钢一混凝土组合梁.doc

钢-混凝土组合梁钢-混凝土组合梁(以下简称组合梁)是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型梁，通常其肋部采用钢梁，翼板采用混凝土板，两者间用抗剪连接件或开孔钢板连成整体。抗剪连接件是钢梁与混凝土板共同工作的基础，它沿钢梁与混凝土板的交界面设置。两种材料按组合梁的形式结合在一起，可以避免各自的缺点，充分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。近几年，钢-混凝土组合梁在我国的应用实践表明，它不仅可以很好地满足结构的功能要求，而且还具有良好的技术经济效益。钢-混凝土组合梁的特点钢-混凝土组合梁可以广泛的用于建筑结构和桥梁结构等领域。对比钢梁和钢筋混凝土梁，钢-混凝土组合梁具有以下主要特点：(1)由于混凝土板与钢梁共同工作，可以充分发挥钢材与混凝土材料各自材料特性；另外，钢-混凝土组合梁与钢板梁相比节省钢材约20-40，可以降低造价。(2)增大梁的截面刚度，降低梁的截面高度和建筑高度。(3)组合梁的混凝土受压翼板增加了梁的侧向刚度，防止了主梁在使用荷载下的扭曲失稳。(4)降低冲击系数，抗冲击、抗疲劳和抗震性能好。(5)可以节省施工支模工序和模板，有利于现场施工。钢-混凝土组合梁发展钢-混凝土组合梁结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构(组合结构)，它是通过连接件把钢梁和混凝土板连接成整体而共同工作的受弯构件。在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉，充分发挥钢材与混凝土的材料特性，实践表明，它兼顾钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，将成为结构体系的重要发展方向之一，作为组合结构体系中重要的横向承重构件的钢-混凝土组合梁在建筑及桥梁结构等领域必将具有广阔的应用前景。其发展过程大致经历以下四个阶段：1、20世纪20年代-30年代。萌芽阶段。钢一混凝土组合梁的研究始于1922年，MackayMH在加拿大Domion桥梁公司进行了两根外包混凝土钢梁试验，同时英国国家物理实验室也进行了外包混凝土钢梁的试验，随后在30年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法，可以看到处于萌芽阶段的研究主要集中于考虑防火需要的外包混凝土钢梁及实用连接件的研究，而未考虑两者的组合工作效应，这一阶段探索性的研究为后续钢-混凝土组合梁的蓬勃发展奠定了一定的基础。2、20世纪40年代60年代。发展阶段这一阶段是组合梁发展的第二阶段，在这一阶段，许多技术先进的国家对组合梁开展了比较深入的试验研究，对组合梁的分析基本上按照弹性理论进行分析，并制定了相关的设计规范和规程，使得组合梁的应用在科学指导下逐渐普及。3、20世纪60年代80年代，全面研究，实用阶段由于钢-混凝土组合梁具有广泛的应用前景，组合梁的研究工作进一步得到深化，在总结以往研究和应用成果的基础上，进一步改进和完善了组合梁的有关设计规范或规程，组合结构的应用和发展逐步成熟，几乎日趋赶上钢结构的发展，并广泛重视，研究工作重点也由简支梁研究转而开始了连续梁的研究，由完全剪力连接转为部分剪力连接；由考虑允许应力设计方法转为考虑极限状态设计方法；由弹性理论分析转为塑性理论分析。4、20世纪80年代至今，深入研究，推广应用，完善规范阶段这一阶段相继出现了预制装配式钢-混凝土组合梁、叠合板组合梁、预应力钢-混凝土组合梁、铜板夹心组合梁等多种新的结构形式。同时对组合梁在使用中所产生的问题以及新材料、新工艺的应用开展了更加细致的研究，并由线弹性向非线性，由平面向空间结构等方面进行了发展。钢-混凝土组合梁分析与研究方法1、分析方法组合结构的应用和研究至今已有近百年的历史。目前分析方法可以分为解析法、半解析法以及有限元法。（1）解析法：该法视为精确法，但计算工作量大，难以考虑滑移影响。（2）半解析法：该法难以考虑滑移效应对结构刚度性能的折减。（3）有限元法：组合梁更为广泛的是采用有限元分析方法，主要分为3类：1)按空问板壳单元进行完全的三维空间分析；2)按空问或者是平面梁计算；3)在普通梁单元基础上考虑滑移，以初等梁节点的6个自由度为基础增加自由度以考虑组合梁界面滑移，按换算后的组合梁截面梁段单元计算。该方法虽然能够考虑界面滑移的影响，但是难以考虑梁结构其他的变形特征及其对组台梁性能的影响。2、研究方法组合的发展过程中，国内外的许多学者大多以实验为基础进行相应的理论研究，归纳起来他们的研究方法主要为以下三种：（1）线弹性法：该法是由Newmark，Siess和Viest提出的经典的线弹性方法。