組合梁與非組合梁在相同荷載作用下用鋼量研究

方鵬飛 姜寶鳳 彭 偉

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

組合梁與非組合梁在相同荷載作用下用鋼量研究

方鵬飛 姜寶鳳 彭 偉

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

對鋼—混凝土組合梁與非組合梁在相同荷載作用下的用鋼量進行了比較，采用結構計算方法，分析了兩種不同構件用鋼量的差異，主要計算了兩種不同構件的截面面積和剪切連接件的數量，以確定用鋼量的大小。

組合梁，非組合梁，剪切連接件，用鋼量

0 引言

近年來鋼—混凝土組合結構取得了不斷的發展，在建筑上的使用越來越廣泛，鋼—混凝土組合梁就是把鋼梁與其上面的現澆鋼筋混凝土板通過抗剪連接件結合成一個整體，并共同工作的一種新型的結構形式[1]，抵抗兩者在接觸面處相對滑移及掀起，使用這種結構提高了結構承載力。組合梁與非組合梁最大的區別就是混凝土板是否作為梁翼緣的一部分，這種結構的優點主要是鋼梁受拉，混凝土板受壓，充分發揮了這兩種材料的特性。混凝土板作為梁的一部分，使梁的剛度增大，不僅增加樓層凈空的高度，而且減輕對地基的荷載[2]。在鋼—混凝土組合梁結構中翼緣板較寬，能夠有效抵抗梁的側向失穩，提高梁的穩定性，改善了鋼梁受壓區的受力狀態，增強了抗疲勞性能[3]。在一般的非組合梁的結構中，鋼梁與鋼筋混凝土板各自承受荷載，并不作為一個整體一起工作，混凝土板只做樓板、屋面。

1 理論分析

鋼—混凝土組合梁和非組合梁的主要差異就是是否有剪切連接件，由于抗剪連接件的使用使鋼梁與混凝土板作為一個整體一起工作，鋼和混凝土之間的結合，使混凝土板作為梁的翼緣和鋼梁共同工作，減少了鋼梁翼緣的高度，并且大大提高了整體的強度和剛度。由于混凝土板的參與工作使受壓區由原來非組合結構的鋼梁上翼緣移動到混凝土板上，使下部受拉區增大提高了原有的非組合結構的承載能力，因此非組合結構和組合結構在相同荷載作用下，組合結構的腹板高度較小。

如圖1所示對兩種結構界面的應力分析。下面我們就比較一下在相同均布荷載作用下，簡支組合梁以及簡支非組合梁的用鋼量[4]。

2 算例分析

某簡支工作平臺，梁的計算跨度為6 m，梁間距為2.25 m，樓板為C20厚140 mm鋼筋混凝土板，板上、下各抹20 m厚水泥砂漿找平層，活荷載取13 kN/m2，組合梁應用了塑性理論;非組合梁考慮了鋼梁截面部分塑性變形，并按完全剪力連接設計抗剪連接，帶滿堂臨時支撐施工，自重和使用活荷載全部由梁承擔，試分析在滿足梁的受彎承載力和變形的前提下，在相同荷載作用時，對比組合梁與非組合梁的用鋼量。

2.1 鋼—混凝土組合梁設計

1)截面特征計算。

按鋼筋混凝土板全部受壓，確定組合梁截面中和軸至板頂的距離x：

Ac=bex=1 980×113=223 740mm2。

組合梁截面見圖2。

考慮混凝土徐變的截面特征計算。

換算成鋼梁截面的組合梁：

2)使用階段組合梁的驗算。

強度驗算：

g1+q1=(10.83+1.2×1.8)+1.4×29.25=53.94kN/m。

behc1fc=1 980×140×11=3 049.2kN,即Af

抗彎剛度為fcybex=11×381×1 980×47.5=394.16kN·m>M,滿足要求。

抗剪強度為fvtwhw=215×10×0.9×250=281.25kN>V=161.82kN，滿足要求。

撓度驗算：

3)連接件計算。

當采用d=22mm，hd=80mm圓柱頭焊釘連接件時：

2.2 非組合梁計算

1)截面特征。

梁選用Ⅰ40a,Wnx=1 090cm3,I=21 720cm4,I/s=34.1,tw=1.05cm,A=89.1cm2。

荷載作用值：

鋼筋混凝土板：0.14×2.25×25=7.88kN/m，上、下砂漿層：0.04×2.25×20=1.80kN/m。

鋼梁本身自重0.676kN/m，恒載作用標準值：

gk1=7.88+1.80+0.68=10.36kN/m。

恒載作用設計值:

g1=1.2×10.36=12.43kN/m。

活載作用標準值:

gk1=13×2.25=29.25kN/m,

活載作用設計值:

q1=1.4×29.25=40.95kN/m。

彎矩、剪力設計值：

強度計算:

σ=Mx/γxWnx=240 210×103/1.05×1 090×103=209.88N/mm2<215N/mm2，滿足要求。

τ=VS/Itw=160 140÷(341×10.5)=44.73N/mm2

2)撓度計算。

3 用鋼量對比

計算多組數據，比較在相同荷載作用下鋼—混凝土組合梁與非組合梁的用鋼量(見表1，圖3)，然后進行分析。

表1 組合梁與非組合梁用鋼量的對比

基于多組數據分析圖3，對相同荷載下兩種不同結構截面面積進行比較，可見兩種不同結構形式的用鋼量的差異。組合梁結構中由于混凝土板參與工作，截面中混凝土板主要受壓，鋼梁受拉，提高了承載能力，對102組數據進行分析，繪制圖4折線圖更直觀的反映出組合梁比非組合梁節約鋼材約15%～30%。

4 結語

本文通過一個算例對兩種相似的結構形式進行比較，理論分析進一步討論了在相同荷載作用下這兩種結構的用鋼量的大小，計算表明鋼—混凝土組合梁結構比非組合梁結構在相同荷載作用下節約鋼材約15%～30%。明顯的降低了結構的造價，又增大使用空間，并且使用效果良好[5]。

[1] 楊 超，李青寧，豐維方，等.鋼—混凝土組合梁的等效截面[J].四川建筑科學研究，2012,38(1)：37-38.

[2] 施佳佳，胡夏閩.鋼—混凝土組合梁穩定性能研究綜述[J].江蘇建筑，2013(4):26-27.

[3] 聶建國，崔玉萍.鋼—混凝土組合梁在單調荷載下的變形及延性[J].建筑結構學報，1998，19(2)：30.

[4] 嚴正庭.鋼—混凝土組合梁與非組合梁的設計對比[J].工業建筑，1991(3)：31-35.

[5] 夏再海.鋼—混凝土組合結構的特點和應用[J].福建建材，2007(1):70.

Research on steel quantity of composite beam and non-composite beam under the same load

Fang Pengfei Jiang Baofeng Peng Wei

(CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper compared the steel quantity of steel-concrete composite beam and non-composite beam under the same load, using the structure calculation method, analyzed the steel quantity differences of two different components, mainly calculated the cross section area and shear connectors numbers of two different components, so as to determine the size of steel quantity.

composite beam, non-composite beam, shear connector, steel quantity

2015-06-10

方鵬飛(1991- )，男，在讀碩士； 姜寶鳳(1991- )，女，在讀碩士； 彭 偉(1988- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)23-0021-03

TU375.1

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