高层钢—混凝土组合结构体系性能研究

王新良 周 伟 冒鹏飞

(1.镇江华锦新型材料有限公司，江苏 镇江 212002;2.镇江市建科工程质量检测中心有限公司，江苏 镇江 212002)

0 引言

钢—混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁与混凝土板连成整体而共同工作的抗弯构件，它是在钢构件和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，当组合梁承受弯矩时，混凝土板处于受压区，钢梁大部分处于受拉区，因而能够充分发挥两种材料各自的力学性能。它与普通钢筋混凝土梁相比，具有以下优点[1]:

1)延性好，刚度好，抗冲击、抗疲劳性能好，稳定性好，可以减小噪声;2)减小截面高度，建筑空间布置灵活，能满足不同用户对建筑的多种功能要求;3)节约钢材，降低造价;施工方便，施工周期短。

近年来，钢—混凝土组合结构在房屋、桥梁、地下建筑、海洋工程和特殊容器等领域得到了较为广泛的应用，并不断发展。

1 结构特点

1.1 构造形式

压型钢板组合梁结构是在普通钢梁和压型钢板组合楼板之间设置剪力连接件，在保证二者共同工作的前提下，楼板承担部分或全部梁体的压力，钢梁承担拉力，充分利用钢构架优越的受力特性、高承载力以及良好的抗震性能，并通过压型钢板组合楼板的稳定性以及提高钢梁的刚度及承载力。压型钢板组合梁与纯钢梁构造及受力示意图如图1所示。

图1 压型钢板组合梁与纯钢梁比较

1.2 受力性能

试验研究与有限元分析结果表明，该类型组合梁结构具有承载力高、刚度大、变形能力强等诸多优点。相同参数条件下，纯钢梁与压型钢板组合梁相比较，承载力方面后者比前者提高约20%～30%(抗剪承载力提高幅度尤为显著)，刚度提高约20%[2]。对比数据说明该类型转换梁在受力性能方面较纯钢梁有显著的改善。由于钢—压型钢板组合梁合理地利用了材料，充分发挥了钢和混凝土各自的材料特性，与钢结构方案相比，通常可节约钢材20%～40%。同时，与钢结构方案相比，钢—压型钢板组合梁的整体性强，抗剪性能好，耐震性能大大提高。

1.3 施工特点

由于钢构架一般采用工厂预制现场吊装拼接的施工方法，方便控制施工质量，缩短施工工期，而且可利用压型钢板作为模板，钢梁作为模板支撑，并承担作用在钢梁上的混凝土自重和施工荷载，无需从地面搭设脚手架，降低施工难度，减少施工人力物力投入，降低造价，加快了施工进度。同时，压型钢板组合梁可以在钢梁上焊接托架和牛腿，供支撑室内所敷设的管线，不必像混凝土梁那样需在混凝土中埋设预埋件。

2 工程实际算例分析

南京市某高层建筑的地上部分结构，拟采用纯钢结构和压型钢板组合梁两种方案，本节将对两种结构方案进行对比分析。结果表明:无论在受力性能、施工和经济性等方面，组合结构方案都取得优越的效果。

2.1 工程概况

设计资料:用地面积3800 m2，总建筑面积为38900 m2，其中地上建筑面积为32680 m2，拟建综合楼地上32层，地下2层，1层～18层为办公楼，19层以上为住宅楼，地面以上平面尺寸为24.0 m×40.0 m，其办公标准层平面布置图和住宅标准层平面布置图如图2，图3所示。抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s，建筑地下室框架的抗震等级为三级抗震，基本风压为 0.45 kN/m2，基本雪压为 0.65 kN/m2，地面粗糙度为C类。

图2 1层～18层平面布置图

图3 19层～32层平面布置图

2.2 结构方案比较

2.2.1 纯钢结构方案

参考其他类似情况，建筑物的设计方法，该商住综合楼初期的结构方案为采用纯钢结构方案，即梁、柱均采用纯钢结构，梁板节点不设抗剪连接件，不考虑楼板与钢梁的组合作用。由于钢结构发展较为成熟，纯钢结构的处理办法计算相对简单易懂，方便易用，在工程设计中已有不少应用。

但是由于钢梁与组合楼板之间没有设置抗剪连接件，无法考虑楼板对钢梁的加强作用，因此实际所需的用钢量肯定要比考虑组合作用时大，且由于用钢量的增加，钢梁高度的增大，影响了楼层的净高。这样看来，对于使用纯钢梁的方案，无论从经济性，还是从适用性来说，都没有采用组合梁好;而对于施工来说，纯钢结构方案中采用压型钢板组合楼板，只需在压型钢板的板肋中添加与钢梁连接的剪力连接件，就可以实现梁板的组合效应，无论是对施工难度还是施工费用来说都增加不多。因此，有必要进行方案优化，以改善结构的受力性能，并尽可能降低工程造价，达到经济性和实用性的统一。

2.2.2 压型钢板组合梁结构方案

采用压型钢板组合梁结构体系，即在原有纯钢结构方案的基础上，设置压型钢板组合楼板与钢梁之间的抗剪连接件，从而考虑梁板组合效应。采用闭口型BD-65-0.75压型钢板，此种压型钢板具有承载力强，耐火性能好，防腐蚀能力强，施工方便等特点。钢梁与组合楼板通过剪力连接件共同作用，形成组合受力体系。板体有效覆盖宽度为555 mm，板肋高度为65 mm，钢板厚度为0.75 mm，楼板总厚为 120 mm。根据参考文献[3][4]，利用PKPM软件进行结构建模计算，利用同济大学的MTS组合构件工具箱设计计算组合梁，两种结构方案的截面尺寸和结构用钢量见表1。

