鋼—混凝土混合結構組合梁設計探討

摘要：通過茂名職業(yè)技術學院飯?zhí)么罂缍冉M合梁設計實例，闡述了鋼-混凝土混合結構組合梁的設計思路和方法。工程實踐表明，混合梁設計方法選擇非常重要，方法不當就達不到所需的設計效果。

關鍵詞：鋼-混凝土混合結構組合梁;設計

鋼-混凝土混合結構組合梁（簡稱鋼-混組合梁）是通過抗剪連接件將混凝土翼板與鋼梁連成整體受力的組合梁。抗剪連接件是栓釘、槽鋼、彎起鋼筋等嵌入混凝土翼板中的構件，目的是保證混凝土翼板與鋼梁共同工作。混凝土翼板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板或壓型鋼板混凝土組合板、預制鋼筋混凝土板等，其在組合梁中用作受壓翼緣，可保證鋼梁的側向整體穩(wěn)定性。鋼梁采用工字型（H型）、槽型、箱形、桁架等截面的鋼梁，在組合梁內主要承受拉力和剪力，其上翼緣焊接有抗剪連接件，并支撐混凝土翼板。鋼-混組合梁有帶板托和不帶板托兩種形式，板托雖具有受力好的特點，但因增加了施工支模的困難，所以多不設置板托。與鋼筋混凝土梁或鋼梁相比，鋼-混組合梁的優(yōu)勢是相當明顯的：對于剛度相同的結構，鋼-混組合梁比鋼梁截面高度可降低25%～30%，節(jié)約鋼材20%～40%;承載力相同的結構，鋼-混組合梁比鋼筋混凝土梁自重減輕40%～60%，層高降低，并減少施工支模工序和大量模板，工期可縮短30%～50%[1]。由于這些優(yōu)點，鋼-混組合梁近20～30年來在建筑工程尤其是高層建筑中獲得廣泛應用。本文結合茂名職業(yè)技術學院飯?zhí)么罂缍冉M合梁案例對鋼-混組合梁設計方法進行了探討。

1 工程概況

茂名職業(yè)技術學院飯?zhí)玫厣?層，主體結構采用框架結構。按照建筑要求，1～3層用作學生飯?zhí)茫?層改為室內籃球場，該層層高為7.6m，由于建筑需要，取消了中間兩排框架柱，導致屋面梁跨度達到21.6m，如圖1所示。按普通鋼筋混凝土梁進行設計，混凝土強度等級采用C30，配筋調整系數(shù)取1.3，屋面板厚為120mm，計算截面需要（寬×高，mm）700×1800，室內凈高已不能滿足建筑使用要求。通過前面分析，鋼-混組合梁具有承載力高、梁高跨比小、施工便捷的優(yōu)點，所以本工程屋面梁決定采用鋼-混組合梁。

2 鋼-混凝土混合結構組合梁設計方法

2.1 組合梁設計方法的選擇

組合梁可以采用彈性方法和塑性方法進行設計，當組合梁塑性中和軸位于混凝土板內，或者塑性中和軸位于鋼梁內且同時鋼梁受壓翼緣及腹板滿足寬（高）厚比要求時，可采用塑性方法進行截面計算，否則應采用彈性方法進行設計[2]。寬厚比要求在《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017-2003）表9.1.4有具體規(guī)定。一般將滿足塑性設計要求的截面稱為密實截面，滿足彈性設計要求截面稱為纖細截面[3]。另外，根據(jù)受力特點，組合梁分為簡支組合梁和連續(xù)組合梁，后者在中間支座負彎矩區(qū)的連接構造復雜，受力變形計算也更加繁瑣，結合本例實際情況按照簡支組合梁進行計算，組合梁兩端與框架柱鉸接（如圖3所示），可減小柱頂彎矩。擬定組合梁的截面形式如圖2（a），鋼梁材料Q235，鋼梁翼緣寬度=200mm =666mm =11mm;屋面板混凝土強度取C30 =120mm，沒有板=0，混凝土翼板鋼筋選用CRB550。先來確定組合梁塑性中和軸的位置，如果在鋼梁內看是否滿足板件寬厚比要求。

