钢与混凝土组合梁的应用实例

李蔚然（中色科技股份有限公司，河南　洛阳　471039）



钢与混凝土组合梁的应用实例

李蔚然
（中色科技股份有限公司，河南洛阳471039）

摘要：组合梁是由钢梁、钢筋混凝土板及两者之间的剪切连接件组成整体而共同工作的一种结构形式。混凝土处于受压区，钢梁主要处于受拉区，两种不同材料都能充分发挥各自的长处，受力合理，节约材料。本文通过一个工程实例，介绍一些该结构形式的技术特点及设计过程中的一些计算及构造细节。

关键词：压型钢板组合梁；设计计算；设计方案

一、工程概况

某钢结构框架厂房，两层，柱距6m，底层跨度6m，四跨，层高4.2m，二层两跨12m，层高3.9m，二层楼面采用钢梁混凝土板，设计楼面活荷载2t/m2，无动力荷载，屋面采用轻型彩钢板。抗震设防烈度6度，0.05g，地震分组第二组，场地类别二类，地基比较均匀，土质良好。

二、工程设计方案

根据工程基本情况，拟定设计方案采用底层钢框架，上层门式刚架，楼面沿纵向设置次梁兼做横向刚架侧向支撑，次梁间距3m。次梁采用混凝土-钢梁组合结构，主刚架梁采用非组合连续钢梁。刚架采用PKPM-STS钢结构整体计算。

三、楼板的设计计算

压型钢板-混凝土做组合楼板时，钢板能作为板底受力钢筋，比非组合楼板更省材料，但是，施工中需要采用比较可靠地连接构造传递压型板与混凝土结合面的纵向剪力，并需要在压型板上涂刷防火涂料及后期保护性维护。因此本工程采用非组合型楼板，压型板仅作为混凝土的永久支撑使用，楼板按照普通楼板设计。

四、组合梁的设计

1 组合梁的设计计算原则

组合梁均按照极限状态设计准则进行，塑性设计法比弹性设计法计算简便，且考虑钢梁的塑性承载力，与实际情况更吻合，安全的同时更加经济，本工程采用塑性设计方法计算组合梁的承载力。

2 简支组合梁的受弯承载力计算

计算组合梁的受弯承载力需首先确定梁属于完全抗剪连接或部分抗剪连接，然后采用相应的公式计算其受弯承载力。对于简支梁，仅存在正弯矩区，钢梁与混凝土面之间的纵向剪力Vs取Af和behc1fc中的较小值，若抗剪连接件能完全抵抗此纵向剪力，抗剪件不会进入全截面塑性状态，钢梁与混凝土理论上无相对滑移，即完全抗剪连接；若抗剪连接件不能完全抵抗纵向剪力，抗剪连接件全面进入塑性状态后，钢梁与混凝土之间将会产生相对滑动，即部分抗剪连接。

3 组合梁的抗剪承载力计算

组合梁的全部竖向剪力，由钢梁的腹板承受，按下式计算：V≤hwtwfv，对于连接节点处，梁端剪力还应考虑强剪系数1.3。

4 本工程组合梁截面的选取和计算

工程材料：混凝土C30，钢梁钢材Q345B，因采用压型钢板，抗剪连接件采用圆柱头栓钉，性能等级4.6级，f＝215N/mm2，r＝1.67。

（1）梁上荷载计算

恒载：上部楼板自重，及楼板面层

gk1＝（25×0.2＋1.1）×3.0＝18.6kN/m

gk2＝1kN/m（钢梁自重）

活荷载：使用荷载20kN/m2

qk＝20×3＝60kN/m

（2）单个栓钉抗剪承载力

压型钢板组合梁，栓钉的抗剪承载力需要考虑折减系数βv，本工程压型钢板板肋垂直于钢梁布置，

其中，bw——混凝土凸肋的平均宽度，当肋的上部宽度小于下部宽度时，区上部宽度；he——混凝土凸肋的高度；hd——栓钉的高度；n0——梁截面肋中栓钉数，多于3个时，按3个计算。

本工程中，将压型板较宽凸肋朝下，bw＝120，单排按2个栓钉考虑，凸肋高度he＝60，栓钉高度hd＝130，30≤hdhe＝70≤75，满足构造要求。

（3）钢梁截面的初步选择

钢梁的抗剪全部由腹板承担，故可以根据支座剪力及板的高厚比限制估算钢梁的高度

支座剪力V＝[（18.6＋1）×1.2＋60× 1.4]×3＝322.56kN

腹板主次梁连接处考虑切肢削弱每侧45mm，节点连接处考虑强剪系数1.3，腹板按弹性高厚比控制，则有：

[V]＝（66tw-90）×tw×180≥1.3× 322.56×1000

hw≥6.5，取板厚tw＝8mm

反算梁高度h0

（H0-90）×8×180≥1.3×322.56×1000

H0≥381mm，初步取H0＝400mm进行试算

根据构造要求及试算，满足使用阶段的强度及刚度要求下，钢梁截面H＝450，上翼缘宽度160mm，厚度12mm，下翼缘宽度200mm，厚度8mmAs＝6960mm2。

混凝土翼板的有效宽度

be＝b0＋b1＋b2

其中，b0＝130（压型板上部宽度）

b1＝b2＝min（L/6，6×hc1，S/2）＝min（6000/6，6×160，3000/2）＝1000

be＝b0＋b1＋b2＝130＋1000＋1000 ＝2130mm

A×f＝6960×310＝2157.6kN·m

be×hc1×fc＝2130×160×14.3 ＝4873.44kN·m

因此，组合梁的纵向剪力

Vs＝Af＝2157.6kN·m

抗剪连接件的设置：

根据构造，最终设置单排2M16栓钉（As＝201mm2），单个栓钉抗剪承载力βv×Nvc＝1.0×251.34×201＝50.53kN，按完全抗剪连接，需栓钉排数n＝2157.6/（50.53×2）＝22排，排间距S＝3000/22＝136mm，因板肋的间距为200mm，不能保证栓钉均位于板肋上，故不能满足要求，因此改用部分抗剪连接设计，栓钉间距S＝200mm，均设于板肋间，经过计算，钢梁强度及刚度满足要求，实际栓钉排数n＝3000/200-1＝14排，满足完全抗剪连接50%的最小要求，且钢梁翼缘，腹板厚度均满足相应的高厚比及其它构造要求。

（4）组合梁与非组合梁的经济型比较

如果采用非组合梁，按简支梁计算，需采用H600×200×10×10截面钢梁，As＝9800mm2，相对节省钢材率（9800-6960）/9800＝28.9%。

参考文献

[1]张作运，陈远椿，周廷坦.钢与混凝土组合梁设计[M].北京：中国建筑工业出版社.

中图分类号：TU375

文献标识码：A