钢与混凝土组合梁的设计步骤解析

钢与混凝土组合梁的设计步骤解析

王世呈

扬子石化–巴斯夫有限责任公司 南京 210000

摘要：本文介绍了钢与混凝土组合梁的特点，对钢与混凝土组合梁的主要设计思路及计算方法进行了简要的概述，就设计中的一些概念和步骤进行解析，供大家参考。

关键词：钢与混凝土组合梁；翼板；板托；抗剪连接件

一、概述

钢与混凝土组合梁是由钢梁和钢梁所支承的钢筋混凝土板通过连接件使钢梁和钢筋混凝土板结合成为整体而共同工作的一种结构形式。组合梁充分利用了钢材和混凝土两种材料和结构特性，充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土抗压性能。钢材的抗拉性能好，把钢材布置在构件的受拉区、混凝土的抗压性能好而抗拉性能差，故把混凝土布置在构件的受压区，相互祢补了彼此的弱点，充分发挥了彼此的长处，从而达到节约材料的目的。

同材料单一结构相比，组合梁具有承载力高，结构刚度大，节约钢材（可达15%~25%），降低造价，降低楼盖结构高度（可降低20%~30%），增强了钢梁的整体稳定性，防水性能好，抗震性能强，便于铺设管线等特点，组合梁的截面高度比混凝土梁小，组合梁的截面高度仅为（1/16~1/20）L（视载荷、跨度、梁间距而定）；因而能增大室内的净空高度，增大使用空间，由于采用钢梁，减少了部分模板工作量，施工简单方便，不需复杂的施工工艺，具有较为显著的技术经济效果。

组合梁与非组合梁相比，其缺点在于：1.由于钢梁顶面焊有抗剪连接件，在施工中行走不便；2.耐火等级差，对耐火要求高的钢梁，需要对其涂刷耐火涂料，增加了项目造价。

二、组合梁的设计

厂房内各种平台跨度不大时，设计中往往采用钢筋混凝土结构，一般也能满足使用要求，但工艺和使用往往要求有较大的跨度和柱距，这时采用钢筋混凝土结构往往不能满足使用要求；采用钢梁与混凝土板组合楼盖，在钢梁的翼缘上，每隔一定距离便焊有圆柱头焊钉连接件或短槽钢连接件，通过连接件使钢梁与混凝土板联结成为整体而共同工作，其全部荷载由组合梁的整个截面承受，这种结构应称为钢与混凝土组合梁结构。由于钢梁与混凝土板共同工作，故钢梁截面较小，挠度小，刚度大，降低楼盖结构高度，经济性较好。

下面以一根12m跨组合梁为例说明其设计过程需要考虑的问题并进行分析。

1、有关数据

4m柱距12m跨钢混凝土组合梁。混凝土板厚取板跨度的1/30，即4000/30=133mm，故初选板厚120mm，混凝土采用C30级，钢材采用Q235，承受均布荷载。栓钉采用Ø16，其f=215N/mm²，fu=400N/mm²。

2、组合截面高度的确定

钢-混凝土简支组合梁的高跨比一般可取1/16~1/20，则组合梁的高度h=600~750mm，初选组合梁高度为620mm。

3、钢梁截截面高度的确定

根据组合梁的受力特点，采用上翼缘窄而下翼缘宽的不对称工字形截面较为理想。对跨度大、荷载重的组合梁，采用两根不同型号的工字钢沿纵向切割开并相互焊接而成，也可用三块板焊接或采用H型钢。节约材料，便于楼层管道通过，有时也采用蜂窝梁。根据组合梁的构造要求，钢梁截面高度不应小于组合梁的截面总高度的1/2.5，初选钢梁高度为500mm。