2.2鋼梁截面特性計算

鋼梁截面積=14126mm2。鋼梁中和軸至鋼梁頂面距=350mm。鋼梁中和軸至鋼梁底面距=350mm。鋼梁截面慣性=1.06×109mm4。鋼梁上、下翼緣彈性抵抗=3.04×106mm3。

2.3組合梁截面特性計算

鋼與混凝土彈性模量=2.06×105/（3.00×104）=6.87。混凝土翼板有效寬，計算=200+720+720=1640mm。混凝土板計算截面積=196800mm2，換算成鋼截面的組合截面積=42786mm2，混凝土頂面到鋼梁截面中和軸距離=470mm，混凝土頂面至組合梁截面中和軸距離=195mmgt;120mm，組合梁截面中和軸在鋼梁內，所以應進行寬厚比計算。鋼梁翼緣=[200/2-（11/2）]/17=5.56lt;=9.00;鋼梁腹板，因=0.08lt;0.37，所以應按下式計算=60.55lt;=63.72，因此應采用塑性方法進行設計。

混凝土板的截面慣性矩=2.36×108mm4。換算成鋼截面的組合截面慣性矩=2.69×109mm4。

2.4抗剪連接件設計

由于組合梁截面采用塑性方法設計，所以抗剪連接件也要采用塑性方法設計[2]。抗剪連接件選用16圓柱頭栓釘，焊釘高度100mm，截面積=201.1mm2。單個圓柱頭栓釘連接件抗剪承載力=min（56.63，50.5）=50.5kN。簡支組合梁無負彎矩區(qū)段，正彎矩區(qū)段鋼梁與混凝土翼板接觸面上的縱向水平剪力=min（2814.24，3037.09）=2814.24kN。半跨圓柱頭栓釘數(shù)量=55.73≈56個，沿梁半跨方向設置雙列栓釘，縱向間距=386mmgt;4d=64mm，并且=480mm，取=380mm。所以確定組合梁采用16圓柱頭栓釘，間距380mm，高度100mm。

2.5施工階段驗算

（1）荷載計算：鋼梁密度=78.5kN/m2，自重=1.33kN/m;屋面板自重3.0kN/m2;鋼梁上作用的恒載標準值=26.53kN/m，設計值=1.2=31.84kN/m。施工活載1.5kN/m2;鋼梁上作用的施工活載標準值=1.5×8.4=12.6 kN/m，設計值=1.4=17.64 kN/m。

（2）內力計算：恒載產生的彎矩設計值=1856.72kN·m，剪力設計值=343.84kN。活載產生的彎矩設計值=1028.76kN/m，剪力設計值=190.51 kN。鋼梁上作用的彎矩設計值=2885.49kN/m，剪力設計值=534.35 kN。

（3）鋼梁承載能力計算：鋼梁采用彈性方法計算，上翼緣=949.19 N/mm2gt;215 N/mm2，下翼緣=949.19N/mm2gt;215N/mm2。腹板=72.94 N/mm2lt;125N/mm2。撓度=506mmgt;=54mm。所以鋼梁下需加臨時支撐，假定在梁跨中②、③處加支撐，算出=點擊并拖拽以移動=105.45N/mm2lt;215N/mm2，點擊并拖拽以移動 =24.31N/mm2lt;125N/mm2，點擊并拖拽以移動 =6.2mmlt;54mm，可以滿足施工要求。

2.6使用階段驗算

采用塑性方法進行計算時，需要區(qū)分第一類截面和第二類截面，本實例組合梁塑性中和軸位于鋼梁內，應按第二類截面進行計算，圖2（b）為該類截面的應力圖。

（1）荷載計算：頂棚荷載0.2kN/m2，點擊并拖拽以移動 =0.2×8.4=1.68kN/m，點擊并拖拽以移動 =1.2點擊并拖拽以移動=2.02 kN/m。活載0.5 kN/m2，點擊并拖拽以移動 =0.5×8.4=4.2 kN/m，點擊并拖拽以移動 =1.4點擊并拖拽以移動=5.88 kN/m。

