钢混凝土组合梁在我国的研究及应用

第３２卷第２期１９９９年４月土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬＶ０１．３２Ｎｏ．２Ａｐｒ．１９９９

钢一混凝土组合梁在我国的研究及应用

聂建国（清华大学）佘志武（长沙铁道学院）

摘要近年来，钢一混凝土组合梁结构在我国发展很快，在建筑和桥梁结构等领域已经得到越来越多的应用，取得了显著的技术经济效益和社会效益。本文较为系统地阐述组合梁在我国的研究和应用情况，并指出了有关钢一混凝土组合梁方面值得进一步研究的问题。关键词钢一混凝土组合梁研究应用

１引言

钢一混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。近年来，钢一混凝土组合结构在我国的应用实践表明，它兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，将成为结构体系的重要发展方向之一。作为组合结构体系中重要横向承重构件的钢一混凝土组合梁在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。限于篇幅，本文将重点介绍钢一混凝土组合梁结构在我国的研究和应用情况。

２钢－混凝土组合梁在我国的研究概况

钢一混凝土组合梁结构在美国、日本、欧洲等发达国家已经得到了较广泛的应用。但是，组合梁在我国的研究起步比较晚。在我国改革开放以前，虽有少数工程曾经应用过钢一混凝土组合梁，但当时未考虑组合效应而仅仅把它作为强度储备提高安全度或者是为了方便施工而已，当时我国有关设计规范都未涉及钢一混凝土组合梁的设计内容。１９７８年以来，原郑州工学院、原哈尔滨建筑工程学院、山西省电力勘测设计院、华北电力设计院和清华大学等单位曾先后对钢一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。剪力连接件是保证钢梁和混凝土翼缘形成组合梁共同工作的关键元件。８０年代初，我国尚没有栓钉焊接设备，应用组合梁不得不采用较早期的连接件型式——槽钢和弯筋连接件。１９８３年开始，郑州工学院对槽钢连接件进行了较为系统的试验研究，得到了槽钢剪力连接件的破环形态、极限承载力计算公式和极限承载力上限值等［１］。哈尔滨建筑工程学院从１９８４年开始对弯筋连接件进行了较系统的试验，发现弯筋处于拉一剪复杂受力状态，钢梁与混凝土板之间的摩擦作用不能忽略，其承载力均超过钢筋的极限抗拉强度Ａ。ｆ．【２Ｊ。１９８４年开始，郑州工学院、冶金部建筑科学研究院等曾先后研制出国产栓钉焊接设备，为栓钉连接件的推广应用奠定了基础。郑州工学院从１９８６年开始通过推出试验对栓钉剪力连接件进行了较系统的研究ｂＪ。这些成果在当时为制订我国＜钢结构设计规范》（ＧＢＪｌ７—８８）有关剪力连接件设计计算的条文提供了依据。１９８０年，郑州工学院进行了２根采用槽钢剪力连接件的钢一混凝土简支组合梁试验，证明截面变形近似符合平截面假定ＨＪ。１９８４年，哈尔滨建筑工程学院对采用弯筋剪力连接件的组合梁进行了试验研究和理论分析。这一阶段的试验主要是验证性的，证明国外规范采用简化塑性方法设计组合梁是可行的。从８０年代中期开始，郑州工学院、清华大学等单位对采用栓钉剪力连接件的钢一混凝土组合梁进行了深入的试验研究和理论分析，包括抗弯承载力、刚度、滑移效应、纵向抗剪和栓钉连接件的实际抗剪承载力、混凝土板纵向抗剪计算方法等，提出考虑滑移效应的钢一混凝土组合梁变形计算的折减刚度法，并建立了考虑滑移效应的组合梁截面刚度和抗弯强度的简化实用计算公式［５’６Ｊ。组合梁计算的现行换算截面法不能考虑钢梁

