摘要：本文闡述了鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用、組成、形式及特點(diǎn)，基于特定條件下運(yùn)用彈性理論設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效果好的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算方法作了介紹和分析。

關(guān)鍵詞：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu);組合梁;設(shè)計(jì)

鋼梁與混凝土翼板組合，并且因在鋼梁上設(shè)置了抗剪連接件，使鋼梁與混凝土翼板得以共同承受外力，較之單獨(dú)工作的鋼梁或鋼筋混凝土梁承載能力顯著提高，這種結(jié)構(gòu)就稱之為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)組合梁（簡(jiǎn)稱鋼-混凝土組合梁）或鋼與混凝土組合梁。據(jù)介紹^[1]，與獨(dú)立鋼梁比較，鋼-混凝土組合梁可節(jié)省鋼材20%～40%，相應(yīng)地降低造價(jià)10%～30%;與鋼筋混凝土梁比較，鋼-混凝土組合梁施工更便捷，不僅可節(jié)省模板和支撐工序，還可縮短工期，方便安裝管線。由于鋼-混凝土組合梁優(yōu)勢(shì)明顯，因而在工民建工程項(xiàng)目中獲得廣泛應(yīng)用。然而我國(guó)大規(guī)模應(yīng)用鋼-混凝土組合梁主要發(fā)生在最近20余年時(shí)間里，隨著《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 17-88）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）對(duì)鋼-混凝土組合梁的規(guī)范和完善，鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)方法得以推廣和應(yīng)用^[2]。為了更好地開(kāi)展鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)工作，本文對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1鋼-混凝土組合梁的組成、形式及特點(diǎn)

鋼-混凝土組合梁由混凝土翼板、鋼梁、抗剪連接件及板托所組成?；炷烈戆逯饕袚?dān)受壓翼緣作用，在組合梁負(fù)彎矩區(qū)工作，GB 50017-2003第11.1.2條規(guī)定了翼板有效寬度的計(jì)算方法，而實(shí)際翼板寬度大得多，在有效寬度范圍內(nèi)應(yīng)力分布被認(rèn)為是均勻的。鋼梁大部分處于組合梁的受拉區(qū)，主要承受拉力和剪力，在彎矩作用下上翼緣比下翼緣受力小，所以通常上翼緣截面設(shè)計(jì)的更小一些，以節(jié)省鋼材。鋼梁截面有工字形、槽鋼形、箱形、蜂窩形、鋼桁架等多種形式?？辜暨B接件是為了確保鋼梁與混凝土翼板共同工作的關(guān)鍵構(gòu)件，以限制鋼梁與混凝土翼板之間相對(duì)滑移和抵抗使兩者產(chǎn)生分離的“揭拉力”?？辜暨B接件常用形式有栓釘、槽鋼和彎筋三種。GB 50017-2003第11.3節(jié)給出了這三種連接件的計(jì)算方法。栓釘不需考慮方向，但槽鋼翼緣肢尖應(yīng)指向水平剪力方向，彎筋傾角方向應(yīng)順著受力方向。板托的作用是增加梁高，節(jié)省鋼材，但也增加了施工支模的工作量，然而設(shè)置板托的好處超過(guò)了不足，一般情況下應(yīng)予設(shè)置，但在梁截面計(jì)算時(shí)可不考慮板托作用。按照受力特點(diǎn)，組合梁分簡(jiǎn)支組合梁和連續(xù)組合梁兩種形式，由于連續(xù)組合梁中間支座負(fù)彎矩區(qū)構(gòu)造較為復(fù)雜，所以受力狀況比簡(jiǎn)支組合梁復(fù)雜，GBJ 17-88只列入了簡(jiǎn)支組合梁設(shè)計(jì)內(nèi)容，直到GB 50017-2003才補(bǔ)充了連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)的計(jì)算內(nèi)容。從鋼梁與混凝土翼板接觸面的滑移大小，組合梁分為完全抗剪連接和部分抗剪連接，剪力連接程度降低雖會(huì)導(dǎo)致組合梁跨中撓度增加，但部分抗剪連接可有效節(jié)省造價(jià)^[3]。

2鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)

組合梁截面應(yīng)力的計(jì)算可分別采用塑性理論和彈性理論兩種方法進(jìn)行計(jì)算，由于GB 50017-2003推薦塑性理論計(jì)算方法，不少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往忽視了彈性理論的應(yīng)用，事實(shí)上在特定條件下運(yùn)用彈性理論設(shè)計(jì)具有更好的經(jīng)濟(jì)效果。根據(jù)相關(guān)研究^[4]，在鋼截面高度受限制情況下，采用塑性理論設(shè)計(jì)比非組合梁經(jīng)濟(jì)性好，但是在組合梁跨度不大的情況下，采用彈性理論設(shè)計(jì)比塑性理論設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效果更好，例如樓面跨度在9～15m時(shí)，彈性理論設(shè)計(jì)方案比塑性理論設(shè)計(jì)方案可節(jié)省用鋼量7.5%～28%。這是因?yàn)榻M合梁跨度較小時(shí)，塑性理論設(shè)計(jì)方案由于要兼顧寬厚比，梁截面難以設(shè)計(jì)得太小，導(dǎo)致其剛度和承載力的浪費(fèi)，但彈性理論設(shè)計(jì)方案梁截面可以設(shè)計(jì)得更輕薄，通過(guò)增加鋼梁高度獲得更大的抗彎性能和剛度，所以兩者經(jīng)濟(jì)效果就有明顯差異。

