我国钢骨混凝土转换梁的研究及应用现状

徐树全 张海斌

(哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

由于建筑功能需要，很多时候上层楼层部分竖向构件不能直接连接贯通落地，为解决竖向荷载的传递问题，需设置转换结构构件[1]，转换梁是最为常见的一种转换结构构件，约占总数的85%以上，常用的转换梁形式有钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、钢梁以及钢骨混凝土梁等。作为一种钢—混凝土组合构件，钢骨混凝土转换梁具有承载力高、刚度大、延性好、抗震能力强、防火、防腐性能好等一系列优点[2]，能够很好地解决转换层的抗震问题，同时施工方便，工期较短，近年来在工程中得到了大量的应用。

梁的高度一般根据跨高比决定，文献[3]对国内外八十多栋采用梁式转换层的高层建筑结构进行了统计，结果表明钢骨混凝土转换梁结构的跨高比平均值大于预应力混凝土转换梁和普通钢筋混凝土转换梁，这表明采用钢骨混凝土转换梁可以更有效减小构件截面尺寸。

目前国内对钢骨混凝土转换梁的工程应用与设计计算进行了较多的研究，本文选取其中一些具有代表性的研究现状进行了分类总结。

1 钢骨混凝土有关规范

钢骨混凝土的概念是20世纪50年代从前苏联传入我国的，前苏联的叫法是劲性钢筋混凝土，而在日本则称为钢骨混凝土。经过多年的工程应用和分析研究，目前我国已制定了专门的规程指导钢骨混凝土结构的设计和施工，主要两部为住建部批准的JGJ 138—2016组合结构设计规范(以下简称为《组合规范》)和冶金部批准的YB 9082—2006钢骨混凝土结构技术规程(以下简称为《钢骨规程》)，前者在2016年12月开始实施，取代了之前实施多年的JGJ 131—2001型钢混凝土组合结构技术规程(以下简称为《型钢规程》)。考虑到已有的大量针对钢骨混凝土转换梁的研究和设计均是参照《型钢规程》，尽管该规程已经废止，本文仍然列出了有关该规程的相应内容。

对于上述两部规范规程，前者以钢筋混凝土理论为基础，参考了较多试验研究成果，引入了平截面假定，采用极限状态设计方法进行设计，采用修正的计算公式考虑了型钢与混凝土之间的粘结作用，一定程度上是修正了苏联公式。后者主要参考日本规范，忽略了型钢与混凝土之间的粘结滑移作用，认为二者独立工作，假设承载力为二者简单叠加，该规程方便工程设计，可操作性强，但是结果偏于保守。两者在受弯梁构件正截面承载力计算、斜截面承载力计算以及构造要求等方面均存在一定差异。

2 钢骨混凝土转换梁研究应用现状

钢骨混凝土转换梁的研究应用主要涉及的关键问题包括受力性能分析、施工过程分析研究以及连接构造等，目前国内的学者已开展了较为丰富的研究，具体内容如下。

2.1 受力性能研究

钢骨混凝土转换梁处于高层建筑上下层的过渡连接区域，承受荷载大，受力状态复杂且存在应力集中问题，进行设计时，需要首先进行结构的整体受力分析，获得构件的设计荷载和内力，进而根据上述规程进行构件计算，钢骨混凝土转换梁的受力性能分析，主要包括抗弯性能、抗剪性能及抗震性能分析。

文献[3]结合具体工程实例，参照上述两部规程，进行了钢骨混凝土转换梁的截面设计和承载力验算，研究结果表明，《型钢规程》得到的抗弯承载力较《钢骨规程》大，但是抗剪承载力较后者小。《型钢规程》计算的抗弯与抗剪承载力均与有限元结果较为接近，具体设计时可取两部规程的下限作为钢骨混凝土转换梁的承载力设计值。值得注意的是，《型钢规程》中采用换算直径的方法来验算裂缝宽度会使得裂缝宽度较大，与实际情况相比偏于不利。

文献[5]分析了钢骨混凝土转换梁与上部剪力墙共同作用时的基本受力特点，指出进行钢骨混凝土转换梁设计时，需考虑剪力墙参与工作部分，同时提出了相应的计算方法、结构设计和构造的保障措施，为工程应用和规范修订提供了依据。

文献[6]利用有限元软件分析了钢骨混凝土转换梁与上部剪力墙体共同作用时的受力和变形性能，计算了钢骨混凝土转换梁的内力和挠度，有限元结果和实际工程计算结果吻合良好，而传统的不考虑二者相互作用的计算结果与真实结果相差较大。通过数值结果总结了钢骨混凝土转换梁的受力工作特点：钢骨混凝土转换梁与上部墙体的共同作用效应明显，剪力墙中存在拱效应，剪力墙与转换梁可以共同抵抗剪力，且转换梁中大部分剪力由型钢承受，转换梁边跨上剪应力中间小、两侧大，支座附近剪应力较大，由于二者的共同作用,转换梁整体上表现为偏心受拉状态，沿梁跨度方向,二者接触面的水平正应力和竖向压应力也呈现两端大、中间小的分布形式,剪力墙下部参与了共同工作,与转换梁共同抵抗弯矩,转换梁中型钢承担着较大的拉应力；相比于跨中，转换梁端承受较大的弯矩和剪力，进行设计时，需要进行梁与墙体端部连接节点的强化设计。

