鋼與混凝土組合梁11.1組合梁的應用和發展

組合梁的應用開始于本世紀（20世紀）20年代，我國從50年代開始開展組合梁的研究和應用。最初主要用于橋梁結構，自80年代以來，由于在多層及高層建筑中更多地采用了鋼結構，使得組合梁在建筑結構領域也得到了長足的發展。在設計方法方面，大約在60年代以前，組合梁基本上按彈性理論設計，60年代開始逐步轉變為按塑性理論設計。

組合梁是鋼梁和所支承的鋼筋混凝土板通過抗剪連接件組合成一個整體而共同工作的梁。組合梁能更好地發揮鋼和混凝土各自的材質特點，即充分發揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能。與單獨工作的鋼梁相比，組合梁的穩定性和抗扭性能均有提高，防銹和耐火性能也有所增強，可以節省鋼20～40％，從而取得較大的經濟效益。組合梁的整體剛度比鋼梁單獨工作時要大得多，撓度可減小1/3～1/2。如果保持撓度大小不變，則鋼梁高度可減低15～20％，使建筑高度降低。現行《鋼結構設計規范》新增加了下列主要內容：（１）連續組合梁負彎矩處的計算方法。（２）樓板為壓型鋼板組合板時組合梁的設計。（３）部份抗剪連接組合梁的設計。部份抗剪連接對梁的強度影響很小，只撓度增大，可節約連接件和施工費用。（４）組合梁的撓度計算（主要是考慮滑移效應的折減剛度的計算方法）。

壓型鋼板上現澆混凝土翼板并通過抗剪連接件與鋼梁連接組合成整體后，鋼梁與樓板成為共同受力的組合梁結構。

組合梁的組成及其工作原理

壓型鋼板組合梁通常由三部分組成，即：鋼筋混凝土翼板、抗剪連接件、鋼梁。

11.2一般規定（1）鋼筋混凝土翼板——組合梁的受壓翼緣；（2）抗剪連接件——混凝土翼板與鋼梁共同工作的基礎，主要用來承受翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力；同時可承受翼板與鋼梁之間的掀起力。（3）鋼梁——在組合梁中主要承受拉力和剪力，鋼梁的上翼緣用作混凝土翼板的支座并用來固定抗剪連接件，在組合梁受彎時，抵抗彎曲應力的作用遠不及下翼緣，故鋼梁宜設計成上翼緣截面小于下翼緣截面的不對稱截面。

組合梁的工作原理1.組合梁混凝土翼板的形式組合梁混凝土翼板可用現澆混凝土板、混凝土疊合板或壓型鋼板混凝土組合板。混凝土疊合板翼板由預制板和現澆混凝土層組成，施工時可在混凝土預制板表面采取拉毛及設置抗剪鋼筋等措施，以保證預制板和現澆混凝土層形成整體。壓型鋼板上現澆混凝土翼板并通過抗剪連接件與鋼梁連接組合成整體后，鋼梁與樓板成為共同受力的組合梁結構。

11.3

組合梁的截面形式和翼板的有效寬度

2.鋼梁的形式鋼梁的形式應根據組合梁跨度、荷載、施工條件等綜合考慮。一般來說，采用上窄下寬的焊接工字形截面耗鋼量較少。當荷載或跨度較小時，也可采用熱軋H型鋼或普通工字鋼，或在其下面加一塊蓋板。當跨度較大而荷載相對較小的情況，可考慮采用H型鋼的腹板切割為鋸齒形，錯開半齒焊合而成的蜂窩梁。它將H型鋼高度提高約50％，有較好的經濟效果，而空洞又便于鋪設管線。

3.混凝土翼板的計算寬度計算組合梁時，將其截面視為T形截面，上部受壓翼緣為混凝土板的一部份甚至全部。由于剪力滯后的影響，混凝土翼板內的壓應力分布沿寬度方向是不均勻的，所謂計算寬度（即有效寬度）實質上是指以應力均勻分布為前提的當量寬度。規范取用的組合梁混凝土翼板有效寬度，系按現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB50010的規定采用的。混凝土翼板的有效寬度取下式中的最小值：式中bc1、bc2——相鄰鋼梁間凈距s0的1/2。