收稿日期：１９９８－－０９－１１　万

方数据·４·土木工程学报１９９９链

与混凝土翼缘交界面之间的滑移效应，导致变形计算值偏小。折减刚度法对组合梁计算分析的换算截面法进行了改进，由于换算截面法是现行组合梁计算理论的重要内容，因此折减刚度法是对组合梁计算理论的发展。建立的考虑滑移效应的组合梁长期刚度计算公式，同时考虑了混凝土徐变和混凝土收缩的影响１７Ｊ。建立的组合梁纵向抗剪计算公式Ｌ８』，为组合梁的横向钢筋设计提供了依据。我国现行《钢结构设计规范》中关于栓钉剪力连接件抗剪设计承载力计算公式过分保守，导致栓钉连接件用量偏多，组合梁造价偏高，施工不便，清华大学通过对组合梁中栓钉剪力连接件实际抗剪承载力的研究，提出放宽其抗剪承载力上限值的建议［９］，使栓钉用量比按照现行规范的要减少４０％以上，成果经受了工程实践的检验¨引。在试验研究的基础上还建立了组合梁的极限变形和延性指标计算公式ｕ１。。１９９５年开始，清华大学等单位对部分剪力连接组合梁进行了试验研究，对现有部分剪力连接组合梁的抗弯强度和挠度计算公式提出了修正建议Ｌｌ２｜，在强度和变形能够满足要求的前提下，采用部分剪力连接组合梁可以取得较好的综合效益。哈尔滨建筑工程学院和郑州工学院及清华大学等单位对钢一混凝土连续组合梁进行了试验研究，探讨了连续组合梁的塑性内力重分布性能、负弯矩截面的抗弯承载力，负弯矩区混凝土翼缘的裂缝宽度、钢梁的局部稳定等问题ｕ３’１４ｊ，在次生破坏能够避免出现时，连续组合梁的中支座弯矩调幅度可达２５％。郑州工学院、山西省电力勘测设计院和清华大学等从８０年代后期开始对钢一混凝土叠合板组合梁（如图１所示）进行了研究。施工程序是将预制钢筋混凝土板支承在工厂制作的焊有栓钉剪力连接件的钢梁上，在铺设完现浇层中的钢筋之后浇灌混凝土，当现浇混凝土达到一定强度时，栓钉连接件使槽口混凝土、现浇层及预制板与钢梁连成整体共同工作，形成钢一混凝土叠合板组合梁，预制板和现浇层相结合形成叠合板。预制板既作为底模承受现浇混凝土自重和施工荷载，又作为楼面板或桥面板的～部分承受竖向荷载，同时还作为组合梁翼缘的一部分参与组合梁的受力。预制板代替了模板、取消了脚手架，使施工速度加快，免去了支模工序，不中断下部交通和便于立体交叉施工。预制板按照设计荷载配置承受正弯矩的受力钢筋并伸出板端，现浇层中在垂直于梁轴线方向配置负弯矩钢筋。负钢筋和伸出板端的“胡子筋”还同时兼作组合梁的横向钢筋抵抗纵向剪力。图１所示的组合梁取消了在预制板端预留凹槽并附设构造钢筋的传统复杂构造做法，是对预制混凝土板组合梁的发展Ｈ５’１引。试验表明，在预制板上表面保持自然粗糙面并附设图１钢一混凝土叠合板组合梁构造

构造抗剪钢筋时，组合梁在发生整体弯曲破坏之前均未发生预制板和现浇混凝土叠合面的剪切破坏。叠合板组合梁具有一般组合梁（即现浇混凝士翼缘组合梁）的良好受力性能，其抗弯强度和刚度可以按照一般组合梁的方法计算。叠合板组合梁构造简单，施工方便，用简单的施工工艺即可获得良好的结构性能。它具有“轻型大跨”、“预制装配”、“快速施工”等特点，符合现代结构的要求和我国基本建设发展的国情。郑州工学院从１９８６年开始对压型钢板混凝土组合板推出试件和钢一压型钢板混凝土简支组合梁进行了试验研究ｎ７｜，对压型钢板肋中栓钉剪力连接件的抗剪承载力公式提出了修正建议，并建议用计算部分剪力连接组合梁的方法计算压型钢板组合梁的极限抗弯强度。高强和高性能混凝土将成为下一个世纪的主要建筑材料，组合结构也将成为下一个世纪结构体系的发展方向之一。将钢梁与高强混凝土结合在一起形成钢一高强混凝土组合梁是把新材料和新结构的有机结合，目前桥梁结构的板面混凝土正在向高强方向发展，以前的研究工作主要限于普通混凝土组合梁。清华大学从１９９６年开始对钢一高强混凝土组合梁进行了研究［１８Ｊ。通过对高强混凝土推出试件和组合梁的试验研究，对栓钉剪力连接件承载力的上限提出了放宽的建议，对混凝土翼缘的纵向抗剪承载力计算公式提出了修正建议以适用高强混凝土组合梁的受力特点。研究结果表明，简化塑性设计方法同样适用于钢一高强混凝土组合梁极限抗弯强度的计算，对栓钉连接件的滑移刚度进行修正后，仍可用折减刚度法计算其变形。高强混凝土组合梁具有刚度增大，剪力连接件用量减少，混凝土翼缘纵向抗剪能力提高，延性增大，耐久性提高，更充分地利用高强度钢材等优点。近年来对桁架组合梁，预应力钢一混凝土组合梁，蜂窝式组合梁等也进行了研究和应用，丰富了钢一混凝土组合梁的型式，拓宽了它的应用范围。