（2）內力計算：恒載彎矩設計值點擊并拖拽以移動=117.57 kN·m，剪力設計值點擊并拖拽以移動=21.77 kN。活載彎矩設計值點擊并拖拽以移動=342.92 kN·m，剪力設計值點擊并拖拽以移動= 63.50 kN。組合梁上作用的彎矩設計值點擊并拖拽以移動=460.49 kN·m，剪力設計值點擊并拖拽以移動=85.28 kN。

（3）鋼梁穩(wěn)定性：對于簡支組合梁，混凝土翼板可為鋼梁提供側向支點，所以一般不用計算整體穩(wěn)定性[2]。局部穩(wěn)定性復核，點擊并拖拽以移動 =5.56≤13，點擊并拖拽以移動 =60.55≤80，滿足要求。

（4）組合梁抗彎承載力：受壓區(qū)面積點擊并拖拽以移動=518.26mm2。由于點擊并拖拽以移動=518.26mm2lt;點擊并拖拽以移動=200×17=3400 mm2，所以組合梁塑性中性軸位于鋼梁翼緣內。鋼梁受壓區(qū)高度點擊并拖拽以移動=518.26/200=2.59mm;鋼梁受拉區(qū)合力中心至鋼梁下翼緣頂面距離點擊并拖拽以移動=1.30mm;鋼梁受拉區(qū)合力中心至鋼梁下翼緣底板距離點擊并拖拽以移動=350.0mm;鋼梁受拉區(qū)應力合力中心至混凝土翼板受壓區(qū)應力合力中心距離點擊并拖拽以移動=410.0mm;鋼梁受拉區(qū)應力合力中心至鋼梁受壓區(qū)應力合力中心距離點擊并拖拽以移動=348.7mm。組合梁正截面抗彎承載力點擊并拖拽以移動=1.22518×109N·mm=1192.7kN·mgt;點擊并拖拽以移動=460.49kN·m，所以組合梁滿足抗彎承載力要求。

（5）組合梁抗剪承載力：點擊并拖拽以移動 =915.75kNgt;點擊并拖拽以移動=85.28 kN，所以組合梁滿足抗剪承載力。

（6）撓度驗算：點擊并拖拽以移動 =1.68+ 4.2=5.88kN/m，點擊并拖拽以移動 =1.68+0.5×4.2=3.78 kN/m。點擊并拖拽以移動=5.539×1014，其中點擊并拖拽以移動=-9.64取0，其中點擊并拖拽以移動=9462.26，點擊并拖拽以移動 =2.30×10-5，點擊并拖拽以移動 =1.68×105 mm2，點擊并拖拽以移動 =1.10×109 mm4。點擊并拖拽以移動=4.69×1014，其中點擊并拖拽以移動=7113.7，點擊并拖拽以移動 =1.23×109 mm4，點擊并拖拽以移動 =1.68×105 mm2，點擊并拖拽以移動 =2.50×10-5，點擊并拖拽以移動 =-10.10取0。組合梁撓度點擊并拖拽以移動=max（30.09，22.84）=30.09mm<點擊并拖拽以移動=54mm。撓度滿足設計要求。

3 結語

在本實例中，鋼-混組合梁的梁高不足普通鋼筋混凝土梁的梁高的一半，說明建筑凈高受到限制時前者的作用非常突出，同時也顯示鋼-混組合梁設計方法非常講究，本實例若以彈性方法進行設計，組合梁的撓度遠遠達不到要求（超過塑性方法的10倍），因此根據(jù)彈性方法和塑性方法的適用條件選擇恰當方法非常重要。

參考文獻：

[1] 賈治龍，楊勇良. 鋼—混凝土組合梁的變形計算問題探討[J]. 山西建筑，2013，39（2）：43-45.

[2] 薛建陽. 鋼與混凝土組合結構[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2007.

[3] 唐潮. 鋼-混凝土簡支組合梁的設計方法及其經濟性分析[J]. 鋼結構，2013，28（11）：49-53，75.