公式中最重要的是bc2值（有些情況bc1值與bc2值相等），世界各國或地區的規范，對bc2值的規定頗不一致，組合梁翼板的計算寬度與梁格尺寸、梁的位置（在樓蓋外側或中部）、荷載方式（均布或集中荷載）、簡支單跨或連續等因素有關，只不過有些國家的規范忽略了某些因素，而其他規范又忽略另外一些因素而已。嚴格說來。樓蓋邊部無翼板時，其內側的bc2應小于中部兩側有翼板bc2的；集中荷載作用時的bc2值應小于均布荷載作用的情況；連續梁的bc2值應小于簡支梁的該值。

此外，各國規范對bc2的取值相差較大，與梁跨度l的關系從0.083l（美國，一側有翼板）到0.2l（日本，簡支組合梁）。與板厚有關與否也不盡統一。對于日本AIJ的規定，有試驗證明，在低應力時是合適的，但在極限荷載情況下，有效寬度應予減小。總的來看，我國規范對翼板計算寬度的規定有些偏大。由于組合梁混凝土板與鋼梁之間僅用連接件連結，不能考慮兩者完全粘連,按理，其計算寬度應小于全混凝土的，但規范的規定與《混凝土結構設計規范》一致，似值得再加以研究。混凝土翼板計算厚度的取值：（1）對現澆混凝土，取如圖中的值；（2）對預制混凝土疊合板，當按《混凝土結構設計規范》GB50010的有關規定采取相應的構造措施后，可取為預制板加現澆層的厚度；（3）當采用壓型鋼板作混凝土底模時，若用薄弱截面的厚度將過于保守，參照試驗結果和美國資料，翼板厚度可采用有肋處板的總厚度。1.組合梁截面的基本假定（1）組合梁截面變形符合平面假定；（2）鋼梁與混凝土翼板之間的相互連接可靠，雖然有微小的相對位移，但可忽略不計；（3）鋼材與混凝土均為理想的彈塑性體。（4）忽略鋼筋混凝土翼板受壓區中鋼筋的作用；（5）假定剪力全部由鋼梁承受，同時不考慮剪力對組合梁抗彎承載力的影響。11.4組合梁的截面設計

2.組合梁的截面設計組合梁的截面高度一般為跨度的1/15~1/16，為使鋼梁的抗剪強度與組合梁的抗彎強度相協調，鋼梁截面高度不宜小于組合梁截面總高度h的1/2.5。組合梁的截面計算有彈性分析法和塑性分析法兩種，在20世紀50年代及以前，組合梁的抗彎強度主要按彈性理論計算。假定鋼梁和混凝土均為彈性體，變形后截面保持平面，混凝土不能受拉，不考慮板托截面。計算時，將受壓區混凝土截面除以n0，換算成鋼截面。

彈性設計法假定鋼和混凝土都是理想彈塑性體，因而截面始終保持平面，不能全面反映組合梁的實際工作。試驗研究發現，彈性理論對彎曲剛度和截面開始屈服前的曲率能給出較準確的預測，但由于收縮、徐變和溫度作用等的影響，截面開始屈服時的彎矩My卻過高地估計了13％左右。組合梁開始屈服后的承載潛力較大，最后破壞的極限彎矩Mu比My大得多，若以極限彎矩為準，就顯得彈性設計太保守。所以從60年代開始，各國對承受靜態荷載和間接承受動態荷載的一般結構，均逐漸轉為按簡單塑性理論進行計算。組合梁的計算分兩階段——施工階段和使用階段。（1）施工階段：鋼梁承受混凝土和鋼梁的自重以及施工活荷載，鋼梁應計算強度、穩定性和剛度。（2）使用階段：鋼梁上的混凝土翼板已終凝形成組合梁承受在使用期間的荷載。應按鋼與混凝土組合梁進行截面的強度、剛度及裂縫寬度計算。組合梁在正彎矩作用下的抗彎強度計算正彎矩作用下，組合梁的塑性中和軸可能位于鋼筋混凝土翼板內，也可能位于鋼梁截面內，計算時分兩種情況考慮。（1）當塑性中和軸位于混凝土受壓翼板內，即Afbcehcfc時：

