我國(guó)鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

徐樹全 張海斌

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

由于建筑功能需要，很多時(shí)候上層樓層部分豎向構(gòu)件不能直接連接貫通落地，為解決豎向荷載的傳遞問(wèn)題，需設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]，轉(zhuǎn)換梁是最為常見的一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，約占總數(shù)的85%以上，常用的轉(zhuǎn)換梁形式有鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼梁以及鋼骨混凝土梁等。作為一種鋼—混凝土組合構(gòu)件，鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁具有承載力高、剛度大、延性好、抗震能力強(qiáng)、防火、防腐性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]，能夠很好地解決轉(zhuǎn)換層的抗震問(wèn)題，同時(shí)施工方便，工期較短，近年來(lái)在工程中得到了大量的應(yīng)用。

梁的高度一般根據(jù)跨高比決定，文獻(xiàn)[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外八十多棟采用梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的跨高比平均值大于預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁和普通鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁，這表明采用鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁可以更有效減小構(gòu)件截面尺寸。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的工程應(yīng)用與設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了較多的研究，本文選取其中一些具有代表性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分類總結(jié)。

1 鋼骨混凝土有關(guān)規(guī)范

鋼骨混凝土的概念是20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)傳入我國(guó)的，前蘇聯(lián)的叫法是勁性鋼筋混凝土，而在日本則稱為鋼骨混凝土。經(jīng)過(guò)多年的工程應(yīng)用和分析研究，目前我國(guó)已制定了專門的規(guī)程指導(dǎo)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，主要兩部為住建部批準(zhǔn)的JGJ 138—2016組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱為《組合規(guī)范》)和冶金部批準(zhǔn)的YB 9082—2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱為《鋼骨規(guī)程》)，前者在2016年12月開始實(shí)施，取代了之前實(shí)施多年的JGJ 131—2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱為《型鋼規(guī)程》)?？紤]到已有的大量針對(duì)鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究和設(shè)計(jì)均是參照《型鋼規(guī)程》，盡管該規(guī)程已經(jīng)廢止，本文仍然列出了有關(guān)該規(guī)程的相應(yīng)內(nèi)容。

對(duì)于上述兩部規(guī)范規(guī)程，前者以鋼筋混凝土理論為基礎(chǔ)，參考了較多試驗(yàn)研究成果，引入了平截面假定，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用修正的計(jì)算公式考慮了型鋼與混凝土之間的粘結(jié)作用，一定程度上是修正了蘇聯(lián)公式。后者主要參考日本規(guī)范，忽略了型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移作用，認(rèn)為二者獨(dú)立工作，假設(shè)承載力為二者簡(jiǎn)單疊加，該規(guī)程方便工程設(shè)計(jì)，可操作性強(qiáng)，但是結(jié)果偏于保守。兩者在受彎梁構(gòu)件正截面承載力計(jì)算、斜截面承載力計(jì)算以及構(gòu)造要求等方面均存在一定差異。

2 鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁研究應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究應(yīng)用主要涉及的關(guān)鍵問(wèn)題包括受力性能分析、施工過(guò)程分析研究以及連接構(gòu)造等，目前國(guó)內(nèi)的學(xué)者已開展了較為豐富的研究，具體內(nèi)容如下。

2.1 受力性能研究

鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁處于高層建筑上下層的過(guò)渡連接區(qū)域，承受荷載大，受力狀態(tài)復(fù)雜且存在應(yīng)力集中問(wèn)題，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體受力分析，獲得構(gòu)件的設(shè)計(jì)荷載和內(nèi)力，進(jìn)而根據(jù)上述規(guī)程進(jìn)行構(gòu)件計(jì)算，鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的受力性能分析，主要包括抗彎性能、抗剪性能及抗震性能分析。