３钢一混凝土组合梁在工程中的应用

３．１多层工业厂房　万

方数据第３２卷第２期聂建国等·钢一混凝土组合梁在我国的研究及应用５

１９８８年开始建设的国家重点建设项目——太原第一热电厂五期工程，由山西省电力勘测设计院设计。该工程的集中控制楼位于两台锅炉之问，处在第一台锅炉的安装通道上，只有在第一台锅炉的大件吊装完，塔吊退出后才能进行全面施工，因此，第一台机组能否早日发电取决于集中控制楼的工期。集中控制楼楼面设计荷载为２５．３５ｋＮ／ｍ２。对集中控制楼设计必须选择施工工序简单，便于立体交叉作业和多层同时施工且能最大限度地加快施工速度的结构型式。为此，在钢一混凝土组合楼层的三个方案（现浇楼板、压型钢板一混凝土组合楼板、混凝土叠合楼板组合梁）中选择了叠合板组合梁方案，柱为钢管混凝土柱，通过加强环与组合梁相连，形成了完整的钢一混凝土组合结构体系。当时，由于钢一混凝土叠合板组合梁的应用在国内尚无先例，又无设计规范可循，因此在设计前，山西省电力勘测设计院和郑州工学院合作，对叠合板组合梁进行了试验研究，包括钢筋混凝土简支叠合板、连续叠合板、钢一混凝土叠合板简支和连续组合梁等，成果为叠合板组合楼层结构设计提供了依据。集中控制楼柱网尺寸为７ｍ×９ｍ，次梁沿纵向布置（梁跨９ｍ）并支承在梁跨为７ｍ的主梁上，如图２所示。预制板跨３．５ｍ，宽０．８—２．２ｍ，厚度７０ｉｎｒｎ，预制板中配置了楼板的正弯矩钢筋。在板的上表面沿每米宽布置１列、纵向间距为３００ｍｍ、直径为声６构造抗剪钢筋（如图１所示）。浇灌预制板时在其上表面用竹扫帚拉毛以使其具有一定的粗糙度。组合梁混凝土翼缘的横向配筋率为０．７％，包括伸出预制板端１２０ｍｌｎ的“胡子筋”和现浇层中的负钢筋。组合梁中支座弯矩调幅度取１５％。值得指出的是，由于叠合板组合楼层设计在当时尚无规范可循，又没有实例参考，故集中控制楼楼层结构设计偏于保守。尽管如此，它同现浇组合楼层相比，不仅缩短工期１／３，而且由于节省了支模工序和模板等降低造价１８％。与压型钢板组合楼层相比，节省钢材３０％，降低造价７６％。由于缩短工期使第一台机组提前发电所创造经济效益近７００万元。继太原第一热电厂第五期工程之后，第六期工程和阳泉第二发电厂等工程也采用了叠合板组合梁结构。

图２太原第一热电厂柱网布置及组合梁截面

３．２高层建筑北京国际技术培训中心的两幢１８层塔楼，楼盖结构采用冷弯薄壁型钢一混凝土简支组合梁，跨度６ｉｎ，间距１．５ｍ，组合梁全高３００ｍｍ（包括混凝土楼板厚度）。梁的截面如图３所示。组合楼盖结构设计是以试验研究成果为依据的ｕ０｜。栓钉剪力连接件设计采用文献［９］的研究成果，节约栓钉用量达４７％（仅这２幢高层建筑的楼盖结构就节约栓钉近１０万个）。与钢筋混凝土叠合楼板相比较，结构自重降低２９％，水泥消耗节约３４％，钢材消耗节约２２％，木材消耗节约７％，造价降低５％，施工周期缩短２５％，并且使建筑标准提高了一大步，实现了建设部对小康住宅提出的“造价不高水平高，标准不超质量高”的要求，为我国城镇住宅建设提供了一种轻型、优质、大跨的楼盖结构型式，这种新型组合梁在高层建筑楼盖结构中具有广阔的应用前景，有利于推动大开问灵活分隔的高层建筑的发展。图３冷弯薄壁型钢一混凝土组合梁截面