4、确定跨中混凝土翼板的有效宽度be

be=bo+b1+b2

其中bo为板托顶部的宽度，当板托倾角α<45⁰时，应按α=45⁰计算;当无托板时，则取钢梁上翼缘的宽度。

b1、b2分别为梁外侧和内侧的翼板计算宽度，当塑性中和轴位于混凝土板内时，各取梁等效跨径的1/6。此外，b1不应超过翼板实际外伸宽度S1; b2不应超过相邻钢梁上翼缘或板托间净距S₀的1/2。

5、组合梁换算截面特征

组合梁的变形计算应按弹性理论进行，对于连续组合梁，在距中间支座两侧各0.15L范围内，不应计入受拉区混凝土对刚度的影响，但宜计入翼板有效宽度be范围内纵向钢筋的作用。对荷载的标准组合，可将混凝土翼板有效宽度除以钢与混凝土弹性模量的比值α_E换算钢截面宽度后，计算整个截面的惯性矩；对荷载的准永久组合，则除以2α_E换算钢截面。

6、组合梁承载力计算

首先明确一下什么是完全抗剪连接和部分抗剪连接？

（1）当组合梁的抗弯承载力由连接件的抗剪能力控制时，称为部分抗剪连接组合梁。在这种情况下，最大弯矩截面与零弯矩截面之间连接件的总抗剪能力不足以抵抗由极限平衡条件确定的剪力。在满足承载力和变形要求的前提下，允许采用部分抗剪连接设计。

另外，当楼盖采用压型钢板时，每个板肋中只能布置1~2个栓钉，往往难以做到完全抗剪连接。而且受板肋几何尺寸的限制，即使布置更多栓钉，其承载力也无法充分发挥。因此，部分抗剪连接设计将给设计和施工带来很大方便，并使造价得到一定程度的降低。这种设计方法已为各国主要规范采纳。需注意，在任何情况下，部分抗剪连接的连接件数量不得少于完全抗剪连接的一半。

（2）当抗剪连接件足以承受组合梁剪跨区段内总的纵向水平剪力，从而足以充分发挥组合梁的抗弯能力时，称为完全抗剪连接组合梁。

（3）抗弯强度

组合梁设计可按简单塑性理论形成塑性铰的假定来计算组合梁的抗弯承载能力。即：1.位于塑性中和轴一侧的受拉混凝土因为开裂而不参加工作，板托部分亦不予考虑，混凝土受压区假定为均匀受压，并达到轴心抗压强度设计值。2.根据塑性中和轴的位置，钢梁可能全部受拉或部分受压部分受拉，但都假定为均匀受力，并达到钢材的抗拉或抗压强度设计值。

正弯矩作用区段：首先分别计算Af和b_eh_c1f_c的数值，

当Af ≤ b_eh_c1f_c时，即表示塑性中和轴在混凝土翼板内。

M ≤ b_eXf_cy

X=Af/(b_ef_c)

当Af > b_eh_c1f_c时，即表示塑性中和轴在钢梁截面内。

相应公式：M ≤ b_eh_c1f_cy₁+A_cfy₂

A_c=0.5(A-b_eh_c1f_c/f)

（4）抗剪强度

组合梁的全部剪力仅由钢梁的腹板承受。

公式采用V ≤ h_wt_wf_v

采用塑性设计和弯矩调幅设计计算，仅考虑钢梁腹板的抗剪作用，不考虑混凝土翼板和钢梁翼缘的抗剪作用，偏于安全。

7、组合梁挠度计算

组合梁的挠度应分别按荷载的标准组合和准永久组合分别进行计算，并取较大值作为设计依据。挠度可按结构力学的方法进行计算，对于仅受正弯矩作用的组合梁，其弯曲刚度应取考虑滑移效应的折减刚度。其折减刚度B可按下式确定：

B=EI_eq/(1+ξ)