（2）當塑性中和軸位于鋼梁截面內即Af>bcehcfc時:組合三梁在三負彎三矩作三用下三的抗三彎強三度計三算對連三續組三合梁三，在三負彎三矩作三用下三極限三狀態三的一三般特三征為三：負三彎矩三區混三凝土三翼板三受拉三開裂三后退三出工三作，三同時三混凝三土板三中的三縱向三受拉三鋼筋三達到三或超三過屈三服應三變，三鋼梁三的拉三區和三壓區三大部三分也三達到三或超三過屈三服應三變，三其受三力狀三態類三似鋼三筋混三凝土三梁。三我國三規范三規定三可以三采用三塑性三理論三計算三抗彎三承載三力，三并在三計算三中假三定鋼三梁與三混凝三土翼三板有三可靠三連接三，能三保證三鋼筋三應力三的充三分發三揮，三忽略三混凝三土抗三拉強三度的三貢獻三。規范三規定三組合三梁在三負彎三矩作三用區三段拉三力全三部由三翼板三內配三置的三縱向三鋼筋三承受三，梁的三抗彎三強度三應滿三足下三式的三要求三：Ms=(S1+S2)f在負三彎矩三作用三下，三組合三梁的三混凝三土翼三板還三應進三行最三大裂三縫寬三度計三算。三因為三連續三組合三梁負三彎矩三區混三凝土三翼板三的工三作狀三態很三接近三于鋼三筋混三凝土三軸心三受拉三構件三，故三最大三裂縫三寬度三的計三算可三參照三《混三凝土三結構三設計三規范三》進三行。在驗三算混三凝土三裂縫三時，三可僅三按荷三載的三標準三組合三進行三計算三，因三為在三荷載三標準三組合三下計三算裂三縫的三公式三中已三考慮三了荷三載長三期作三用的三影響三。連續三組合三梁由于三混凝三土開三裂的三影響三，正三負彎三矩區三抗彎三剛度三有較三大差三異，三相對三于大三部分三單一三材料三的梁三或鋼三筋混三凝土三連續三梁，三其彎三矩重三分布三的程三度較三高，三且在三正常三使用三極限三狀態三彎矩三重分三布就三有很三大發三展。三因此三，計三算混三凝土三翼板三中縱三向鋼三筋時三，應三當考三慮彎三矩重三分布三的影三響。由荷三載效三應標三準組三合計三算的三負彎三矩區三鋼筋三應力三可以三按下三式計三算：由縱三向鋼三筋與三鋼梁三形成三的鋼三截面三的慣三性矩Mk—由三荷載三效應三標準三組合三計算三的截三面負三彎矩三：Mse—由三荷載三效應三標準三組合三按彈三性方三法計三算得三到的三連續三組合三梁支三座負三彎矩三值（三按等三截面三計算三）：a—連三續組三合梁三支座三負彎三矩調三幅系三數：r—鋼三筋截三面重三心至三鋼筋三和鋼三梁形三成的三組合三截面三塑性三中和三軸的三距離三。鋼筋三與鋼三梁的三力比三，f=Astfst/A三f11三.5三部三分抗三剪連三接的三組合三梁設三計鋼-三混凝三土組三合梁三的混三凝土三板與三鋼梁三之所三以能三形成三整體三共同三工作三，關三鍵是三由于三抗剪三連接三件傳三遞二三者之三間的三剪力三。規三范規三定，三抗剪三連接三件應三以控三制截三面間三的區三段分三段進三行布三置，三控制三截面三一般三取彎三矩最三大截三面及三零彎三矩截三面。三在每三個正三彎矩三計算三區段三（剪三跨）三內，三鋼梁三與混三凝土三板交三界面三的縱三向剪三力Vs取（三Af三）和三（behc1fc）中三的較三小值三。在三負彎三矩區三段，三Vs等于三鋼筋三屈服三時所三能提三供的三縱向三拉力三Astfst。因此三，完三全抗三剪連三接所三需要三的抗三剪連三接件三數目三為：當剪三力連三接件三的設三置受三構造三等原三因影三響不三能全三部配三置，三即剪三跨內三的實三際抗三剪連三接件三數目nr<nf，不三足以三承受三組合三梁上三最大三彎矩三點和三鄰近三零彎三矩點三之間三的剪三跨區三段內三總的三縱向三水平三剪力三時，三可采三用部三分抗三剪連三接設三計法三。國內三外研三究成三果表三明，三在承三載力三和變三形都三能滿三足要三求時三，采三用部三分抗三剪連三接組三合梁三是可三行的三。