2.1截面幾何特性

組合梁按彈性理論計(jì)算時(shí)，其截面不考慮塑性鉸出現(xiàn)，鋼梁受壓翼緣的寬厚比可按GB 50017-2003第4.3.8條的公式進(jìn)行計(jì)算。由于鋼梁和混凝土被看作兩種不同的彈性材料，計(jì)算組合梁的截面幾何特性時(shí)需將兩種材料換算為等效的一種材料。截面換算時(shí)，假定混凝土板厚不變，混凝土截面重心沿截面高度方向也不變，則按荷載短期效應(yīng)設(shè)計(jì)的等效寬度為;若按荷載長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到混凝土徐變的影響，混凝土板內(nèi)的應(yīng)力將會(huì)下降，鋼梁內(nèi)的壓力亦會(huì)增加，故將等效寬度調(diào)整為。其中為混凝土翼板的有效寬度，可按GB 50017-2003第11.1.2條公式計(jì)算，為鋼與混凝土彈性模量之比。計(jì)算荷載短期效應(yīng)的截面特性，當(dāng)彈性中和軸位于鋼梁內(nèi)時(shí)，換算為鋼的組合截面，有，式中、分別為混凝土和鋼梁的截面積。如果彈性中和軸位于混凝土板內(nèi)，以彈性中和軸至混凝土板頂?shù)木嚯x代替，得到。換算為混凝土的組合截面，并且彈性中和軸位于鋼梁內(nèi)時(shí)，有;彈性中和軸位于混凝土板內(nèi)時(shí)，混凝土的組合截面積為?？紤]長(zhǎng)期荷載效應(yīng)時(shí)，可將等效寬度代替計(jì)算組合截面積。

2.2截面設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1施工階段

采用彈性理論進(jìn)行組合梁設(shè)計(jì)，需要分別進(jìn)行施工階段和使用階段的計(jì)算。在施工階段，組合梁上的全部荷載都需要由鋼梁承擔(dān)，所以計(jì)算內(nèi)容也就是鋼梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。鋼梁截面正應(yīng)力與剪應(yīng)力可按GB 50017-2003第4.1.1和4.1.2條公式計(jì)算，其中正應(yīng)力如圖1（a）所示。變形驗(yàn)算，可按計(jì)算撓度，其中為施工恒載與施工活載產(chǎn)生的均布荷載，為鋼梁跨度，為鋼的彈模，鋼梁截面慣性積，為構(gòu)件允許撓度。

2.2.2使用階段

使用階段，鋼梁和混凝土翼板共同承擔(dān)組合梁上的荷載，所以需按組合截面進(jìn)行計(jì)算。再將兩階段的應(yīng)力疊加，就得到組合梁所受應(yīng)力。

考慮短期效應(yīng)組合，可得到以下正應(yīng)力公式：、、、，其中正應(yīng)力如圖1（b）所示。式中、分別為組合梁中的鋼梁上、下翼緣正應(yīng)力;、分別為組合梁中的混凝土翼板頂面、底面正應(yīng)力;、分別為施工階段、使用階段荷載產(chǎn)生的彎矩;、分別為鋼梁截面對(duì)上、下翼緣的截面模量;、分別為組合梁換算為鋼的組合截面后對(duì)鋼梁上、下翼緣的截面模量;、分別為組合梁換算為混凝土的組合截面后對(duì)混凝土頂面、底面的截面模量;、分別為鋼、混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合，可得到以下正應(yīng)力公式：，其中正應(yīng)力如圖1（c）所示。式中、分別為考慮混凝土徐變后組合梁中的鋼梁上、下翼緣正應(yīng)力;、分別為考慮混凝土徐變后組合梁中的混凝土翼板頂面、底面正應(yīng)力;、分別為使用階段恒載、活載產(chǎn)生的彎矩;、分別為考慮混凝土徐變后組合梁換算為混凝土的組合截面后對(duì)混凝土頂面、底面的截面模量;其他符號(hào)意義同前。

剪應(yīng)力也按兩階段進(jìn)行疊加，短期效應(yīng)組合的計(jì)算公式為。式中為施工階段恒載產(chǎn)生的剪力;、分別為使用階段恒載、活載產(chǎn)生的剪力;、分別為鋼梁

慣性矩、組合截面慣性矩;、分別為組合梁中在剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)以上部分對(duì)鋼截面、換算截面中和軸的面積矩;為鋼梁腹板厚度;為鋼抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

鋼與混凝土線膨脹系數(shù)相差不大，一般在建筑內(nèi)部的混合梁結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力可忽略，但室外環(huán)境中因混凝土傳熱性比鋼差得多，這個(gè)時(shí)候需要考慮溫度應(yīng)力影響，必要時(shí)還應(yīng)采取保溫隔熱措施。

組合梁撓度可按進(jìn)行計(jì)算，其中、分別為換算為鋼的組合截面慣性積和考慮恒載長(zhǎng)期作用的組合截面慣性積;其他符號(hào)意義同前。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼-混凝土組合梁在我國(guó)大量應(yīng)用的時(shí)間還不太久，一般理解主要承受動(dòng)負(fù)荷的組合梁才適宜采用彈性理論進(jìn)行分析，但實(shí)際上特定條件下不以動(dòng)負(fù)荷為主的場(chǎng)合，運(yùn)用彈性理論也具有經(jīng)濟(jì)效果好的優(yōu)勢(shì)，所以筆者撰此文希望設(shè)計(jì)人員開(kāi)拓視野，運(yùn)用好各種設(shè)計(jì)理論和方法。

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