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(xué)土木工程與建筑學(xué)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(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

對(duì)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(jìn)行了比較，采用結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，分析了兩種不同構(gòu)件用鋼量的差異，主要計(jì)算了兩種不同構(gòu)件的截面面積和剪切連接件的數(shù)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(lái)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)取得了不斷的發(fā)展，在建筑上的使用越來(lái)越廣泛，鋼—混凝土組合梁就是把鋼梁與其上面的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板通過(guò)抗剪連接件結(jié)合成一個(gè)整體，并共同工作的一種新型的結(jié)構(gòu)形式[1]，抵抗兩者在接觸面處相對(duì)滑移及掀起，使用這種結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)承載力。組合梁與非組合梁最大的區(qū)別就是混凝土板是否作為梁翼緣的一部分，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要是鋼梁受拉，混凝土板受壓，充分發(fā)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(duì)地基的荷載[2]。在鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)中翼緣板較寬，能夠有效抵抗梁的側(cè)向失穩(wěn)，提高梁的穩(wěn)定性，改善了鋼梁受壓區(qū)的受力狀態(tài)，增強(qiáng)了抗疲勞性能[3]。在一般的非組合梁的結(jié)構(gòu)中，鋼梁與鋼筋混凝土板各自承受荷載，并不作為一個(gè)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(gè)整體一起工作，鋼和混凝土之間的結(jié)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(qiáng)度和剛度。由于混凝土板的參與工作使受壓區(qū)由原來(lái)非組合結(jié)構(gòu)的鋼梁上翼緣移動(dòng)到混凝土板上，使下部受拉區(qū)增大提高了原有的非組合結(jié)構(gòu)的承載能力，因此非組合結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下，組合結(jié)構(gòu)的腹板高度較小。

如圖1所示對(duì)兩種結(jié)構(gòu)界面的應(yīng)力分析。下面我們就比較一下在相同均布荷載作用下，簡(jiǎn)支組合梁以及簡(jiǎn)支非組合梁的用鋼量[4]。

2 算例分析

某簡(jiǎn)支工作平臺(tái)，梁的計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)抗剪連接，帶滿堂臨時(shí)支撐施工，自重和使用活荷載全部由梁承擔(dān)，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(shí)，對(duì)比組合梁與非組合梁的用鋼量。

2.1 鋼—混凝土組合梁設(shè)計(jì)

1)截面特征計(jì)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?shù)木嚯xx：

Ac=bex=1 980×113=223 740mm2。

組合梁截面見(jiàn)圖2。

考慮混凝土徐變的截面特征計(jì)算。

換算成鋼梁截面的組合梁：

2)使用階段組合梁的驗(yàn)算。

強(qiáng)度驗(yàn)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(qiáng)度為fvtwhw=215×10×0.9×250=281.25kN>V=161.82kN，滿足要求。

撓度驗(yàn)算：

3)連接件計(jì)算。

當(dāng)采用d=22mm，hd=80mm圓柱頭焊釘連接件時(shí)：

2.2 非組合梁計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值：

gk1=7.88+1.80+0.68=10.36kN/m。

恒載作用設(shè)計(jì)值:

g1=1.2×10.36=12.43kN/m。

活載作用標(biāo)準(zhǔn)值:

gk1=13×2.25=29.25kN/m,

活載作用設(shè)計(jì)值:

q1=1.4×29.25=40.95kN/m。

彎矩、剪力設(shè)計(jì)值：

強(qiáng)度計(jì)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(jì)算。

3 用鋼量對(duì)比

計(jì)算多組數(shù)據(jù)，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(jiàn)表1，圖3)，然后進(jìn)行分析。

表1 組合梁與非組合梁用鋼量的對(duì)比

基于多組數(shù)據(jù)分析圖3，對(duì)相同荷載下兩種不同結(jié)構(gòu)截面面積進(jìn)行比較，可見(jiàn)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的用鋼量的差異。組合梁結(jié)構(gòu)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(duì)102組數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)約鋼材約15%～30%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)算例對(duì)兩種相似的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較，理論分析進(jìn)一步討論了在相同荷載作用下這兩種結(jié)構(gòu)的用鋼量的大小，計(jì)算表明鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)比非組合梁結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下節(jié)約鋼材約15%～30%。明顯的降低了結(jié)構(gòu)的造價(jià)，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(xué)研究，2012,38(1)：37-38.

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

[3] 聶建國(guó)，崔玉萍.鋼—混凝土組合梁在單調(diào)荷載下的變形及延性[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1998，19(2)：30.

[4] 嚴(yán)正庭.鋼—混凝土組合梁與非組合梁的設(shè)計(jì)對(duì)比[J].工業(yè)建筑，1991(3)：31-35.

[5] 夏再海.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)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

A