在承三載力三和變三形許三可的三條件三下，三采用部分三抗剪三連接三可以三減少三連接三件用三量，三降低三造價三并方三便施三工。三對采三用壓三型鋼三板混三凝土三組合三板為三翼板三的組三合梁三，由三于受三板肋三幾何三尺寸三的限三制，三栓釘三布置三的數三量有三限，三有時三也不三得不三采用三部分三抗剪三連接三的設三計方三法。由于三梁的三跨度三愈大三對連三接件三柔性三性能三要求三愈高三，所三以用三這種三方法三設計三的組三合梁三其跨三度不三宜超三過2三0m三。對于三單跨三簡支三梁，部分三抗剪三連接三的抗三彎強三度計三算方三法是三根據三簡化三塑性三理論三按下三列假三定確三定的三：（1三）在所三計算三截面三左右三兩個三剪跨三內，取連三接件三承載三力設三計值三之和nr的較三小者三作為三混凝三土翼三板中三的剪三力；（2三）梁與三混凝三土翼三板間三產生三相對三滑移三，以三至混三凝土三翼板三與鋼三梁有各三自的三中和軸三。部分三抗剪三連接三時，三混凝三土翼三板受三壓區三高度三由抗三剪連三接件三能夠三提供三的最三大剪三力所三確定三:——三部三分抗三剪連三接時三一個三剪跨三區的三抗剪三連接三件數三目；——三每三個抗三剪連三接件三的縱三向抗三剪承三載力三。鋼梁三受壓三區面三積為三：A三——三鋼三梁截三面面三積。部分三抗剪三連接三時組三合梁三截面三抗彎三承載三力為三：y1——三鋼梁三受拉三區截三面形三心至三混凝三土翼三板受三壓區三形心三的距三離；y2——三鋼梁三受拉三區截三面形三心至三鋼梁三受壓三區形三心的三距離三。部分三抗剪三連接三組合三梁在三負彎三矩作三用區三段的三抗彎三強度三，按三nr和Astfst兩者三中的三較小三值計三算。三計算三略偏三保守三，以三補償三混凝三土的三抗拉三作用三、鋼三筋的三強化三作用三以及三構造三鋼筋三的作三用。隨著三抗剪三連接三件數三目的三減少三，鋼三梁與三混凝三土翼三板的三共同三工作三能力三不斷三降低三，導三致二三者交三界面三產生三過大三的滑三移，三從而三影響三鋼梁三塑性三性能三的充三分發三揮，三并使三構件三在承三載力三極限三狀態三時延三性降三低。三為了三保證三部分三抗剪三連接三的組三合梁三能有三較好三的工三作性三能，三在任三一剪三跨區三內，三規范三規定三部分三抗剪三連接三時連三接件三的數三量不三得少三于按三完全三抗剪三連接三設計三時該三剪跨三區內三所需三抗剪三連接三件總三數的50三%，否三則將三按單三根鋼三梁計三算，三不考三慮組三合作三用。部分三抗剪三連接三時，三組合三梁的抗剪三連接三件必三須具三有一三定的三柔性三，即三理想三的塑三性狀三態，三因此三規范三規定三栓釘三直徑d22三mm，桿三長l4d。此外三，混三凝土三強度三等級三不能三高于C4三0，以三保證三栓釘三工作三時全三截面三進入三塑性三狀態三。11三.6三鋼三梁板三件的三寬厚三比當塑三性中三和軸三在混三凝土三翼板三內或三板托三內時三，整三個鋼三梁處三于受三拉狀三態，三則不三應對三鋼梁三板件三寬厚三比提三出要三求。當塑三性中三和軸三在鋼三梁內三時，三為保三證截三面塑三性能三充分三發展三，應三按塑三性設三計的三規定三控制三鋼梁三板件三的寬三厚比三。受三壓翼三緣板三的外三伸冤三度b三與其三厚度三t之三比的三控制三式為三b/三t≤三9。實際三上此三規定三是偏三于保三守的三，因三受壓三翼緣三焊有三連接三件，三不易三失去三局部三穩定三。塑性三中和三軸在三鋼梁三內時三，腹三板小三部分三為受三壓區三，大三部分三為受三拉區三，整三個腹三板屬三偏心三受拉三的工三作狀三態。三如果三偏安三全地三參照三塑性三設計三時偏三心受三壓的三控制三式，三得腹三板總三的計三算高三度h0與其三厚度三tw之比三的控三制式三為：也可三以將三塑性三中和三軸以三上的三受壓三區視三為軸三心受三壓構三件的三腹板三，取三：式中三h1為腹三板受三壓區三的高三度。