文獻(xiàn)[3]結(jié)合具體工程實(shí)例，參照上述兩部規(guī)程，進(jìn)行了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)和承載力驗(yàn)算，研究結(jié)果表明，《型鋼規(guī)程》得到的抗彎承載力較《鋼骨規(guī)程》大，但是抗剪承載力較后者小。《型鋼規(guī)程》計(jì)算的抗彎與抗剪承載力均與有限元結(jié)果較為接近，具體設(shè)計(jì)時(shí)可取兩部規(guī)程的下限作為鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的承載力設(shè)計(jì)值。值得注意的是，《型鋼規(guī)程》中采用換算直徑的方法來(lái)驗(yàn)算裂縫寬度會(huì)使得裂縫寬度較大，與實(shí)際情況相比偏于不利。

文獻(xiàn)[5]分析了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻共同作用時(shí)的基本受力特點(diǎn)，指出進(jìn)行鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮剪力墻參與工作部分，同時(shí)提出了相應(yīng)的計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造的保障措施，為工程應(yīng)用和規(guī)范修訂提供了依據(jù)。

文獻(xiàn)[6]利用有限元軟件分析了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻體共同作用時(shí)的受力和變形性能，計(jì)算了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力和撓度，有限元結(jié)果和實(shí)際工程計(jì)算結(jié)果吻合良好，而傳統(tǒng)的不考慮二者相互作用的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相差較大。通過(guò)數(shù)值結(jié)果總結(jié)了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的受力工作特點(diǎn)：鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁與上部墻體的共同作用效應(yīng)明顯，剪力墻中存在拱效應(yīng)，剪力墻與轉(zhuǎn)換梁可以共同抵抗剪力，且轉(zhuǎn)換梁中大部分剪力由型鋼承受，轉(zhuǎn)換梁邊跨上剪應(yīng)力中間小、兩側(cè)大，支座附近剪應(yīng)力較大，由于二者的共同作用,轉(zhuǎn)換梁整體上表現(xiàn)為偏心受拉狀態(tài)，沿梁跨度方向,二者接觸面的水平正應(yīng)力和豎向壓應(yīng)力也呈現(xiàn)兩端大、中間小的分布形式,剪力墻下部參與了共同工作,與轉(zhuǎn)換梁共同抵抗彎矩,轉(zhuǎn)換梁中型鋼承擔(dān)著較大的拉應(yīng)力；相比于跨中，轉(zhuǎn)換梁端承受較大的彎矩和剪力，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行梁與墻體端部連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

2.2 鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁施工

鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁尺寸較大，施工過(guò)程龐大而復(fù)雜,需要解決一系列關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)有必要研究施工過(guò)程中轉(zhuǎn)換梁、模板以及支撐對(duì)于轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的影響。

文獻(xiàn)[7]介紹了鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁施工過(guò)程中模板支撐、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑措施，文中分析了常用的三種模板支撐方案即荷載傳遞一次澆筑法支模、疊合澆筑法支模和常規(guī)一次澆筑法支模的特點(diǎn)和適用性。文獻(xiàn)[8]結(jié)合具體工程實(shí)例，利用ABAQUS建立了鋼骨混凝土梁轉(zhuǎn)換層的三維模型，模擬了轉(zhuǎn)換梁的施工過(guò)程，分析實(shí)際工程中的鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層在層疊澆筑施工條件下梁板柱結(jié)構(gòu)的受力和變形性能，結(jié)果表明：澆筑過(guò)程中柱子和墻根屬于薄弱部位，應(yīng)配置加強(qiáng)鋼筋抵抗負(fù)彎矩；首次澆筑高度大于梁高的1/4即可考慮拆除支撐，轉(zhuǎn)換梁可承受二次澆筑荷載及施工荷載，拆除后下層梁板結(jié)構(gòu)受力及變形均符合要求，上述研究為工程應(yīng)用提供了參考和建議。

2.3 連接構(gòu)造

鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造以及其與柱子的連接節(jié)點(diǎn)是應(yīng)用中非常重要的問(wèn)題，對(duì)于鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的連接構(gòu)造要求，包括截面的含鋼率、型鋼的保護(hù)層厚度、寬厚比限值和梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式等，前述兩部規(guī)程中已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定和說(shuō)明。

文獻(xiàn)[3]提及了一種常用的鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式，可為工程應(yīng)用提供參考。

