鋼-混凝土組合梁的綜述

郝江華,周現(xiàn)偉,郝 麗,姚佩歆

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055)

鋼-混凝土組合梁(以下簡稱組合梁)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型梁,通常其肋部采用鋼梁,翼板采用混凝土板,兩者間用抗剪連接件或開孔鋼板連成整體。抗剪連接件是鋼梁與混凝土板共同工作的基礎(chǔ),它沿鋼梁與混凝土板的交界面設(shè)置。兩種材料按組合梁的形式結(jié)合在一起,可以避免各自的缺點(diǎn),充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢,形成強(qiáng)度高、剛度大、延性好的結(jié)構(gòu)形式。近幾年,鋼-混凝土組合梁在我國的應(yīng)用實(shí)踐表明,它不僅可以很好地滿足結(jié)構(gòu)的功能要求,而且還具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 鋼-混凝土組合梁的特點(diǎn)

鋼-混凝土組合梁可以廣泛的用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。對(duì)比鋼梁和鋼筋混凝土梁,鋼-混凝土組合梁具有以下主要特點(diǎn):

(1)由于混凝土板與鋼梁共同工作,可以充分發(fā)揮鋼材與混凝土材料各自材料特性;另外,鋼-混凝土組合梁與鋼板梁相比節(jié)省鋼材約20%～40%,可以降低造價(jià)。

(2)增大梁的截面剛度,降低梁的截面高度和建筑高度。

(3)組合梁的混凝土受壓翼板增加了梁的側(cè)向剛度,防止了主梁在使用荷載下的扭曲失穩(wěn)。

(4)降低沖擊系數(shù),抗沖擊、抗疲勞和抗震性能好。

(5)可以節(jié)省施工支模工序和模板,有利于現(xiàn)場施工。

2 鋼-混凝土組合梁國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及理論發(fā)展

近年來,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐表明,它兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),作為組合結(jié)構(gòu)體系中重要橫向承重構(gòu)件的鋼-混凝土組合梁在建筑及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

2.1 國外鋼-混凝土組合梁研究現(xiàn)狀[2-3]

鋼-混凝土組合梁由于能充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的力學(xué)性能,在國外得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用[4-7],鋼-混凝土組合梁的發(fā)展歷史大致可劃分為4個(gè)階段[8-9]:

2.1.1 萌芽階段(20世紀(jì)20年代～20世紀(jì)30年代)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)主要是出于防火的要求,至今已有80余年的歷史。20世紀(jì)20年代初,加拿大Dominion橋梁公司的Machay等人,他們進(jìn)行了2根外包混凝土鋼梁試驗(yàn)研究[10];同時(shí)英國國家物理實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了外包混凝土鋼梁的試驗(yàn)。結(jié)果表明,鋼梁與混凝土板之間具有良好的交互作用,但這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性要取決于鋼梁與混凝土板之間的粘結(jié)力的大小。另外,美國工程人員也做了相應(yīng)的研究,其中以1939年Batho、Lash&Kirkham的試驗(yàn)研究最為深入全面[11]。20世紀(jì)30年代末,法、德、瑞典等國家也對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并首次嘗試采用機(jī)械剪力連接件。瑞士人voellmy在1935～1936年間最早開始系統(tǒng)地研究配有機(jī)械連接的鋼與混凝土組合梁。組合梁開始逐步采用抗剪連接件,外包混凝土也逐步過渡到把混凝土翼板置于鋼梁翼緣之上,形成目前常用T形組合梁形式。這段時(shí)間認(rèn)為是組合梁發(fā)展的創(chuàng)始階段。

2.1.2 發(fā)展階段(20世紀(jì)40年代～20世紀(jì)60年代)

