型鋼混凝土梁設計方法及承載性能的分析研究

劉 茜

（安徽職業技術學院建筑工程學院，安徽 合肥 230011）

0 引 言

鋼筋混凝土結構在我國傳統建筑工程中具有廣泛應用，它具有承載能力大、耐久性能強、適用各種異形結構等突出優勢[1]。隨著大跨度、超高層建筑的逐漸出現，對混凝土結構梁的抗彎、抗剪能力表現出更高的要求，傳統的鋼筋混凝土梁已不滿足工程建設的實際要求[2，3]。以軋制或焊接形成的型鋼結構為梁體截面內承擔拉應力的型鋼混凝土梁，是將混凝土受壓承載力高和型鋼受拉性能強的優勢結合在一起，具有結構自重輕、承載能力大、施工便捷、耐久性強、抗沖擊承載性能突出的優勢，相較于傳統鋼筋混凝土結構，其在大跨度、強地震荷載作用等特殊應用場景中具有突出的技術和經濟優勢[4]。

型鋼混凝土梁一般采用型鋼對稱內置方式布置于截面中心，外部混凝土配置構造鋼筋，能夠充分利用型鋼受拉性能與混凝土的受拉性能。根據型鋼混凝土梁內部型鋼的配置方式，一般可分為實腹式和格構式兩種類型，如圖1所示。其中，實腹式型鋼混凝土梁截面中的型鋼結構體為軋制或焊接成形的整體結構，具有相對獨立的抗彎、抗剪承載能力；而格構式一般為角鋼或槽鋼通過綴條連系形成的空間桁架結構體，本身的彎、剪承載能力相對較低，必須同混凝土結構體結合才能發揮型鋼混凝土結構的最大承載性能[5]。

圖1 典型的實腹式和格構式型鋼混凝土梁截面示意圖

型鋼混凝土最早出現于日本，為了充分發揮型鋼混凝土結構的抗震性能，最早在二十世紀二十年代就開始相關試驗及分析研究，這也使得日本是開展型鋼混凝土結構相關研究工作最深入、最完整和最充分的地區，形成了相對完整的設計、施工、檢驗以及后期運維技術體系。歐美雖然沒有日本那樣對型鋼混凝土結構的深入研究，但在二十世紀后期在超高層建筑中廣泛應用型鋼混凝土結構作為受彎、受壓及受扭構件，有效支撐了歐美地區超高層建筑的發展[6-8]。

我國最早于二十世紀五十年代開始型鋼混凝土結構的引入工作，主要為發揮型鋼混凝土結構的超強承載作用，節省鋼筋用量，具體應用于部分特殊領域。但由于普通建筑中型鋼混凝土結構的經濟性并不突出，也導致型鋼混凝土結構在很長一個時期內沒有得到充分重視。隨著我國社會經濟的全面發展，型鋼混凝土結構在我國超高層建筑的建設中也得到了充分應用，在國外既有研究成果的基礎上，形成了相關設計規范，為我國建筑行業推廣使用型鋼混凝土結構技術提供參考[9，10]。

但是，現階段關于兩種建筑材料結構承載的協同工作效應研究還不充分，型鋼混凝土梁的承載機理和結構設計方面仍需要進一步開展研究工作。因此，本文系統開展了型鋼混凝土梁結構的抗彎和抗剪承載性能分析，提出對應的結構設計分析方法，并進行相同尺寸下的型鋼混凝土結構和普通鋼筋混凝土結構承載性能的模型試驗對比，驗證型鋼混凝土結構承載能力設計分析方法的合理性，為型鋼混凝土結構在實際工程中的進一步應用推廣提供必要的技術支撐。