2.2 钢骨混凝土转换梁施工

钢骨混凝土转换梁尺寸较大，施工过程庞大而复杂,需要解决一系列关键问题，同时有必要研究施工过程中转换梁、模板以及支撑对于转换层下部结构的影响。

文献[7]介绍了钢骨混凝土转换梁施工过程中模板支撑、钢筋绑扎以及混凝土浇筑措施，文中分析了常用的三种模板支撑方案即荷载传递一次浇筑法支模、叠合浇筑法支模和常规一次浇筑法支模的特点和适用性。文献[8]结合具体工程实例，利用ABAQUS建立了钢骨混凝土梁转换层的三维模型，模拟了转换梁的施工过程，分析实际工程中的钢骨混凝土转换层在层叠浇筑施工条件下梁板柱结构的受力和变形性能，结果表明：浇筑过程中柱子和墙根属于薄弱部位，应配置加强钢筋抵抗负弯矩；首次浇筑高度大于梁高的1/4即可考虑拆除支撑，转换梁可承受二次浇筑荷载及施工荷载，拆除后下层梁板结构受力及变形均符合要求，上述研究为工程应用提供了参考和建议。

2.3 连接构造

钢骨混凝土转换梁的构造以及其与柱子的连接节点是应用中非常重要的问题，对于钢骨混凝土转换梁的连接构造要求，包括截面的含钢率、型钢的保护层厚度、宽厚比限值和梁柱节点的连接形式等，前述两部规程中已经进行了相应的规定和说明。

文献[3]提及了一种常用的钢骨混凝土转换梁梁柱节点连接形式，可为工程应用提供参考。

文献[9]结合某具体工程的施工过程,分析和探讨了转换层钢骨混凝土梁柱节点的设计、制作、安装、钢筋绑扎、模板设计与施工、混凝土浇筑等一系列施工工艺,总结形成一套梁柱节点的施工技术,为类似工程施工提供了借鉴。

文献[10]介绍了某工程中采用格构式钢骨混凝土转换梁的设计与施工要点，可以采取梁端加腋和设置节点加强桁架的构造措施来保证节点的工作性能,文中提出了格构式钢骨混凝土节点抗剪强度计算公式及转动刚度分析方法。

2.4 预应力钢骨混凝土转换梁

工程中出现了一些新型钢骨混凝土转换梁，应用较多的是预应力钢骨混凝土转换梁。预应力钢骨混凝土转换梁是在混凝土中布置预应力钢筋，对钢骨混凝土梁施加预应力，兼具预应力混凝土梁和钢骨混凝土梁的优点，可以进一步减小裂缝宽度和挠度，提高抗裂性能和承载力，是一种新型、高效且很有发展前途的结构形式。

文献[11]介绍了预应力转换构件在我国的研究概况，总结了其在结构整体分析和构件分析时存在的问题，认为转换层预应力的施加仅会对局部构件的变形和受力产生影响，并不会影响结构整体的受力性能。

文献[12]对预应力钢骨混凝土转换梁的研究表明相比传统的钢骨混凝土转换梁，施加预应力之后，可以很好地避免非结构裂缝的出现，提高构件的耐久性，同时预应力钢筋能够减少对支座处产生的次应力,改善柱的受力状态。

文献[13]就预应力钢骨混凝土梁式转换结构的受力性能、设计理论和抗震性能等进行了综述分析，文中提出了实用的预应力钢骨混凝土梁的抗剪承载力计算公式，较为全面的考虑了型钢、混凝土以及钢筋的抗剪贡献。在忽略预应力产生的次内力效应之后，可以假设预应力对于结构的整体受力和变形无影响，进而将预应力钢骨混凝土梁简化为等截面的普通钢骨混凝土梁。

文献[14]进行了预应力钢骨混凝土梁和普通钢骨混凝土梁的受弯性能试验,分析了预应力钢骨混凝土梁的抗裂性能、裂缝开展和分布规律、破坏形态和变形发展规律。结果表明：预应力钢骨混凝土梁比普通钢骨混凝土梁有更好的刚度，构件的挠度和裂缝可以得到很好地控制。

相较于传统的钢筋混凝土转换梁，预应力混凝土转换梁可以减小截面尺寸，提高受弯承载力，但是提高受剪承载力相对较难，而转换梁的截面尺寸往往由剪力控制[15]，预应力钢骨混凝土转换梁结合了预应力混凝土梁和钢骨混凝土梁的优点，可以提高构件的抗剪能力,但是该类构件具有预应力大小难以确定以及施工工艺复杂等缺点，一定程度限制了其推广应用。

3 结语

本文就工程中常用的钢骨混凝土转换梁的研究及应用进行了一些介绍，主要包括现行两本规范关于钢骨构件设计方法差异的对比，钢骨混凝土转换梁受力性能、施工过程以及节点构造等研究现状，还对一种较为新型的预应力钢骨混凝土转换梁的研究进行分析。结合既有研究及工程实例，可知钢骨混凝土转换梁是一种受力性能十分优异的构件，值得工程应用推广。

目前关于钢骨混凝土转换梁的研究虽然已经取得了较多成果，但是其研究和应用仍然存在着较多问题，比如设计规程方法有差异，结果不统一，设计公式偏于保守，未考虑与周围构件的共同工作等，这有待日后的进一步研究来不断修正与完善。