浅谈钢—砼组合梁的研究和应用

【摘要】钢-砼组合结构充分发挥了钢和砼两种材料的力学性能优势，优化了结构的设计。本文介绍了这种结构的中外研究现状，及在我国的应用情况。

【关键词】组合结构；组合梁

1、概述

钢-砼组合结构是在钢结构和RC结构基础上发展起来的结构形式，它由钢构件和RC构件组合而成，如组合梁、组合楼板等组合构件。同RC结构相比，可以减小构件截面尺寸，增加构件和结构的延性等；同钢结构相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性。

2、钢-砼组合梁的研究现状

钢-砼组合梁可以分为外包砼组合梁和T形组合梁，前者主要依靠钢材与砼之间的粘结力协同工作，后者则依靠抗剪连接件将钢梁与砼翼板组合在一起。

钢-砼组合梁试验研究始于20世纪20年代，按照弹性理论进行分析，其原理是将组合截面换算成同一材料的截面，根据初等弯曲理论进行截面计算。60年代后，则逐渐转入塑性理论分析，研究了组合梁的破坏形态，极限承载力，荷载与滑移的关系以及连续组合梁的性能和塑性内力重分布的规律，并建立了相应的计算公式。

关于组合梁承载能力的研究，1975年R.PJohnson等学者提出了考虑剪切滑移影响的简支组合梁抗弯承载力的计算公式。在国内，聂建国[1]等通过4根部分剪力连接组合梁的试验研究和对国内外8根部分剪力连接组合梁受弯极限承载力的分析，考虑剪力连接程度的影响，对R.PJohnson的组合梁受弯极限承载力公式进行了修正。樊键生[2]等通过3根两跨钢-压型钢板砼组合梁进行了试验，通过控制力比，压型钢板组合梁支座负弯矩区具有足够的塑性转动能力和延性，能够保证其塑性内力重分布，并通过计算分析对连续组合梁的负弯矩调幅系数给出了建议值。

对连续组合梁，在负弯矩作用下极限状态的一般特征为：负弯矩区砼翼板受拉开裂后退出工作，同时砼板中的纵向受拉钢筋达到或超过屈服应变，钢梁的拉区和压区大部分也达到或超过屈服应变，其受力状态类似RC梁。我国规范规定可以采用塑性理论计算抗弯承载力，并在计算中假定钢梁与砼翼板有可靠连接，能保证钢筋应力的充分发挥，忽略砼抗拉强度的贡献。规范规定组合梁在负弯矩作用区段拉力全部由翼板内配置的纵向钢筋承受。

关于组合梁变形和刚度的研究，参考文献[3]按照折减刚度法提出了弹性范围内钢-砼组合梁的刚度和变形公式。实践表明，在设计荷载作用下，梁仍处于正常使用极限范围，极限承载力较高的钢-砼组合梁仍为弹性阶段，因而在钢梁和砼翼缘均为弹性材料的假设前提下，按该文献提出的刚度和变形计算公式具有较好的精度。

钢-砼组合梁的砼板与钢梁之所以能形成整体共同工作，关键是由于抗剪连接件（栓钉）传递二者之间的剪力。栓钉实际承载力、纵向抗剪以及砼翼缘的纵向劈裂验算，以往的规范关于栓钉连接件极限承载力的计算偏于安全、不经济。文献[3]通过试验对公式进行了修正， 提高了钢-砼组合梁纵向抗剪的设计和计算精度。

外包砼组合梁相比T形组合梁而言整体刚度提高，出平面扭转屈曲性能改善，材料强度利用充分。但其配筋构造较为复杂，在工程设计中必须给予细致的考虑，否则将使工程施工十分困难。

关于外包砼组合梁的受弯极限承载力主要有简单叠加法，即将钢梁和RC作为两个独立部分，将其承载力进行简单的叠加。试验证明该方法偏于安全，日本规范主要采用这种方法。参考文献[4]考虑了钢梁和砼的共同作用，采用一般叠加法建立了外包砼組合梁的受弯极限承载力计算公式。并且在该文献中，研究者通过大量的试验建立了关于型钢砼较完善的理论体系，可供工程设计人员研究参考。

3、钢-砼组合梁的应用

高层建筑中最早用于北京国际技术培训中心两栋18层塔楼。采用冷弯薄壁型钢-砼简支组合梁。梁全高300mm，跨度6m，其设计以试验研究为依据，栓钉剪力连接件设计中，节约栓钉47%，与RC叠合板相比，自重降低29%，造价降低5%，工期缩短25%，为其在高层建筑中的应用开辟了广阔的前景。建于1987年的北京长富宫中心使用了钢骨砼梁，截面为500x950及500x1100，相应钢骨为高度650及850的工字形截面。广州市人大办公厅滨江东住宅主体结构地面以上31层，该工程采用底部大空间框架-剪力墙结构。楼转换层大梁采用钢骨砼梁，截面为0.8m×2.0m。建于1998年的上海金茂大厦为地下3层和地上88层的多功能建筑，总高421米，该建筑采用钢—砼结构，使用钢-砼组合梁。建于2003年的上海世纪广场采用了钢-砼、钢骨砼组合梁。使用压型钢板组合楼板-钢梁的有建于2000年深圳的赛格广场和建成于2005年的北京LG大厦，以及上海金融大厦，广州西塔等。

桥梁中：1993北京国贸桥首次采用3跨钢-砼叠合板连续组合梁（40+46+40 m），支座负弯矩处在砼桥面板上施加预应力。比原现浇桥面板方案节省近4000m2的模板，减小现场湿作业量，缩短工期一半，且未中断交通；比RC桥梁减轻自重约50%；比钢桥节省钢材30%左右。此外深圳北站大桥、上海南浦大桥和杨浦大桥的桥面结构亦采用这种钢-砼叠合板梁桥结构。

结论：

钢一砼组合梁能合理利用材料各自的材料特性，与钢结构相比，节约钢材20%～40%；比RC梁节约砼，减轻自重且截面高度小；组合梁的整体性、抗剪性能好，耗能能力强，因而表现出良好的抗震性能；能节省支模工序和模板、施工速度快、综合效益好等显著优点，作为重要的横向承重构件之一可以广泛应用于工业厂房，大跨结构、高层建筑和桥梁结构等。组合梁和钢管砼柱或型钢砼柱形成钢一砼组合结构体系具有良好的受力性能和很好的综合效益，应用前景广阔。工程实践表明，推广应用钢一砼组合梁符合我国基本建设的国情，有利于促进国民经济建设的发展。

参考文献：

[1]聂建国，崔玉萍，石中柱等.部分剪力连接钢一砼组合梁受弯极限承载力的计算.工程力学，2000，17（3）：37-42

[2]樊键生，聂建国，叶清华等.钢一压型钢板砼连续组合梁调幅系数的研究.建筑结构学报，2001，22（2）：57-60

[3]聂建国，沈聚敏，余志武，考虑滑移效应的钢-砼组合梁变形计算的折减刚度法[J].1995，28（2）：11-17

[4]赵鸿铁，钢与砼组合结构，科学出版社，2001

作者简介：

宋慧斌，广州市建筑科学研究院新技术开发中心有限公司。