1 型鋼混凝土梁正截面設計方法

1.1 基本假定

型鋼混凝土梁正截面設計中應嚴格滿足以下幾項假定條件[11，12]：

1.型鋼混凝土梁截面在整個承載過程中滿足平截面假定，型鋼表面同混凝土粘結牢固，不考慮兩者之間的滑移。

2.型鋼混凝土梁中的混凝土構件主要承擔壓力荷載，不考慮截面受拉區的抗拉強度；混凝土壓應力的分配參照鋼筋混凝土結構通用程序，通過等效分布假定方式進行簡化處理。

3.型鋼混凝土梁結構承載能力極限狀態設計中，假定型鋼應力進入塑性分布狀態，型鋼受壓區應力及受拉區應力均可簡化為矩形分布形式。

4.型鋼混凝土梁中的型鋼應力與應變滿足線彈性關系，型鋼最大應力不得超出型鋼梁的強度標號對應的型鋼強度最高值。

1.2 型鋼混凝土梁正截面設計

根據型鋼混凝土梁正截面設計基本原理，截面內型鋼上下翼緣分別作為受拉區和受壓區鋼筋的一部分，參與截面混凝土承載，中心腹板提供一定的抗彎和抗剪承載能力[13，14]。根據上部荷載作用下的型鋼混凝土梁正截面承載力分析方法，參照1.1節相應假定，并依據圖2 中的型鋼混凝土正截面承載力示意圖，利用水平方向上的截面應力平衡條件以及內外彎矩平衡條件，可以得到承載能力極限狀態下的型鋼混凝土梁正截面受彎承載力表達式（1）-（2）。

圖2 型鋼混凝土正截面承載截面受力示意圖

特別地，當δ1h0＜1.25x，δ2h0＜1.25x時，

另外，型鋼混凝土受壓力高度不應超過界限受壓區高度，并應滿足式(5)-(7)。

上述各式中，M為外部荷載作用下的型鋼混凝土梁截面彎矩設計值；Maw為型鋼腹板分擔的軸向力對縱向受拉筋形心點的力矩，對于純彎構件取值為0；Naw為相同混凝土梁截面內部的腹板承擔的軸向力設計值，對于純彎構件，取值為0；fcd為型鋼混凝土梁中混凝土軸心抗拉強度設計值；fad、fad'分別為型鋼混凝土梁截面內型鋼的抗拉強度設計值和抗壓強度設計值；fyd、fyd'分別為型鋼混凝土梁截面內配置鋼筋抗拉強度設計值和抗壓強度設計值；Esd為型鋼混凝土梁截面內配置鋼筋的彈性模量。

2 型鋼混凝土梁斜截面設計方法

外部荷載作用下，型鋼混凝土梁斜截面承載可能出現斜壓破壞、剪壓破壞以及剪切粘接破壞3 種形態[15]。其中，斜壓破壞主要同截面尺寸和混凝土強度相關，一般通過尺寸控制即可避免；剪壓破壞是型鋼混凝土梁的主要破壞形態，一般通過型鋼混凝土梁截面的抗剪承載力進行設計；型鋼混凝土配置的型鋼具有較高的抗剪切破壞能力，型鋼表面和混凝土間可能出現剪切滑移破壞，表現為剪切粘接破壞形式，一般通過混凝土中的構造箍筋或抗剪栓釘等構造形式規避[16]。型鋼混凝土梁斜截面承載過程中，主要由混凝土抗剪和型鋼抗剪兩部分組成，而型鋼抗剪主要源自于型鋼腹板[17]。均布荷載作用下，型鋼混凝土梁斜截面承載力驗算采用式(8)，而集中荷載作用下，型鋼混凝土梁斜截面承載力驗算采用式(9)。

式中：φ1為型鋼混凝土梁跨高比影響系數，l/h0≤8 時，取φ1=1，l/h0＞8 時，取φ1=1-(l/h0-8)/15，當φ1＜0.6時，取φ1=0.6。

式中，λ為型鋼混凝土梁截面計算剪跨比，λ=a/h；剪跨比計算中分子a取計算截面位置（集中力作用位置）至支撐端或邊緣位置的最小距離，當λ＜1.5 時取λ=1.5，λ＞3時取λ=3。