它假设组合梁的三部分都处于材料的线弹性阶段。（2）刚塑性法：与上述方法相对，Ysra和Chapman提出了刚塑分析法，该方法考虑三部分完全塑性，主要用于计算组合梁的极限承载力（3）混合法：在工程实践中，上述两种方法都体现了应用的局限性，鉴于此，Oehlers和Sved提出了一种“混合法”，该方法在考虑接件塑性的同时，认为组合梁中钢梁和混凝土翼板是完全弹性的。钢-混凝土组合梁的新发展近年来兴起的钢管（圆钢管、方钢管、矩形钢管）砼结构，因其良好的受压性能而在建筑结构的桩、柱、桥梁结构等领域得到广泛的应用，它靠钢管的套箍作用使砼处于三向受压状态而提高结构受压承载力，而钢管内存在混凝土，防止了薄壁钢管的局部失稳，使钢材的抗压强度得以充分发挥. 故而钢管砼受压构件的受压性能和承载力得以被广泛研究. 随着钢管砼受压砼结构的研究及工程应用的广泛开展，研究人员开始研究方（矩形）钢管混凝土受弯构件的受力性能及承载力. 研究表明，将混凝土填入钢管或者箱形截面中形成的钢-混凝土组合构件，具有很高的强度和延性，这是由于混凝土限制了钢管截面的局部挠曲. 同时，在钢材和砼的截面面积相同时，改变截面的高宽比，可以显著提高构件的刚度和构件的抗弯能力，但是截面屈服后，随着截面高宽比增大，构件M曲线下降段在加剧. 显然，在满足构件刚度和抗弯能力前提下，采用较小宽厚比可以得到较好的屈服变形能力. 这类构件在桥梁工程中得到广泛应用，其材料费用也只是常规钢桥工程主要费用的15 % -20 %.在我国，砼箱梁桥早已应用于桥梁结构，砼箱梁桥具有良好的抗扭特性，钢箱梁同样具有混凝土箱梁的特点. 基于对上述问题的认识，近年来兴起了一类具有钢箱梁特征，又能充分发挥混凝土特性且不易开裂、钢板受压不会出现局部失稳的新型组合梁，以下介绍几个有代表性的研究成果.1、钢箱-混凝土组合梁图1为钢箱-混凝土组合梁是一个分上下两室的钢箱梁截面，在上面室内浇灌混凝土，在梁的受压区类似于钢管混凝土，在受拉区则类似于矩形钢箱梁. 这种组合梁的优点是解决了叠合梁形式钢-混凝土组合梁中钢- 混凝土粘结及横向稳定等问题. 但对于多跨连续梁的中间支座，此处受力性能与上述优点相反，还存在很多问题有待研究.图1、钢箱-混凝土组合梁截面示意图2、冷弯U型钢-混凝土组合梁图2是一种新型钢砼组合大梁，U 型钢可一次冷弯成型，亦可由两种冷弯型钢组合在一起，钢板厚度不变，主要用于桥梁工程的承重梁.图2冷弯U形钢-混凝土组合梁截面示意图由于组合梁腹板采用U 型钢截面，该钢截面可以用钢板冷弯成形，焊缝连接少，可以大批量生产，因此比较经济，连续梁跨中截面翼缘用钢筋混凝土板，中间支座截面用预应力砼结构，在其中浇灌混凝土，形成一个整体截面组合梁. 试验研究表明，该多跨连续梁整体工作性能良好，在跨中截面受力性能类似于组合梁，而在跨间支座截面受力性能类似于预应力砼组合梁. 梁腹板中填充砼可以阻止其受压时腹板的局部压曲（纵弯）.研究表明，这种新型组合梁具有足够的抗弯承载力和变形能力，用于桥梁结构是可行的.3、轻钢-混凝土组合梁截面如图3 所示. 它是由薄壁板材（如压型钢板）或冷弯薄壁构件（如卷边槽钢）和混凝土组成并共同工作的一种结构形式，由于轻钢- 混凝土组合结构充分发挥了钢材和混凝土的材料性能，从而使其具有一系列优点. 试验研究表明，轻钢- 混凝土结构梁具有较好的工作性能，钢梁底面和侧面的卷边可有效改善钢梁和混凝土之间的粘结性能，而且裹在混凝土中的卷边和肋越多，粘结性能越好. 对于钢梁底部配纵向钢筋的轻钢- 混凝土组合梁，可能出现粘结面的剪切破坏. 另外，对于一般建筑工程构件，应考虑防火构造配筋问题，因此应采取措施提高粘结性能. 而且，若不配纵筋，这种构件的跨度及跨高比太小，工程实用性受到限制。图3、轻钢-混凝土组合梁截面4、帽型截面钢- 混凝土组合梁图4是将钢板焊成或冷弯成U 型截面作为梁肋，在U 型截面肋部和上翼缘中浇捣砼，形成钢-混凝土T 形组合截面的构件以共同承受外荷载. 在多跨连续梁中，跨中截面翼缘用普通砼板，中间支座截面翼缘用预应力砼板，形成预应力砼组合梁. 在土木工程中，这种帽型截面钢- 混凝土梁由于内部填充砼，使得构件既增加截面刚度，又防止钢梁单独作用时因腹板高而薄容易产生局部失稳破坏，降低梁高度以增加房屋净空，并且减少模板的施工量，可加快施工进度，具有良好发展前景. 在我国，为提高组合梁的承载力，进一步节约钢材，扩大组合梁的弹性工作范围，提高疲劳强度，以及调整连续梁中负弯矩的内力的分布，减少组合梁的变形和扩大组合梁的跨度，采用预应力组合梁成为发展主要方向. 图4、帽形截面钢-混凝土组合梁截面5、新型钢-闭口压型钢板混凝土组合梁由传统的叠合梁形式的钢- 混凝土组合梁和普通压型钢板组成的楼盖体系，要求布置较密的工字钢梁支撑其上的普通压型钢板，工字钢梁的间距由压型钢板跨度控制，间距为3-3. 