完全組合作用下木-混凝土組合梁承載力計算

邱楓帆

(上海市市政工程建設處，上海市 200025)

完全組合作用下木-混凝土組合梁承載力計算

邱楓帆

(上海市市政工程建設處，上海市 200025)

木-混凝土組合梁是將木梁和混凝土梁通過剪力連接件組合到一起從而共同承擔外力作用的結構體系。根據剪力連接件的抗滑移性能，木和混組合梁的連接可分為剛性連接和柔性連接。當組合梁采用剛性連接時，木梁和混凝土梁之間的相對滑移可以忽略，此時剪力連接件的連接可視為完全組合作用。根據彈性理論方法，采用應力表達的極限狀態方程計算完全組合作用下木-混凝土組合梁的抗彎承載力與抗剪承載力，以期指導實際工程。

木-混凝土；組合梁；抗彎承載力；抗剪承載力；完全組合作用

0 引言

在歐、美地區，木結構、木-混凝土組合結構有著巨大的市場需求。與純木梁相比，木-混凝土組合梁在強度和剛度等方面有著明顯提升，具備較好的隔音性能；而與混凝土梁相比，木混凝土組合梁的結構自重更小，延性和抗震性能更好。

當作為受彎構件時，木梁和混凝土梁的接觸面上存在縱向剪力，縱向剪力由剪力連接件承受。根據剪力連接件的抗滑移性能，木和混組合梁的連接可分為剛性連接和柔性連接。當組合梁采用粘鋼、剪力隼-錨釘等剛性連接時，木梁和混凝土梁之間的相對滑移可以忽略，在計算木-混凝土組合梁此時剪力連接件的連接可視為完全組合作用[1、2]。

采用剛性連接的木-混凝土組合梁抗彎承載力和剛度較大，適合在大跨廠房、橋梁甚至高層建筑中推廣使用。因此，作用在梁上的荷載強度較大時，需要對組合梁的抗彎承載力進行計算。本文根據彈性理論方法，考慮到實際工程中木-混凝土組合梁是預制構件的特點，根據一個階段受力設計原則，采用應力表達的極限狀態方程計算完全組合作用下木-混凝土組合梁的抗彎承載力，以期指導工程實際。

1 基本假設

由于木-混凝土組合梁中存在木材、混凝土、鋼筋、金屬連接件等材料，因此，在實際的設計過程中需要做以下幾項假設：

（1）混凝土和木材均為理想的彈性材料；（2）完全組合作用下，木梁和混凝土梁之間的滑移忽略不計；（3）組合梁在受彎狀態下，橫截面應變成線性分布，符合平截面假定；（4）受彎狀態下，木梁與混凝土梁曲率相同，不考慮混凝土板的掀起；（5）在計算混凝土梁橫截面面積時不考慮鋼筋的面積；（6）在跨中正彎矩作用下，不考慮混凝土梁中鋼筋的作用；（7）在梁端負彎矩作用下，由混凝土梁中的鋼筋抵抗拉應力（正應力）。

2 抗彎承載力計算

2.1 極限狀態方程

按照彈性方法計算組合梁受彎承載力極限狀態必須滿足如下方程：

對于木梁，有：

對混凝土梁，有：

對于縱向受拉鋼筋，有：

式中：σw為外荷載在木梁不利點處（尤其注意膠合木的指節處和枝干節點）引起的正應力，受拉為正；fw為木梁的抗拉、抗壓強度設計值；σc為外荷載在混凝土梁處引起的正應力，受拉為正；fc為混凝土的抗壓強度設計值；σst為外荷載引起的縱向鋼筋的拉應力；fst為鋼筋的抗拉強度設計值。

2.2 等效截面計算

由于忽略了木梁和混凝土梁之間的滑移，因此木梁和混凝土可以看成一個整體，可以根據材料力學的思路來分析梁單元，因此需要將混凝土梁等效為與木梁彈性模量Ew、應變εw相同的彈性截面，如圖1所示，其中hw、hc、bw、bc分別為木梁和混凝土梁的高度和寬度，beq為將混凝土梁等效為木材界面后的梁寬。