其中I_eq为组合梁的换算截面惯性矩，ξ为刚度折减系数。

按荷载的标准组合和准永久组合进行计算时，应各取其相应的折减刚度。

8、抗剪连接件的设计

钢梁与混凝土翼板组成整体整体共同工作的关键是连接件，因此必须引起设计者足够的重视。

当 组合梁弯曲时，混凝土板与钢梁上翼缘之间将产生水平剪力。此剪力由连接件承受，故称抗剪连接件。应沿梁跨方向均匀布置连接件至梁端。

组合梁抗剪连接件有圆柱头焊钉，也可采用槽钢或有可靠依据的其他类型连接件。槽钢连接件取材方便；槽钢连接件一般采用Q235钢轧制的不大于[12.6的槽钢，槽钢连接件翼缘肢尖方向应与混凝土板中的水平剪应力的方向一致。

圆柱头焊钉与槽钢、弯起钢筋连接件相比，施工速度快、焊接质量好，为许多国家所采用，但圆柱头焊钉连接件，需采用专门的焊接机具和焊接工艺。

1. 圆柱头焊钉连接件

(2)槽钢连接件

对于采用压型钢板混凝土组合板做翼板的组合梁，其焊钉连接件的受剪承载力设计值应分别按以下两种情况予以折减：

（1）当压型钢板肋平行于钢梁布置，bw/he<1.5时，按上式算得的承载力公式应乘以折减系数βv后取用。

（2）当压型钢板肋垂直于钢梁布置时，焊钉连接件承载力设计值的折减系数按下式计算。

9、纵向抗剪计算

“纵向抗剪计算”的验算对象是什么？

“ 纵向抗剪计算”是17年新钢标的新增内容。在连接件集中剪力作用下，混凝土楼板可能在连接件周边发生纵向开裂现象，所以“纵向抗剪计算”的验算对象是混凝土板，验算的界面是抗剪连接件外侧的最短连线。如图a-a、b-b。

10、施工阶段验算

组合梁施工时，混凝土硬结前的材料重量和施工荷载应由钢梁承受，钢梁应根据实际临时支撑的情况按相关规定验算其强度、稳定性和变形。

对于不直接承受动力荷载以及板件宽厚比满足塑性调幅设计法要求的组合梁（两项同时满足时），由于采用塑性调幅设计法，组合梁的承载力极限状态验算，可不必考虑施工方法和施工顺序的影响。

三、设计建议

1、在工业厂房设计特别是改造工程中，各种平台，特别是要求有较大跨度和较小梁高的地方，组合梁具有广泛的应用前景。施工简单，速度快，模板工作量小，节约钢材，经济安全。

2、组合梁截面高度较小，仅为(1/16~1/20)L。增大了室内净高，增加了使用空间。

3、组合梁经济适用跨度为9m~18m。

4、组合梁的固端或连接端，应采取构造措施，以便能有效地传递负弯矩和保证钢梁的受压翼缘的稳定性。当钢框架梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接时，可不验算地震作用下的整体稳定。

5、对连续梁或固端的负弯矩区，按钢筋混凝土梁的配筋方式在混凝土翼板内增配负筋，更加合理有效，增加了组合梁的极限承载力。

6、连续梁在中间支座处，受拉的混凝土翼板不参加工作，梁的截面刚度也不考虑混凝土翼板和板托的作用，但在混凝土翼板有效宽度范围内的纵向受拉钢筋可以计算在梁的截面内。

7、在组合梁设计中，组合梁抗剪连接件应优先选用圆柱头焊钉，并满足相关构造规范要求。

结语

综上所述，钢－混凝土组合梁具有良好的抗弯承载力，尤其是在混凝土翼板硬化后，组合梁整体抗弯刚度很大，变形容易满足规范要求，兼有钢结构和混凝土结构的优点，具有良好的综合效益。

参考文献

[1] 《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010（2015年版）

[2]《钢结构设计标准》GB 50017-2017

[3]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（2016年版）

[4] 朱炳寅，《钢结构设计标准理解与应用》

[5] 但泽义，钢结构设计手册(第四版)

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