20世紀(jì)40年代～20世紀(jì)60年代是組合梁的發(fā)展階段。在這期間世界各國相繼開展了試驗(yàn)研究,特別組合梁的關(guān)鍵技術(shù)—抗剪連接件展開了系統(tǒng)研究。瑞士voellmy提出了壓、拉實(shí)驗(yàn)方法,并對(duì)采用的連接件進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。1943年,里海大學(xué)報(bào)道了槽鋼連接件組合梁的試驗(yàn)報(bào)告;1954年L.M.Viest首次對(duì)栓釘連接件進(jìn)行研究。從1954年開始,美國的伊里諾斯大學(xué)和里海大學(xué)等高校對(duì)當(dāng)時(shí)應(yīng)用最多的銷釘連接件進(jìn)行了表態(tài)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)研究。1964年,Chapman和Balakrishnan首次進(jìn)行了帶頭栓釘?shù)难芯縖12]。研究和應(yīng)用表明栓釘在提高了組合梁極限承載力的同時(shí),大大加快了組合梁的施工速度,并使組合梁后來能在壓型鋼板組合樓蓋中應(yīng)用成為可能。20世紀(jì)60年代后,組合梁的研究工作重點(diǎn)由簡支梁研究向連續(xù)梁的研究,由完全剪力連接組合梁的研究轉(zhuǎn)而開始了部分剪切連接組合梁的研究,由考慮允許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)為考慮極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

2.1.3 聯(lián)合開發(fā)、全面應(yīng)用階段(20世紀(jì)70年代～20世紀(jì)80年代)

Johnson等從20世紀(jì)70年代初研究組合梁的部分交互作用和延性性能,得到了有關(guān)的參數(shù)并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。1971年R.P.Johnson提出縱向抗剪的計(jì)算;1975年R.P.Johnson提出部分剪力連接組合梁的強(qiáng)度和變形計(jì)算[13]。1975年,Mallick和Chattopadhyay通過正負(fù)彎矩區(qū)的曲率分布推導(dǎo)塑性鉸的轉(zhuǎn)角,并對(duì)連續(xù)組合梁提出了一種簡化的設(shè)計(jì)方法。1976年,Hamada和Longworth通過試驗(yàn)分析得到以正彎矩區(qū)混凝土的壓碎或負(fù)彎矩區(qū)鋼梁翼緣的局部屈曲為破壞模式,可以準(zhǔn)確計(jì)算連續(xù)組合梁的極限荷載;縱向鋼筋配筋量是影響負(fù)彎矩區(qū)破壞模式的主要因素。1976年,Hope-Gill和Johnson進(jìn)行了3根3跨連續(xù)組合梁試驗(yàn),通過試驗(yàn)驗(yàn)證了塑性設(shè)計(jì)方法限制條件的可靠性,并得到連續(xù)組合梁的設(shè)計(jì)經(jīng)常被使用荷載下材料的屈服和開裂所控制。1981年,Ansourian進(jìn)行了6根連續(xù)組合梁的試驗(yàn);該試驗(yàn)表明當(dāng)組合梁的延性參數(shù)大于1.4時(shí),可以應(yīng)用簡化塑性理論進(jìn)行設(shè)計(jì),而與加載方式及跨度等因素?zé)o關(guān)。

2.1.4 深入研究、推廣應(yīng)用(20世紀(jì)90年代至今)

這一階段相繼出現(xiàn)了預(yù)制裝配式鋼-混凝土組合梁、疊合板組合梁、預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁、鋼板夾心組合梁等多種新的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)對(duì)組合梁在使用中所產(chǎn)生的問題以及新材料、新工藝的應(yīng)用開展了更加細(xì)致的研究,并由線彈性向非線性,由平面向空間結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了發(fā)展。結(jié)合并運(yùn)用計(jì)算輔助技術(shù),使得組合梁的發(fā)展和理論處理向更深層次發(fā)展。

2.2 國內(nèi)鋼-混凝土組合梁研究現(xiàn)狀

鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)在美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用[14]。但是,組合梁在我國的研究起步比較晚。

從20世紀(jì)50年代起組合梁在交通、冶金、電力及煤礦等系統(tǒng)都有所應(yīng)用。1980年,鄭州工學(xué)院進(jìn)行了采用槽鋼剪力連接件的鋼-混凝土簡支組合梁試驗(yàn),證明截面變形近似符合平截面假定。1983年開始,鄭州工學(xué)院對(duì)槽鋼連接件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,得到了槽鋼剪力連接件的破壞形態(tài)、極限承載力計(jì)算公式和極限承載力上限值等[15]。哈爾濱建筑工程學(xué)院從1984年開始對(duì)彎筋連接件進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)彎筋處于拉-剪復(fù)雜受力狀態(tài),鋼梁與混凝土板之間的摩擦作用不能忽略,其承載力均超過鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度。1984年開始,鄭州工學(xué)院、冶金部建筑科學(xué)研究院等曾先后研制出國產(chǎn)栓釘焊接設(shè)備,為栓釘連接件的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后,鄭州工學(xué)院開始通過推出試驗(yàn)對(duì)栓釘剪力連接件進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。80年代后期開始,鄭州工學(xué)院、山西省電力勘測設(shè)計(jì)院和清華大學(xué)等開始對(duì)鋼與混凝土疊合板組合梁和預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土空心疊合板組合梁進(jìn)行研究,解決了大跨重載條件下采用混凝土疊合板作為翼板的關(guān)鍵技術(shù)問題,非常適合于橋梁等大跨結(jié)構(gòu)。