圖1 組合梁截面等效示意圖

根據應變相同和內力不變的原則，等效界面符合：

由式（4）和（5）可以得到：

當考慮長期荷載影響時，beq=bc/（2αE）。

2.3 換算截面慣性矩計算

根據等效后的組合梁界面，確認中和軸位置為：

木梁形心到中和軸的距離為：

等效混凝土梁形心到中和軸的距離為：

等效截面繞中和軸的慣性矩：

上式中Ieq=Ic/αE，Aeq=beqhc，Aw=bwhw。

2.4 抗彎承載力計算

考慮到實際工程中木-混凝土梁多為預制構件，因此與鋼-混凝土組合的梁采用兩個階段受力設計方法[3]不同，在這里我們采用一個階段受力設計。

（1）在正彎矩作用下，對混凝土梁，其最大應力為：

對木梁，截面上最大應力：

因此，正彎矩作用下，組合梁的抗彎極限承載力為式（11）、（12）的較小值：

（2）梁作為受彎構件時，梁端會出現負彎矩的作用。對混凝土梁而言，拉應力主要有鋼筋承擔，出于安全設計考慮，受拉區高度取到梁的上表面，因此鋼筋的最大拉應力為：

對木梁，截面上最大應力：

因此，負彎矩荷載下，組合梁的極限抗彎承載力為式（14）、（15）的較小值：

3 豎向受剪承載力計算

實際工程中，木-混凝土組合梁的除了受彎矩的作用之外，還受豎向剪力的影響。目前的試驗研究[4-6]還主要停留在對組合梁受彎承載力的研究，很少有針對組合梁豎向剪力承載力的試驗。因此有必要展開木-混凝土組合梁豎向受剪承載力的理論計算。

3.1 極限狀態方程

按照彈性方法計算組合梁豎向受剪承載力極限狀態必須滿足如下方程：

對于木梁，剪應力需滿足：

對混凝土梁，為了防止出現斜壓破壞和大裂縫現象，必須滿足如下條件：

式中：τw為木梁在豎向剪力設計值作用下的剪應力；fs為木梁的抗剪強度設計值；τc為混凝土梁在豎向剪力設計值作用下的剪應力；fc為混凝土的軸心抗壓強度設計值。

此外，在進行組合梁設計時，還要根據進行橫向鋼筋的計算，這里不一一贅述。

3.2 抗剪承載力

與2.2節類似，考慮到大多數情況下木-混凝土組合梁多為預制構件，在這里采用一個階段受力設計的思想進行計算分析。因此，組合梁上的豎向剪力由木梁和混凝土板共同承擔。

對混凝土梁，其橫截面上的最大剪應力可由下式求的：

式中，S是計算點以上換算截面對總截面的中和軸的的面積矩。

對木梁，橫截面上的最大剪應力計算公式為：

因此，木-混凝土組合梁的極限抗剪承載力為式（19）、（20）的較小值：

4 理論驗證分析

本文根據理論的正確性，將本文計算結果和Gutkowski[7]與陳偉[8]的木-混凝土組合梁抗彎試驗結果進行對比。二者分別采用剪力隼-角鋼、剪力隼-螺紋鋼筋作為剪力連接件。它們的共同特點是連接剛度大、抗滑移性能好，符合本文完全剪力作用的剛性連接假設。

Gutkowski[7]研究了截面為a、b兩種情況的木-混凝土組合梁的抗彎承載力試驗，組合梁橫截面尺寸如圖2所示。組合梁抗彎承載力試驗采用對稱四點加載法，組合梁全跨尺寸及荷載加載位置如圖3所示。