文獻(xiàn)[9]結(jié)合某具體工程的施工過(guò)程,分析和探討了轉(zhuǎn)換層鋼骨混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、制作、安裝、鋼筋綁扎、模板設(shè)計(jì)與施工、混凝土澆筑等一系列施工工藝,總結(jié)形成一套梁柱節(jié)點(diǎn)的施工技術(shù),為類似工程施工提供了借鑒。

文獻(xiàn)[10]介紹了某工程中采用格構(gòu)式鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)，可以采取梁端加腋和設(shè)置節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)桁架的構(gòu)造措施來(lái)保證節(jié)點(diǎn)的工作性能,文中提出了格構(gòu)式鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式及轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分析方法。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁

工程中出現(xiàn)了一些新型鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁，應(yīng)用較多的是預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁。預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁是在混凝土中布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，對(duì)鋼骨混凝土梁施加預(yù)應(yīng)力，兼具預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼骨混凝土梁的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步減小裂縫寬度和撓度，提高抗裂性能和承載力，是一種新型、高效且很有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)形式。

文獻(xiàn)[11]介紹了預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換構(gòu)件在我國(guó)的研究概況，總結(jié)了其在結(jié)構(gòu)整體分析和構(gòu)件分析時(shí)存在的問(wèn)題，認(rèn)為轉(zhuǎn)換層預(yù)應(yīng)力的施加僅會(huì)對(duì)局部構(gòu)件的變形和受力產(chǎn)生影響，并不會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體的受力性能。

文獻(xiàn)[12]對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究表明相比傳統(tǒng)的鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁，施加預(yù)應(yīng)力之后，可以很好地避免非結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)，提高構(gòu)件的耐久性，同時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠減少對(duì)支座處產(chǎn)生的次應(yīng)力,改善柱的受力狀態(tài)。

文獻(xiàn)[13]就預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力性能、設(shè)計(jì)理論和抗震性能等進(jìn)行了綜述分析，文中提出了實(shí)用的預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算公式，較為全面的考慮了型鋼、混凝土以及鋼筋的抗剪貢獻(xiàn)。在忽略預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次內(nèi)力效應(yīng)之后，可以假設(shè)預(yù)應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體受力和變形無(wú)影響，進(jìn)而將預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁簡(jiǎn)化為等截面的普通鋼骨混凝土梁。

文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁和普通鋼骨混凝土梁的受彎性能試驗(yàn),分析了預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁的抗裂性能、裂縫開展和分布規(guī)律、破壞形態(tài)和變形發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土梁比普通鋼骨混凝土梁有更好的剛度，構(gòu)件的撓度和裂縫可以得到很好地控制。

相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁，預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁可以減小截面尺寸，提高受彎承載力，但是提高受剪承載力相對(duì)較難，而轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸往往由剪力控制[15]，預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)合了預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼骨混凝土梁的優(yōu)點(diǎn)，可以提高構(gòu)件的抗剪能力,但是該類構(gòu)件具有預(yù)應(yīng)力大小難以確定以及施工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，一定程度限制了其推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文就工程中常用的鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究及應(yīng)用進(jìn)行了一些介紹，主要包括現(xiàn)行兩本規(guī)范關(guān)于鋼骨構(gòu)件設(shè)計(jì)方法差異的對(duì)比，鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁受力性能、施工過(guò)程以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等研究現(xiàn)狀，還對(duì)一種較為新型的預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究進(jìn)行分析。結(jié)合既有研究及工程實(shí)例，可知鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁是一種受力性能十分優(yōu)異的構(gòu)件，值得工程應(yīng)用推廣。

目前關(guān)于鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的研究雖然已經(jīng)取得了較多成果，但是其研究和應(yīng)用仍然存在著較多問(wèn)題，比如設(shè)計(jì)規(guī)程方法有差異，結(jié)果不統(tǒng)一，設(shè)計(jì)公式偏于保守，未考慮與周圍構(gòu)件的共同工作等，這有待日后的進(jìn)一步研究來(lái)不斷修正與完善。