到20世紀(jì)90年代,哈爾濱建筑工程學(xué)院、鄭州工學(xué)院和清華大學(xué)等對(duì)鋼-混凝土連續(xù)組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究,探討了連續(xù)組合梁的塑性內(nèi)力重分布性能、負(fù)彎矩截面的抗彎承載力,負(fù)彎矩區(qū)混凝土翼緣的裂縫寬度、鋼梁的局部穩(wěn)定問題[16]。1999年起河海大學(xué)開始對(duì)部分剪力連接組合梁的滑移性能進(jìn)行研究,在滿足強(qiáng)度和變形的條件下,組合梁采用部分剪力連接設(shè)計(jì)可以取得較好的綜合效益。近年來,清華大學(xué)對(duì)壓型鋼板組合梁進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究與理論分析,包括組合梁在負(fù)彎矩作用下抗彎承載力的分析、連續(xù)組合梁調(diào)幅系數(shù)的試驗(yàn)研究、極限抗彎承載力的研究、裂縫的試驗(yàn)研究、滑移效應(yīng)的影響等。

近年來,清華大學(xué)聶建國教授進(jìn)行了薄壁型鋼-混凝土組合梁的試驗(yàn)研究,并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果;東北大學(xué)劉之洋教授對(duì)火山灰輕骨料組合梁進(jìn)行了一系列研究[17];福州大學(xué)房貞政教授對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁進(jìn)行了一些研究[18],聶建國教授還對(duì)組合梁的抗震性能進(jìn)行了分析[19]。2008年開始,西安建筑科技大學(xué)楊勇博士進(jìn)行了腹板外包混凝土組合梁及帶鋼板-混凝土組合橋面板組合梁的研究工作。清華大學(xué)從1996年開始對(duì)鋼-高強(qiáng)混凝土組合梁進(jìn)行了研究[20]。

2.3 鋼-混凝土組合梁研究理論的發(fā)展

組合梁的應(yīng)用與研究出現(xiàn)的同時(shí),組合梁的理論研究也得到相應(yīng)發(fā)展。國外,1912年,E.S.Andrens首先提出“換算截面理論”,對(duì)于鋼與混凝土兩種材料組成的截面,首先把混凝土板換算成鋼截面,并且不考慮鋼梁與混凝土之間的滑移,認(rèn)為截面的應(yīng)力呈線性分布,它適用于組合梁彈性工作階段分析。1951年,H.M.Newmark等第一個(gè)考慮鋼梁與混凝土交界面上的相對(duì)滑移對(duì)組合梁承載力和變形計(jì)算的影響,建立了比較完善的“不完全交互作用”理論,在公式推導(dǎo)過程中利用了復(fù)雜的微分方程,公式結(jié)果也比較復(fù)雜,不便于實(shí)際應(yīng)用,但考慮了鋼與混凝土交界面上滑移的影響,具有理論意義。在20世紀(jì)60年代以后,逐步轉(zhuǎn)入塑性理論分析。這時(shí)期Lehigh大學(xué)的Tharliman對(duì)極限強(qiáng)度理論在組合梁中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,1965年R.G.slutter,R.G.nriseoll提出了極限抗彎強(qiáng)度計(jì)算方法。這種理論簡便適用,目前已在各國規(guī)范中采用,由于該理論假設(shè)了鋼梁全截面均達(dá)到了塑性屈服,因此,在計(jì)算簡圖中運(yùn)用了簡化的塑性應(yīng)力塊理論。另外,oehlers和Sved提出的“混合法”,該方法在考慮連接件塑性的同時(shí),認(rèn)為組合梁中鋼梁和混凝土翼板是完全彈性的,先后對(duì)組合梁的極限承載力、變形等作了大量研究。