表1 两种结构方案比较

利用SATWE模块进行了弹性时程分析与罕遇地震下弹塑性时程分析(EPDA)，输入了地震波San Fernando波，TFT-2波，兰州人工波，南京波，并进行了全楼连接节点设计，控制其弹性层间位移转角限值和弹塑性层间位移角分别为1/300和1/75，结果如表2，表3所示。由上述分析可以看到，与纯钢梁相比，采用组合梁设计方案还是比较经济的，由于其考虑了组合作用，因此，组合梁的尺寸肯定要比纯钢梁小得多，显然这个方案更为合理。

3 中、欧规范的挠度计算比较

本工程设计实例中，组合梁设计为挠度控制，因此组合梁的挠度验算决定了组合梁截面是否符合设计要求。考虑到上述问题，将欧洲设计规范4[5]和中国《钢结构设计规范》[3]对组合梁的挠度计算进行对比。本设计中采用其中一个次梁进行对比。组合梁跨度为8 m，梁两边间距分别为2.7 m和2.6 m，相关设计参数如下:楼盖总厚度为120 mm，其中压型钢板肋高hf=50 mm;自攻螺钉直径19 mm，长度95 mm;选用Q345钢材，钢梁型号H294×200×8×12;采用普通混凝土，混凝土等级为C30;楼面恒荷载包括钢梁和楼板自重为4.5 kN/m2，楼面均布活荷载3.5 kN/m2。施工过程中无支撑。

表2 SATWE模块弹性时程分析

表3 罕遇地震下弹塑性时程分析

3.1 组合梁有效宽度

欧洲规范对于单排自攻螺钉简支梁翼缘板有效宽度be，取梁左右板跨的1/8之和;中国规范简支梁翼缘板有效宽度be按式(1)计算:

其中，b0为钢梁翼缘宽度;b1=b2=min{l/6，6h，s1，s0/2}，h为混凝土板总厚度;s1为翼缘实际外伸宽度;s0为相邻钢梁或板托间净距。

3.2 挠度验算

在欧洲规范中，在完全剪力连接组合梁挠度计算中，采用换算截面法计算组合梁的刚度;对于部分抗剪连接梁，在完全剪力连接梁的基础上[6]，按照式(2)进行计算:

式(2)中相关参数参照文献[6]。

中国规范考虑了滑移效应，应分别按荷载的标准组合和准永久组合进行计算，以其中较大值作为依据。组合梁的挠度应采用折减刚度进行计算:

其中，E为钢梁弹性模量;Ieq为组合梁换算截面惯性距;ζ为刚度折减系数。

3.3 验算结果比较

中、欧规范对于简支梁有效宽度的规定存在较大的不同，中国规范考虑了梁跨度、翼缘板厚度及梁间距等因素的影响，欧洲规范统一选取简支梁跨度的1/4[7];从而在计算组合梁有效刚度时产生影响，使得组合梁计算挠度存在区别。1)组合梁有效宽度:欧洲规范计算bf=2000 mm，中国规范计算bf=1640 mm;2)组合梁总挠度:欧洲规范计算δ=25.2 mm，中国规范30.2 mm。由计算结果可见，对于本设计对象，根据中国规范计算的结果更加保守。对于组合梁挠度的计算，中国规范采用折减刚度法考虑了滑移效应对组合梁挠度的影响;欧洲规范考虑了剪力连接程度，采用换算截面法在完全剪力连接梁的基础上计算，形式上更加简单。

4 结语

钢—压型钢板组合梁具有优越的力学性能、施工性和经济性。该新型构件具有以下的优点:

1)由于钢梁和楼板由剪力连接件连接，起到组合作用，提高了承载力，结构上减少了截面尺寸，增加了使用空间，提高了建筑面积的使用率。

2)压型钢板组合梁和普通钢梁相比，截面尺寸减小而降低了造价。

3)刚性钢板组合楼板和普通钢筋混凝土板相比，楼板配筋少，整体性强，抗裂性能好，节省工时，方便施工。

4)楼板与钢梁通过剪力连接件连接，改善了钢梁的受力状况，提高了梁的整体刚度和变形协调能力，有利于结构抗震。

5)压型钢板组合梁与纯钢梁相比，刚度大，稳定性好，而闭口型压型钢板与开口型相比，耐火性能好，节省了后者的防火费用。

压型钢板组合梁是一种高承载力的既安全又经济的结构构件，它不仅可以在高层上使用，还可以推广应用到超高层建筑大空间结构、桥梁工程、大跨重载结构或其他特殊结构上。

[1]许兰兰.钢—混凝土组合梁挠度研究发展概述[J].江苏建筑，2006(3):12-14.

[2]陈忠汉，胡夏闽.组合结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4]王 挺，聂建国，李炳益，等.钢—压型钢板混凝土组合梁极限抗弯承载力的研究[J].建筑结构学报，2001，22(2):61-65.

[5]Eurocode 4 Part 1.1.Design of Composite steel and Concrete Structures，General Rules and Rules for buildings[S].

[6]LAWSON R M，CHUNG K F.CompositeBeam Design to Eurocode 4[R].Berkshire:Steel Construction Institute，1994.

[7]杨 璐，王元清，石永久，等.中国、欧洲钢—混凝土组合梁的设计规范比较[J].建筑科学与工程学报，2006，23(4):34-37.