浅谈几版规范在钢与混凝土组合梁设计的变化

浅谈几版规范在钢与混凝土组合梁设计的变化

董帅

建研科技股份有限公司 北京市 100000

摘要:《钢结构设计标准》^[1]（GB 50017-2017）（以下简称17版新钢标）实施已经有3年了，新钢标在常用的钢与混凝土组合梁设计上与《钢结构设计规范》^[2]（GB 50017-2003）（以下简称03版规范）及《钢结构设计规范》^[3]（GBJ17-88）（以下简称88版规范）有什么区别及联系，本文进行了简单整理，以便更好的理解相关条文的含义及更好的执行。

关键词：组合梁;承载力极限状态;正常使用极限状态

1 各版规范在钢与混凝土组合梁设计方面的调整

88版规范新增塑性设计和钢与混凝土组合梁相关内容。

03版规范取消了88版规范在塑性设计和钢与混凝土组合梁中取消了对钢材和连接的强度设计值要乘折减系数0.9的规定。补充了钢与混凝土连续组合梁负弯矩部位的计算方法，混凝土翼板用压型钢板做底模的组合梁计算和构造特点，部分抗剪连接的组合梁的设计规定以及组合梁挠度计算。

17版新钢标补充了纵向抗剪设计，删除了与弯筋连接有关内容，新增钢与混凝土组合梁疲劳验算内容。

2 适用范围

不直接承受动力荷载的组合梁适用于第14章的设计方法，即承载力采用塑性设计方法，采用塑性方法除了不直接承受动力荷载、板件的宽厚比需满足塑性设计要求尚应满足第10章的有关规定，例如满足钢梁下翼缘畸变稳定要求等。直接承受动力荷载的梁除了需按照弹性方法进行计算外还需要进行疲劳计算。另外组合梁的正常使用极限状态的验算也采用弹性计算。03版规范对于组合梁设计适用范围的要求与17版新钢标相同，88版规范仅适用于简支组合梁。当钢梁板件（即连接件可以约束的跨中上翼缘）不满足塑性设计要求但连接件满足满足17版新钢标第14.1.6条要求时，考虑连接件对板件的约束，也可以按照塑性设计。

3 承载力极限状态验算

对于有效翼缘宽度的计算17版新钢标根据国内大量实验同时参考混凝土结构设计规范，并借鉴欧洲组合结构设计规范EC4的相关条文，认为混凝土翼板的有效宽度主要与梁跨度相关，与混凝土板厚度关系不大，同时根据梁端约束条件不同及所计算位置不同给出了不同的等效跨径的计算方法，通过计算比较按17版新钢标计算的正弯矩区略大于EC4规范，但考虑此有效宽度是基于弹性阶段计算的，比实际值偏小，所以是安全的。88版规范及03规范按照混凝土规范执行，有所区别的是03版规范详细给出了压型钢板作为模板时板厚的取值方法。当进行整体分析时，组合梁与柱铰接或作为次梁，仅承受竖向荷载时，翼板有效宽度可统一取跨中截面，与EC4规范相同。

托板顶部宽度b₀的取值方法88版规范及03版规范取梁上翼缘宽或板托顶部宽度（角度小于45°）。17版新钢标对混凝土板不与钢梁直接接触的情况（如有压型钢板分隔）给出了具体规定：取栓钉的横向间距，仅有一列栓钉时取0（mm）。

17版新钢标在计算梁两侧翼缘板计算宽度时要求中和轴位于混凝土板内，对于除此之外的情况没有给予说明，通过查阅型钢板所参考的欧洲组合结构设计规范EC4规范相关条文，发现没有相关的要求，另外根据17版型钢板的条文解释推测当中和轴不在楼板范围内时仍可采用相同的取法。

4 正常使用极限状态验算

考虑在荷载的标准组合下组合梁截面弯矩较小，此时仍处于弹性工作状态，所以各版规范均规定按照弹性方法进行正常使用极限状态的验算。板托靠近中和轴，对组合梁的强度、变形及裂缝宽度影响很小，可不考虑托板的影响。考虑混凝土徐变影响，在荷载长期效应组合下换算钢截面时将钢与混凝土的弹性模量比放大一倍。以上几版规范要求相同。

03版规范及17版新钢标的组合梁适用范围包括连续连，因此正常使用极限状态验算也包括负弯矩区裂缝验算，此时因混凝土板处于受拉区，参考欧洲组合结构设计规范EC4在0.15l范围内不考虑混凝土翼板的作用，仅计入在翼板有效宽度be范围内负弯矩钢筋截面对截面刚度的影响。两版挠度的计算方法相同，都考虑因柔性连接件的变形导致的组合梁刚度折减，在03版规范里明确表示连接件刚度系数k在采用压型钢板时应改要求进行折减，17版新钢标没有明确具体要求。

因钢材和混凝土导热系数不同，钢材升温速度比混凝土快，所以对于露天环境及直接受热源辐射作用的组合梁新钢标要求按照混凝土板和钢梁间实际的温差考虑温度效应，一般可取计算温差为10~15℃，当实际温差更大时可按实际情况考虑。混凝土凝结及硬化过程会产生收缩，收缩会在组合梁内部产生自平衡内力，效果类似于温度应力，建议按照15℃温差来考虑混凝土收缩的影响。以上两点是17版新钢标新增的具体要求。

