時(shí)產(chǎn)生剪切粘結(jié)破壞，這在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以防止。 可以通過配置必要的構(gòu)造箍筋，增加鋼骨外圍混凝土厚度等來(lái)提高剪切粘結(jié)破壞承載力。

（5）鋼骨腹板受混凝土的約束不會(huì)發(fā)生局部屈曲，腹板的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。 型鋼混凝土梁的斜截面受剪承載力計(jì)算也可采用強(qiáng)度疊加法。

型鋼混凝土梁斜截面受剪應(yīng)滿足以下要求：

式中：V——剪力設(shè)計(jì)值；

無(wú)地震作用組合

式中：tw——鋼骨腹板的厚度；

hw——鋼骨腹板的高度，當(dāng)有孔洞時(shí)，應(yīng)扣除孔洞的尺寸；

fssv——鋼骨腹板的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

均布荷載作用下：

集中荷載作用下：

有地震作用組合

式中： fyv——箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Asv——同一截面箍筋各肢面積之和；

λ——計(jì)算截面的剪跨比；

s——梁箍筋間距；

βc——混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。

型鋼混凝土梁的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足下列要求：無(wú)地震作用組合 V≤0.4fcbbhb0

有地震作用組合 V≤0.35fcbbhb0/γRE

梁中鋼筋混凝土部分的受剪承載力應(yīng)滿足規(guī)定的受剪截面限制條件：

5 型鋼混凝土梁的變形和裂縫寬度驗(yàn)算

型鋼混凝土梁除了要滿足承載能力要求，進(jìn)行抗彎和抗剪承載力驗(yàn)算外，還要滿足進(jìn)行在正常使用條件下的變形和裂縫寬度驗(yàn)算。

5.1 型鋼混凝土短期剛度

式中：αE——鋼筋與混凝土彈性模量之比；ρ——受拉鋼筋配筋率；

ftk——混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5.2 長(zhǎng)期荷載作用下的剛度

Mk——型鋼混凝土梁截面承受的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值；

Mlk——型鋼混凝土梁在長(zhǎng)期荷載組合下的彎矩。

5.3 變形計(jì)算

在計(jì)算型鋼混凝土梁的撓度時(shí)，可假定各彎矩同號(hào)區(qū)段內(nèi)梁的抗彎剛度相同， 取該區(qū)段內(nèi)最大彎矩截面相應(yīng)的剛度，即最大剛度原則，采用荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合影響的長(zhǎng)期剛度，按材料力學(xué)的方法計(jì)算。

5.4 裂縫寬度驗(yàn)算

型鋼混凝土梁構(gòu)件的裂縫開展機(jī)理，與鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同。 計(jì)算型鋼混凝土梁的裂縫寬度時(shí)，可將鋼筋混凝土部分視為鋼筋混凝土梁。 混凝土部分承擔(dān)的彎矩為Mkrc，將鋼骨受拉翼緣視為受拉鋼筋，考慮其對(duì)裂縫間距的影響。

式中：c——受拉鋼筋的保護(hù)層厚度，mm；de——折算鋼筋的直徑；ρte——按有效受拉混凝土面積計(jì)算的縱向配筋率；σsk——在短期荷載效應(yīng)組合下受拉鋼筋的應(yīng)力。

6 小結(jié)

型鋼混凝土梁的設(shè)計(jì)方法有多種， 這里只是按強(qiáng)度疊加法簡(jiǎn)單地介紹了型鋼混凝土梁的承載力計(jì)算和變形寬度驗(yàn)算。 這種方法簡(jiǎn)單，靈活，計(jì)算結(jié)果偏于保守。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高剛度大，延性好，抗震能力強(qiáng)，防火防腐性能好以及便于施工等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于高層、超高層建筑。

［1］彭偉.現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論[M].西南交通大學(xué).

［2］彭少民.混凝土結(jié)構(gòu)：下冊(cè)[M].2 版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004，4.

［3］邱洪興，舒贛平，等.建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2002，3.