淺談鋼-砼組合梁的研究和應用

文/宋慧斌 廣州市建筑科學研究院新技術開發中心有限公司 廣東廣州 510000

1、概述

鋼-砼組合結構是在鋼結構和RC結構基礎上發展起來的結構形式，它由鋼構件和RC構件組合而成，如組合梁、組合樓板等組合構件。同RC結構相比，可以減小構件截面尺寸，增加構件和結構的延性等；同鋼結構相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩定性和整體性。

2、鋼-砼組合梁的研究現狀

鋼-砼組合梁可以分為外包砼組合梁和T形組合梁，前者主要依靠鋼材與砼之間的粘結力協同工作，后者則依靠抗剪連接件將鋼梁與砼翼板組合在一起。

鋼-砼組合梁試驗研究始于20世紀20年代，按照彈性理論進行分析，其原理是將組合截面換算成同一材料的截面，根據初等彎曲理論進行截面計算。60年代后，則逐漸轉入塑性理論分析，研究了組合梁的破壞形態，極限承載力，荷載與滑移的關系以及連續組合梁的性能和塑性內力重分布的規律，并建立了相應的計算公式。

關于組合梁承載能力的研究，1975年R.PJohnson等學者提出了考慮剪切滑移影響的簡支組合梁抗彎承載力的計算公式。在國內，聶建國[1]等通過4根部分剪力連接組合梁的試驗研究和對國內外8根部分剪力連接組合梁受彎極限承載力的分析，考慮剪力連接程度的影響，對R.PJohnson的組合梁受彎極限承載力公式進行了修正。樊鍵生[2]等通過3根兩跨鋼-壓型鋼板砼組合梁進行了試驗，通過控制力比，壓型鋼板組合梁支座負彎矩區具有足夠的塑性轉動能力和延性,能夠保證其塑性內力重分布，并通過計算分析對連續組合梁的負彎矩調幅系數給出了建議值。

對連續組合梁，在負彎矩作用下極限狀態的一般特征為：負彎矩區砼翼板受拉開裂后退出工作，同時砼板中的縱向受拉鋼筋達到或超過屈服應變，鋼梁的拉區和壓區大部分也達到或超過屈服應變，其受力狀態類似RC梁。我國規范規定可以采用塑性理論計算抗彎承載力，并在計算中假定鋼梁與砼翼板有可靠連接，能保證鋼筋應力的充分發揮，忽略砼抗拉強度的貢獻。規范規定組合梁在負彎矩作用區段拉力全部由翼板內配置的縱向鋼筋承受。

關于組合梁變形和剛度的研究，參考文獻[3]按照折減剛度法提出了彈性范圍內鋼-砼組合梁的剛度和變形公式。實踐表明，在設計荷載作用下，梁仍處于正常使用極限范圍，極限承載力較高的鋼-砼組合梁仍為彈性階段，因而在鋼梁和砼翼緣均為彈性材料的假設前提下，按該文獻提出的剛度和變形計算公式具有較好的精度。

鋼-砼組合梁的砼板與鋼梁之所以能形成整體共同工作，關鍵是由于抗剪連接件（栓釘）傳遞二者之間的剪力。栓釘實際承載力、縱向抗剪以及砼翼緣的縱向劈裂驗算，以往的規范關于栓釘連接件極限承載力的計算偏于安全、不經濟。文獻[3]通過試驗對公式進行了修正, 提高了鋼-砼組合梁縱向抗剪的設計和計算精度。

外包砼組合梁相比T形組合梁而言整體剛度提高，出平面扭轉屈曲性能改善，材料強度利用充分。但其配筋構造較為復雜，在工程設計中必須給予細致的考慮，否則將使工程施工十分困難。

關于外包砼組合梁的受彎極限承載力主要有簡單疊加法，即將鋼梁和RC作為兩個獨立部分，將其承載力進行簡單的疊加。試驗證明該方法偏于安全，日本規范主要采用這種方法。參考文獻[4]考慮了鋼梁和砼的共同作用，采用一般疊加法建立了外包砼組合梁的受彎極限承載力計算公式。并且在該文獻中，研究者通過大量的試驗建立了關于型鋼砼較完善的理論體系，可供工程設計人員研究參考。

3、鋼-砼組合梁的應用

高層建筑中最早用于北京國際技術培訓中心兩棟18層塔樓。采用冷彎薄壁型鋼-砼簡支組合梁。梁全高300mm，跨度6m，其設計以試驗研究為依據，栓釘剪力連接件設計中，節約栓釘47%，與RC疊合板相比，自重降低29%，造價降低5%，工期縮短25%，為其在高層建筑中的應用開辟了廣闊的前景。建于1987年的北京長富宮中心使用了鋼骨砼梁，截面為500x950及500x1100，相應鋼骨為高度650及850的工字形截面。廣州市人大辦公廳濱江東住宅主體結構地面以上31層，該工程采用底部大空間框架-剪力墻結構。樓轉換層大梁采用鋼骨砼梁，截面為0.8m×2.0m。建于1998年的上海金茂大廈為地下3層和地上88層的多功能建筑，總高421米，該建筑采用鋼—砼結構，使用鋼-砼組合梁。建于2003年的上海世紀廣場采用了鋼-砼、鋼骨砼組合梁。使用壓型鋼板組合樓板-鋼梁的有建于2000年深圳的賽格廣場和建成于2005年的北京LG大廈，以及上海金融大廈，廣州西塔等。

橋梁中：1993北京國貿橋首次采用3跨鋼-砼疊合板連續組合梁（40+46+40 m），支座負彎矩處在砼橋面板上施加預應力。比原現澆橋面板方案節省近4000m2的模板，減小現場濕作業量，縮短工期一半，且未中斷交通；比RC橋梁減輕自重約50%；比鋼橋節省鋼材30%左右。此外深圳北站大橋、上海南浦大橋和楊浦大橋的橋面結構亦采用這種鋼-砼疊合板梁橋結構。

結論：

鋼一砼組合梁能合理利用材料各自的材料特性，與鋼結構相比，節約鋼材20%～40%；比RC梁節約砼，減輕自重且截面高度小；組合梁的整體性、抗剪性能好，耗能能力強，因而表現出良好的抗震性能；能節省支模工序和模板、施工速度快、綜合效益好等顯著優點,作為重要的橫向承重構件之一可以廣泛應用于工業廠房,大跨結構、高層建筑和橋梁結構等。組合梁和鋼管砼柱或型鋼砼柱形成鋼一砼組合結構體系具有良好的受力性能和很好的綜合效益,應用前景廣闊。工程實踐表明,推廣應用鋼一砼組合梁符合我國基本建設的國情,有利于促進國民經濟建設的發展。

[1]聶建國,崔玉萍,石中柱等.部分剪力連接鋼一砼組合梁受彎極限承載力的計算.工程力學,2000,17(3):37-42

[2]樊鍵生,聶建國,葉清華等.鋼一壓型鋼板砼連續組合梁調幅系數的研究.建筑結構學報,2001,22(2):57-60

[3]聶建國,沈聚敏,余志武，考慮滑移效應的鋼-砼組合梁變形計算的折減剛度法[J].1995,28(2):11-17

[4]趙鴻鐵，鋼與砼組合結構，科學出版社,2001