3 型鋼混凝土梁承載模型試驗對比

3.1 型鋼混凝土梁承載性能模型試驗方案

型鋼混凝土梁承載性能模型試驗采用平行對照方式，試驗組為型鋼混凝土梁，對照組為普通的鋼筋混凝土梁，均采用三分點對稱加載方案。混凝土梁截面尺寸為寬×高=200mm×300mm，試驗組和對照組受力筋均采用直徑12mm RRB400鋼筋，上、下各布置兩根，箍筋采用直徑6mm RRB335 鋼筋，箍筋間距150mm。型鋼混凝土梁截面配置的型鋼采用10號工字鋼，居截面正中布置。對照組和試驗組混凝土均采用C40 混凝土，根據混凝土的相關設計強度，對鋼筋進行澆注和維護，養護齡期均不小于28天。

型鋼混凝土梁加載試驗過程中，采用對稱軸加載方式[18，19]，加載點間距1000mm，混凝土梁中心區域為純彎段；混凝土梁兩側支撐點鉸接，支撐點跨度2600mm。模型梁加載過程中，采用逐級加載方式，按照鋼筋混凝土對照組極限承載的5%荷載等級逐級加載，記錄每一級荷載下的跨中撓度、變形、荷載以及跨中裂縫等情況。

根據兩組模型試驗的整個過程和試驗結果，兩組混凝土梁試驗方案均成功獲得試驗成果。其中，對照組普通鋼筋混凝土梁表現為適筋梁的彎剪破壞，破壞時的梁體跨中撓度變形較大，形成貫穿的彎剪裂縫；相較之下，型鋼混凝土梁也表現出明顯的適筋梁彎剪破壞特征，但混凝土梁的彎剪破壞撓度遠小于對照組，說明型鋼混凝土梁的彎剪承載能力具有較大的提升，截面抗彎剛度更大。

3.2 型鋼混凝土梁承載模型試驗結果對比分析

根據前述兩組混凝土試件梁的模型試驗開展情況，得到兩組混凝土試件承載能力試驗結果列于表1。

表1 型鋼混凝土梁模型試驗結果

根據表1，兩組試驗均得到了混凝土梁試件的極限荷載、開裂荷載以及極限撓度變形。其中，型鋼混凝土梁實驗組的開裂荷載和極限荷載均較對照組提升50%左右，說明型鋼混凝土梁較相同鋼筋條件下的混凝土梁具有更高的承載能力，以及更小的變形。

另外，根據對照組和實驗組設計荷載同極限荷載的對比分析，二者的計算值相近，最大偏差不大于5%，說明應用上述型鋼混凝土梁正截面和斜截面承載力計算公式是合理的，能夠滿足一般情形下的型鋼混凝土梁抗彎、抗剪設計。

4 結 論

針對型鋼混凝土梁的工程設計方法和結構承載性能的對比分析驗證問題，重點研究了型鋼混凝土梁的結構特征、破壞模式以及正截面、斜截面承載力極限的設計方法，提出了工程適用的型鋼混凝土梁極限狀態設計模型，并結合模型試驗開展兩組鋼筋混凝土梁構件極限承載能力的對比分析，完成了型鋼構件為混凝土結構整體承載能力的分析驗證。主要研究成果及結論如下：

1.相同截面尺寸以及配筋條件下，型鋼混凝土梁具有更高的抗彎、抗剪承載能力，其對結構截面承載能力通常能夠增加50%以上；

2.提出的型鋼混凝土梁抗彎和抗剪承載能力計算方法具有較好的適用性，能夠滿足常規條件下的型鋼混凝土梁工程設計實際需求；

3.型鋼混凝土梁結構承載能力突出，在合適的配筋條件下表現為適筋梁破壞特征，能夠應用于大跨、強震等特殊工況的結構設計，在工程上有著廣泛的應用價值。