國內(nèi),20世紀(jì)70年代后期以后,有限元等數(shù)值分析方法開始廣泛的應(yīng)用于組合梁的研究。20世紀(jì)80年代初,原鄭州工學(xué)院、清華大學(xué)、東北大學(xué)、沈陽建筑工程學(xué)院及哈爾濱建筑工程學(xué)院等多家單位對(duì)栓釘連接件組合梁進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究和理論分析,包括抗彎承載力、剛度、滑移效應(yīng)、縱向抗剪和栓釘連接件的實(shí)際抗剪承載力、混凝土板縱向抗剪計(jì)算方法、疲勞等,提出了考慮滑移效應(yīng)的變形計(jì)算的折減剛度法,建立了考慮滑移效應(yīng)的組合梁截面剛度和抗彎強(qiáng)度的簡化實(shí)用計(jì)算公式。

3 鋼-混凝土組合梁在工程中的應(yīng)用

3.1 國外鋼-混凝土組合梁在工程中的應(yīng)用

組合梁在國外工程中得到了廣泛的應(yīng)用。前蘇聯(lián)1944年建成了第一座組合公路橋;日本于1955年建成了第一座組合公路橋。瑞典于1955年建成跨徑為182 m的斯曹松特橋;德國于1956年建成跨徑為58.8 m的比歇瑙爾橋;英國于1964年建成跨徑為152 m的新港橋;日本于1960年建成跨徑為128m的騰獺橋;日本自1959年制定規(guī)范后,便有80%的公路橋改為組合式橋。在20世紀(jì)60年代以前,基本上按彈性理論進(jìn)行分析,而從60年代開始則逐步轉(zhuǎn)為按塑性理論分析。

3.2 國內(nèi)鋼-混凝土組合梁在工程中的應(yīng)用

從20世紀(jì)50年代起組合梁在交通、冶金、電力及煤礦等系統(tǒng)都有所應(yīng)用。1957年建成的武漢長江大橋,其上層公路橋就已采用了組合梁結(jié)構(gòu)(跨度18m,梁距1.8 m);沈陽設(shè)計(jì)院早在1963年就把組合梁結(jié)構(gòu)用于煤礦井塔結(jié)構(gòu)。從1985年開始,組合樓蓋在高層鋼結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用;進(jìn)入90年代,組合梁大量用于城市立交橋的主體結(jié)構(gòu)與高層建筑的樓蓋體系中。1993年由北京市政設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的北京國貿(mào)橋的三個(gè)主跨采用了連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu),是該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)城市立交橋中首次應(yīng)用。近年來在北京、上海等城市的立交橋建設(shè)中,由于鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好以及施工速度快等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,建成了以北京航天橋(主跨73 m)和朝陽橋(主跨64 m)為代表的一批鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋。采用組合樓蓋的高層建筑有北京長城飯店、上海金貿(mào)大廈、京廣中心等。

4 鋼-混凝土組合梁的新發(fā)展

近年來,為了提高組合梁的承載力,擴(kuò)大組合梁的彈性工作的范圍,提高疲勞強(qiáng)度,解決上述所存在的問題,新起了很多的新型的組合梁形式。以下介紹幾個(gè)代表性的成果[21]。

4.1 鋼箱-混凝土組合梁

鋼箱-混凝土組合梁是一個(gè)分上下兩室的鋼箱梁截面,在上面室內(nèi)澆灌混凝土,在梁的受壓區(qū)類似于鋼管混凝土,在受拉區(qū)則類似于矩形鋼箱梁。這種組合梁的優(yōu)點(diǎn)是解決了疊合梁形式鋼-混凝土組合梁中鋼-混凝土粘結(jié)及橫向穩(wěn)定等問題,但對(duì)于多跨連續(xù)梁的中間支座,此處受力性能與上述優(yōu)點(diǎn)相反,還存在很多問題有待研究。圖1為鋼箱-混凝土組合梁截面示意圖。

圖1 鋼箱-混凝土組合梁截面示意圖

4.2 冷彎U形鋼-混凝土組合梁

冷彎U形鋼-混凝土組合梁腹板采用U形鋼截面,該鋼截面可以用鋼板冷彎成形,焊縫連接少,且可大批量生產(chǎn);連續(xù)梁跨中截面翼緣用鋼筋混凝土板,中間支座截面用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),在其中澆灌混凝土,形成一個(gè)整體截面組合梁。試驗(yàn)研究表明,該多跨連續(xù)梁整體工作性能良好,在跨中截面受力性能類似于鋼筋組合梁,而在跨間支座截面受力性能類似于預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁;梁腹板中填充混凝土可以阻止其受壓時(shí)腹板的局部壓曲(縱彎)。這種新型組合梁具有足夠的抗彎承載力和變形能力,用于橋梁結(jié)構(gòu)是可行的。圖2為冷彎U形鋼-混凝土組合梁截面示意圖。