由于三連續三梁內三力重三分配三時負彎三矩區三需具三有一三定的三轉動三能力三，同三時還三需控三制裂三縫寬三度，三一般三要求三對縱三向鋼三筋的三配筋三數量三加以三限制三，即三多數三情況三下，三鋼筋三所承三擔的三力與三鋼梁三承擔三的力三之比Astfst/A三f小于三0.三37三，此三時，三鋼梁三腹板三高厚三比應三滿足三條件三：11三.7三抗三剪連三接件三的計三算抗剪三連接三件是三組合三梁設三計的三關鍵三技術三之一三，目三前一三般采三用圓三柱頭三栓釘三、槽三鋼和三彎起三起鋼三筋等三三種三抗剪三連接三件，三它們三單位三承載三力的三耗鋼三量之三比約三為1三：2三.5三：5三，以三栓釘三最省三，彎三筋耗三鋼量三最大三。所三以在三條件三許可三情況三下，三應盡三可能三采用三以專三門設三備進三行接三觸焊三的圓三柱頭三栓釘三。圓柱三頭栓三釘連三接件三主要三靠栓三桿抗三剪來三承受三剪力三，用三圓頭三抵抗三掀拉三力。三根據三試驗三，栓三釘連三接件三主要三有兩三種破三壞模三式，三即栓三釘根三部混三凝土三受局三部承三壓作三用，三根部三混凝三土區三出現三局部三破碎三或栓三釘桿三被剪三壞。三因而三影響三圓柱三頭栓三釘連三接件三抗剪三承載三力的三主要三因素三有：三①三栓桿三的直三徑d三（或三栓釘三的截三面積三As）；三②三混凝三土的三彈性三模量三Ec三；③三混三凝土三的強三度等三級。關于三圓柱三頭栓三釘的三抗剪三承載三力，三根據三歐洲三鋼結三構協三會組三合結三構規三范等三資料三，其三承載三力的三限制三條件三為0三.7Asfu。但三在修三訂8三8規三范時三，認三為我三國使三用經三驗不三足，三將fu改為f，即三：GB三J1三7-三88三規范三發行三以來三，設三計者三在使三用中三發現三，Nvc均由三“三≤0三.7Asf”控三制，三“三”不三起作三用，三使栓三釘數三偏多三，現三將此三限制三條件三改為三：“三0.三7Asrf”，r為栓三釘材三料的三強屈三比，三按規三定，三栓釘三材料三為4.三6級，三即f=2三15三N/三mm2，r=1三/0三.6三=1三.6三7。以上三對抗三剪連三接件三承載三力的三計算三公式三，是三根據三正彎三矩作三用下三的試三驗結三果得三到的三，當三栓釘三位于三負彎三矩區三時，三混凝三土翼三板處三于受三拉狀三態，三栓釘三周圍三的混三凝土三對其三約束三程度三不如三正彎三矩區三的栓三釘受三到周三圍混三凝土三約束三程度三高，三故位三于負三彎矩三區的三栓釘三抗剪三承載三力應三予折三減。三規范三規定三，對三位于三負彎三矩區三段的三抗剪三連接三件，三其抗三剪承三載力三設計三值三對中三間支三座應三乘以三折減三系數三0.三9，三對懸三臂部三分應三乘以三折減三系數三0.三8。用壓三型鋼三板作三混凝三土翼三板的三底模三時，三其抗三剪連三接件三一般三用栓三釘，三栓釘三根部三無混三凝土三約束三，當三壓型三鋼板三垂直三于鋼三梁時三，混三凝土三肋是三不連三續的三。壓三型鋼三板組三合梁三的破三壞主三要表三現為三混凝三土肋三的破三壞。三其承三載力三極限三狀態三首先三表現三為混三凝土三肋和三壓型三鋼板三的粘三結破三壞，三然后三是混三凝土三肋剪三切破三壞，三此時三栓釘三的承三載力三要低三于混三凝土三實板三的情三況，三故栓三釘的三抗剪三承載三力應三予折三減，三規范三規定三的折三減系三數是三根據三試驗三分析三而得三的，三分為三兩種三情況三。當壓三型鋼三板的三肋平三行于三鋼梁三布置三時，三栓釘三承載三力折三減系三數為三：bw——三混凝三土凸三肋的三平均三寬度三，當三肋的三上部三寬度三小于三下部三寬度三時改三取上三部寬三度；he——三混凝三土凸三肋高三度；hd——三栓釘三高度三。當壓三型鋼三板的三肋平三行于三鋼梁三布置三時，三栓釘三承載三力折三