5 两阶段验算（仅考虑常用的不设临时支撑情况）

组合梁的混凝土翼缘混凝土强度达到75%以前，组合梁的自重及其上部的施工荷载应全部由钢梁独自承担，此阶段应验算钢梁的强度、变形及稳定，此处需注意钢梁的挠度限值除满足相关章节要求外尚不应大于25mm，以免下凹过大增加混凝土用量及自重。

组合梁的混凝土翼缘混凝土强度达到75%以后，荷载由组合梁承担，此时验算挠度及弹性设计的组合梁应力需将两阶段的值叠加。采用塑性设计方法的组合梁，其承载力极限验算可不考虑两阶段验算，按组合梁一次承受全部荷载计算。

支座负弯矩区裂缝的验算，可仅考虑第二阶段形成组合截面之后的情况。根据17版新钢标的建议负弯矩区组合作用会使楼板产生裂缝，可以通过合理的施工措施以及采用特殊连接件的方式达到理想的抗裂效果。

总结如下：

6 组合梁设计

88版规范考虑塑性设计时一些不利因素，例如：变形过大、不考虑二阶效应、重复卸载加载可能使变形不断增大等，将钢材和连接的强度设计值f_p按非塑性设计时采用的f乘以折减系数0.9，因此组合梁设计也对此有明确的要求。在03版规范中，经过一系列分析认为可以取消了0.9系数，所以塑性设计及组合梁设计中明确表示不再乘以0.9的折减系数。新版钢标中组合梁设计虽然也没有要求乘0.9的系数，但新钢标的塑性设计章节中塑性铰部位按照塑性设计的公式中含有一个0.9的系数，此处与03版规范不同，不知此处0.9的系数是否考虑此原因。

17版新钢标中允许采用弯矩调幅代替塑性机构分析，以便使塑性设计实用化。在组合梁设计章节中规定连续组合梁承载能力验算弯矩调幅上限为20%，正常使用极限状态验算弯矩调幅上限为15%，此处需注意区分。

这两版规范相比88规范增加了负弯矩区的设计法，并且将混凝土弯曲抗压强度设计值随混凝土规范调整为混凝土抗压设计值。17版新钢标的组合梁承载力计算与03版规范相同，仅增加了当V>0.5h_wt_wf_v时（即剪力较大，需考虑剪力对弯矩影响）的计算方法，这种主要是考虑负弯矩区，弯矩和剪力都较大的情况。

7 连接件计算

88版规范与03版规范采用了三种连接件：圆柱头焊钉连接件、槽钢连接件、弯筋连接件。考虑弯筋连接件现场施工不便且质量难以保证，新钢标不再推荐使用。各版规范对连接件的计算是相同的，仅在材料强度取值方面有所不同，例如焊钉连接件计算中除因混凝土规范取消的混凝土轴心抗压强度设计值以外，焊钉的抗拉强度设计值各版规范也有所不同。焊钉连接件的受剪承载力为混凝土局压和焊钉抗拉强度双控，88版规范考虑经验不足，受剪承载力计算时取焊钉抗拉强度设计值，03版规范考虑按88版规范设计时焊钉抗拉控制为主也导致焊钉数量很多，故03板规范增加了调整系数将抗拉强度设计值实际提高为屈服强度，新钢标根据实验结果取为抗拉极限值。从88版规范到17版新钢标焊钉抗拉强度从抗拉设计强度到屈服强度再到极限强度，由此可见随着规范的调整对焊钉的利用越来越充分。

抗剪连接件计算剪跨区划分时03规范为以弯矩绝对值最大点及零弯矩点为界限大致划分为5个区段，而新钢标则以弯矩绝对值最大点及支座为界限大致划分为3各区段，考虑到03规范注明当采用焊钉及槽钢连接件时个别区段可以合并，合并后03规范的剪跨区段与新钢标相同，同时结合新钢标不推荐采用弯筋连接，可以认为在抗剪键计算的剪跨区段划分及抗剪连接件数目两版规范是一致的。考虑到负弯矩区混凝土板处于受拉状态，此时对焊钉的受剪承载力有一定影响，需要进行折减，另外03规范还对悬臂区域提出了更高的要求。

8 纵向抗剪计算

03版规范中已提出需要按照相关规定进行混凝土翼板的纵向抗剪验算，但未给出具体的验算方法。新钢标中给出了具体的验算方法，常用的需要进行混凝土板厚方向及刚好包络焊钉外边缘两种情况的验算。

9 构造

钢与混凝土组合梁构造方面，17版新钢标除了删除有关弯筋连接件的内容以外，仅在组合梁与钢梁截面高度比值、托板高度与翼板高度比值及连接件沿梁间距的方面与03版规范不同以外，其余均匀03钢标相同。

结论：以上总结了几版规范在钢与混凝土组合梁设计中的规范要求，根据材料、理论、施工、计算手段的发展，这些要求有的延续有的消失有的发展，通过总结梳理相应的关系，希望能对钢与混凝土组合梁设计带来帮助。

参考文献

[1] GB 50017-2017《钢结构设计标准》 北京，中国建筑工业出版社，2017

[2] GB 50017-2003 《钢结构设计规范》 北京，中国计划出版社，2003

[3] GBJ17-88《钢结构设计规范》 北京，1989