圖2 冷彎U形鋼-混凝土組合梁截面示意圖

4.3 帽形截面鋼-混凝土組合梁

帽形截面鋼-混凝土組合梁(圖3)是將鋼板焊成或冷彎成U形作為梁肋,在U形截面肋部和上翼緣中澆搗混凝土,形成鋼-混凝土T形組合截面的構(gòu)件以共同承受外荷載。在多跨連續(xù)梁中,跨中截面翼緣用普通混凝土板,中間支座截面翼緣用預(yù)應(yīng)力混凝土板,形成預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁。在土木工程中,這種帽形截面鋼-混凝土組合梁由于內(nèi)部填充混凝土,使得構(gòu)件既增加截面剛度,又防止鋼梁單獨(dú)作用時(shí)因腹板高而薄容易產(chǎn)生局部失穩(wěn)破壞,降低梁高度以增加房屋凈空,并且減少模板的施工量,可加快施工進(jìn)度,具有良好的發(fā)展前景。

圖3 帽形截面鋼-混凝土組合梁截面

4.4 輕鋼-混凝土組合梁

輕鋼-混凝土組合梁由薄壁板材(如壓型鋼板)或冷彎薄壁構(gòu)件(如卷邊槽鋼)和混凝土組成并共同工作的一種結(jié)構(gòu)形式,由于輕鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料性能。試驗(yàn)研究表明:輕鋼-混凝土結(jié)構(gòu)梁具有較好的工作性能,鋼梁底面和側(cè)面的卷邊可有效改善鋼梁和混凝土之間的粘結(jié)性能,而且裹在混凝土中的卷邊和肋越多,粘結(jié)性能越好;由于混凝土的吸熱作用,有效提高了結(jié)構(gòu)的抗火性能;另外,薄壁型鋼和鋼板可兼作施工模板,大大加快施工進(jìn)度,減少了鋼筋綁扎所需的費(fèi)用;但對(duì)于鋼梁底部配縱向鋼筋的輕鋼-混凝土組合梁,可能出現(xiàn)粘結(jié)面的剪切破壞。對(duì)于一般建筑工程構(gòu)件,需考慮防火構(gòu)造配筋問題;因此應(yīng)采取措施提高粘結(jié)性能。輕鋼-混凝土組合梁截面如圖4所示。

圖4 輕鋼-混凝土組合梁截面

5 鋼-混凝土組合梁存在的問題

(1)鋼-混凝土組合梁中滑移對(duì)其受力性能有重要影響,但是現(xiàn)有的研究成果對(duì)滑移的影響考慮不完善。

(2)鋼-混凝土組合梁在偏心荷載作用下,截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。到目前為止,關(guān)于組合梁扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算還沒有明確的結(jié)論,因此建立合理的組合梁扭轉(zhuǎn)剛度的簡化計(jì)算公式也十分必要。

(3)鋼-混凝土組合梁在動(dòng)力荷載作用下的疲勞試驗(yàn)性能,目前國內(nèi)外研究的還比較少。

(4)研究發(fā)展新的結(jié)構(gòu)體系。比如預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁,鋼箱-混凝土組合梁,鋼管混凝土-鋼箱組合梁,帶鋼板-混凝土組合橋面板組合梁等新的結(jié)構(gòu)。提高組合梁在大空間及大跨度橋梁中的應(yīng)用水平。

6 結(jié) 語

工程實(shí)踐表明,由于鋼-混凝土組合梁兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。它能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程向大跨度、高聳、重載發(fā)展的需要,符合現(xiàn)代化施工技術(shù)的工業(yè)化要求。隨著理論研究的深入和完善,新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用,組合梁的良好的受力性能和很好的綜合經(jīng)濟(jì)效益將展示其美好的應(yīng)用前景,在未來的工程結(jié)構(gòu)中必將越來越受到工程師的重視,在新世紀(jì)的工程結(jié)構(gòu)中奏出強(qiáng)勁的樂章。

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