6 m，此外，随着跨度增大，正常使用极限状态（变形、振动）成为组合梁截面设计的控制因素，因而组合梁截面高度显著增大. 为解决上述问题，作者提出一种新型钢- 混凝土组合梁（楼盖）体系，它对叠合梁形式钢- 混凝土组合楼盖做了如下改进：截面由两部分构成T 形截面，上部为闭口型承压钢板并现浇混凝土，下部为U型钢构件. 首先，将钢板焊接成U 形截面作为梁肋（底钢板一般采用15-25 mm 厚钢板，腹板采用厚为4 !8 mm 薄钢板冷弯成槽形截面. U 型截面外形轮廓截面高与截面宽之比为0. 5 !1 的扁梁），在U 型截面的底钢板内侧面焊有抗剪销钉，并配有一定防火构造纵筋. 其次，将上翼缘压型钢板变为闭口型钢承板或预制预应力砼多孔板，支承在U 型截面翼缘上，其上为混凝土现浇层，其中配双向分布钢筋，在组合截面配横向分布拉结钢筋. 再在U 型截面肋部及上翼缘中浇砼，形成钢- 混凝土组合截面（见图5 ）.图4新型钢-闭口压型钢板混凝土组合梁这种组合梁截面除了具有叠合形式钢- 混凝土组合梁的优点外，还具有如下主要优点：具体设计时只需要改变U 型截面及底钢板厚度，便可满足结构承载力（抗剪、抗弯）及变形的要求；截面配有一定的防火构造纵筋，保证结构在火灾情况下不会倒塌；截面配有横向分布拉结钢筋，增强了混凝土和U 形截面的整体作用. 这种新型结构体系是一种工业化建筑体系，是将建筑工程新技术（新型闭口钢承板、钢箱梁研究成果）应用加以整合研究，是一种具有较大跨高比优势的组合梁，理论研究表明，这种组合梁在土木工程中具有较高的工程应用价值，代表组合梁的发展方向.钢-混凝土组合梁在工程中的应用1、国外钢-混凝土组合梁在工程中的应用组合梁在国外工程中得到了广泛的应用。前苏联1944年建成了第一座组合公路桥；日本于1955年建成了第一座组合公路桥。瑞典于1955年建成跨径为182 m的斯曹松特桥；德国于1956年建成跨径为588 m的比歇瑙尔桥；英国于1964年建成跨径为152 111的新港桥；日本于1960年建成跨径为128 m的腾獭桥；日本自1959年制定规范后，便有80的公路桥改为组合式桥。在20世纪60年代以前，基本上按弹性理论进行分析，而从60年代开始则逐步转为按塑性理论分析。2、国内钢-混凝土组合梁在工程中的应用从20世纪50年代起组合梁在交通、冶金、电力及煤矿等系统都有所应用。1957年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥就已采用了组合梁结构(跨度18 m，梁距18 m)；沈阳设计院早在1963年就把组合梁结构用于煤矿井塔结构。从1985年开始，组合楼盖在高层钢结构中得到了广泛的应用；进入90年代，组合梁大量用于城市立交桥的主体结构与高层建筑的楼盖体系中。1993年由北京市政设计研究院设计的北京国贸桥的三个主跨采用了连续组合梁结构，是该结构在国内城市立交桥中首次应用。近年来在北京、上海等城市的立交桥建设中，由于钢一混凝土组合连续梁桥跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等优点，得到了广泛的应用，建成了以北京航天桥(主跨73 m)和朝阳桥(主跨64m)为代表的一批钢一混凝土连续组合梁桥。采用组合楼盖的高层建筑有北京长城饭店、上海金贸大厦、京广中心等。组合梁桥与斜拉桥组合梁桥指以梁式桥跨作为基本结构的组合结构桥，既两种以上体系重叠后，整体结构的反力性质仍与以受弯作用负载的梁的特点相同。这类桥的特点主要表现在设计计算工作繁重，构造细节及内力复杂。斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。斜拉桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自重，主要是主梁。以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了， 最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。斜拉索数量再多，道理也是一样的。之所以要很多条，那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。在湖北武汉，武汉长江大桥，其上层公路桥就采用了组合梁结构，而斜拉桥就更多了，像武汉长江二桥、天兴洲长江大桥、白沙洲长江大桥、二七长江大桥等等。斜拉桥的应用如此之多有其优点，与组合梁桥相比斜拉桥可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻结构重量，节省材料。