圖2 組合梁試件橫截面示意圖

圖3 組合梁尺寸示意圖

結合Gutkowski[7]試驗中提供的數據和歐洲規范[9]的規定，圖表1給出了組合梁a、b中和軸高度、慣性矩以及抗彎承載力的理論值。通過與抗彎承載力實驗值的對比，可知本文的理論值偏大，但仍在在合理的范圍內。

表1 組合梁抗彎承載力

陳偉[8]研究了采用剪力隼-角鋼作為連接件的木-混凝土組合梁的抗彎性能和滑移特性，并分析了剪力隼間距對組合梁組合效應的影響。試驗中設計了B400、B250、B200三組試件，其中數字代表剪力隼的間距（單位為mm）。由于本文理論計算采用的是完全組合作用，因此選用剪力隼較密集、抗滑移剛度較大、與本文假設模型較為相近的B250、B200進行對比計算。

表2為剪力隼間距分別為250mm和200mm時，組合梁的抗彎承載力試驗值和理論值。由于組合梁B250和B200的梁截面參數和加載方式相同，因此其理論值相同。從表2中可以看出，當組合梁的剪力隼連接件間距較小時，其理論值和試驗中差距較小，表明此時組合梁的連接為完全組合作用，也證明了本文理論的正確性；當組合梁的剪力隼連接件間距較大時，理論值的偏差較大，說明此時組合梁的連接為柔性連接，而本文理論采用剛性連接假設不再適用。

表2 剪力隼間距不同時組合梁的抗彎承載力

5 結論與展望

本文根據彈性理論方法，采用應力表達的極限狀態方程對采用剛性連接件的完全組合作用下的木-混凝土組合梁進行分析，并得到了組合梁正、負彎矩的極限抗彎承載力和極限抗剪承載力的計算方法，為設計木-混凝土組合梁提供了理論基礎。此外，將本文理論結果與Gutkowski[7]和陳偉[8]的試驗結果進行對比，證明了本文理論的正確性。

本文的推導基于強度極限狀態分析，而在實際工程中，木梁的彈性模量較小、變形較大，因此有必要進一步研究木-混凝土組合梁的變形控制條件。此外，本文的極限抗彎、抗剪承載力是基于梁的尺寸和材料（木、混凝土）參數，并未考慮連接件間距、錨入深度等因素的影響，有必要展開剛性連接件相關參數對抗彎、抗剪承載力的影響分析。

[1]俞宏,宋林,吳文清.木-混凝土組合梁剪力連接件研究現狀[J].世界橋梁,2014,(6):61-67.

[2]王斌,肖飛.木-混凝土組合梁剪力連接件研究現狀綜述[J].江蘇建筑,2012,(3):42-43.

[3]陳忠漢,胡夏閩.鋼混凝土組合結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4]胡夏閩,李巧,彭虹毅,陸偉東.木-混凝土組合梁靜力試驗研究[J].建筑結構學報,2013,(S1):371-376.

[5]SáRibeiro R A,SáRibeiro M G.Composite Wood–Concrete Structural Floor System with Horizontal Connectors[J].International Journal of Concrete Structures and Materials,2015,9(1):61-67.

[6]Yeoh D,Boon K H,Loon L Y.Timber-Concrete Composite Floor Beams under 4 Years Long-Term Load[J].International Journal of Integrated Engineering,2013,5(2).

[7]Gutkowski R,Brown K,Shigidi A,et al.Laboratory tests of composite wood-concrete beams. Construction and Building Materials,2008,22(6):1059-66.

[8]陳偉.工程木—混凝土組合梁受力性能分析與試驗研究[D].長沙:中南林業科技大學,2016.

[9]European Committee for Normalization,Eurocode 5(2003)-Design of timber structures-Part 1-1:General-Common rules and rules for buildings,Final Draft,prEN 1995-1-1(Bruxelles,Belgium).

TU318.1

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1009-7716（2017）08-0275-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.087

2017-06-01

邱楓帆（1971-），男，上海人，本科，工程師，主要從事工程建設項目建設管理。