鋼與混凝土組合梁的應用實例

李蔚然（中色科技股份有限公司，河南　洛陽　471039）

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鋼與混凝土組合梁的應用實例

李蔚然
（中色科技股份有限公司，河南洛陽471039）

摘要：組合梁是由鋼梁、鋼筋混凝土板及兩者之間的剪切連接件組成整體而共同工作的一種結構形式。混凝土處于受壓區，鋼梁主要處于受拉區，兩種不同材料都能充分發揮各自的長處，受力合理，節約材料。本文通過一個工程實例，介紹一些該結構形式的技術特點及設計過程中的一些計算及構造細節。

關鍵詞：壓型鋼板組合梁；設計計算；設計方案

一、工程概況

某鋼結構框架廠房，兩層，柱距6m，底層跨度6m，四跨，層高4.2m，二層兩跨12m，層高3.9m，二層樓面采用鋼梁混凝土板，設計樓面活荷載2t/m2，無動力荷載，屋面采用輕型彩鋼板?？拐鹪O防烈度6度，0.05g，地震分組第二組，場地類別二類，地基比較均勻，土質良好。

二、工程設計方案

根據工程基本情況，擬定設計方案采用底層鋼框架，上層門式剛架，樓面沿縱向設置次梁兼做橫向剛架側向支撐，次梁間距3m。次梁采用混凝土-鋼梁組合結構，主剛架梁采用非組合連續鋼梁。剛架采用PKPM-STS鋼結構整體計算。

三、樓板的設計計算

壓型鋼板-混凝土做組合樓板時，鋼板能作為板底受力鋼筋，比非組合樓板更省材料，但是，施工中需要采用比較可靠地連接構造傳遞壓型板與混凝土結合面的縱向剪力，并需要在壓型板上涂刷防火涂料及后期保護性維護。因此本工程采用非組合型樓板，壓型板僅作為混凝土的永久支撐使用，樓板按照普通樓板設計。

四、組合梁的設計

1 組合梁的設計計算原則

組合梁均按照極限狀態設計準則進行，塑性設計法比彈性設計法計算簡便，且考慮鋼梁的塑性承載力，與實際情況更吻合，安全的同時更加經濟，本工程采用塑性設計方法計算組合梁的承載力。

2 簡支組合梁的受彎承載力計算

計算組合梁的受彎承載力需首先確定梁屬于完全抗剪連接或部分抗剪連接，然后采用相應的公式計算其受彎承載力。對于簡支梁，僅存在正彎矩區，鋼梁與混凝土面之間的縱向剪力Vs取Af和behc1fc中的較小值，若抗剪連接件能完全抵抗此縱向剪力，抗剪件不會進入全截面塑性狀態，鋼梁與混凝土理論上無相對滑移，即完全抗剪連接；若抗剪連接件不能完全抵抗縱向剪力，抗剪連接件全面進入塑性狀態后，鋼梁與混凝土之間將會產生相對滑動，即部分抗剪連接。

3 組合梁的抗剪承載力計算

組合梁的全部豎向剪力，由鋼梁的腹板承受，按下式計算：V≤hwtwfv，對于連接節點處，梁端剪力還應考慮強剪系數1.3。

4 本工程組合梁截面的選取和計算

工程材料：混凝土C30，鋼梁鋼材Q345B，因采用壓型鋼板，抗剪連接件采用圓柱頭栓釘，性能等級4.6級，f＝215N/mm2，r＝1.67。

（1）梁上荷載計算

恒載：上部樓板自重，及樓板面層

gk1＝（25×0.2＋1.1）×3.0＝18.6kN/m

gk2＝1kN/m（鋼梁自重）

活荷載：使用荷載20kN/m2

qk＝20×3＝60kN/m

（2）單個栓釘抗剪承載力

壓型鋼板組合梁，栓釘的抗剪承載力需要考慮折減系數βv，本工程壓型鋼板板肋垂直于鋼梁布置，

其中，bw——混凝土凸肋的平均寬度，當肋的上部寬度小于下部寬度時，區上部寬度；he——混凝土凸肋的高度；hd——栓釘的高度；n0——梁截面肋中栓釘數，多于3個時，按3個計算。

本工程中，將壓型板較寬凸肋朝下，bw＝120，單排按2個栓釘考慮，凸肋高度he＝60，栓釘高度hd＝130，30≤hdhe＝70≤75，滿足構造要求。

（3）鋼梁截面的初步選擇

鋼梁的抗剪全部由腹板承擔，故可以根據支座剪力及板的高厚比限制估算鋼梁的高度

支座剪力V＝[（18.6＋1）×1.2＋60× 1.4]×3＝322.56kN

腹板主次梁連接處考慮切肢削弱每側45mm，節點連接處考慮強剪系數1.3，腹板按彈性高厚比控制，則有：

[V]＝（66tw-90）×tw×180≥1.3× 322.56×1000

hw≥6.5，取板厚tw＝8mm

反算梁高度h0

（H0-90）×8×180≥1.3×322.56×1000

H0≥381mm，初步取H0＝400mm進行試算

根據構造要求及試算，滿足使用階段的強度及剛度要求下，鋼梁截面H＝450，上翼緣寬度160mm，厚度12mm，下翼緣寬度200mm，厚度8mmAs＝6960mm2。

混凝土翼板的有效寬度

be＝b0＋b1＋b2

其中，b0＝130（壓型板上部寬度）

b1＝b2＝min（L/6，6×hc1，S/2）＝min（6000/6，6×160，3000/2）＝1000

be＝b0＋b1＋b2＝130＋1000＋1000 ＝2130mm

A×f＝6960×310＝2157.6kN·m

be×hc1×fc＝2130×160×14.3 ＝4873.44kN·m

因此，組合梁的縱向剪力

Vs＝Af＝2157.6kN·m

抗剪連接件的設置：

根據構造，最終設置單排2M16栓釘（As＝201mm2），單個栓釘抗剪承載力βv×Nvc＝1.0×251.34×201＝50.53kN，按完全抗剪連接，需栓釘排數n＝2157.6/（50.53×2）＝22排，排間距S＝3000/22＝136mm，因板肋的間距為200mm，不能保證栓釘均位于板肋上，故不能滿足要求，因此改用部分抗剪連接設計，栓釘間距S＝200mm，均設于板肋間，經過計算，鋼梁強度及剛度滿足要求，實際栓釘排數n＝3000/200-1＝14排，滿足完全抗剪連接50%的最小要求，且鋼梁翼緣，腹板厚度均滿足相應的高厚比及其它構造要求。

（4）組合梁與非組合梁的經濟型比較

如果采用非組合梁，按簡支梁計算，需采用H600×200×10×10截面鋼梁，As＝9800mm2，相對節省鋼材率（9800-6960）/9800＝28.9%。

參考文獻

[1]張作運，陳遠椿，周廷坦.鋼與混凝土組合梁設計[M].北京：中國建筑工業出版社.

中圖分類號：TU375

文獻標識碼：A