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?？辜暨B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)等高校對當(dāng)時應(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,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,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。同時對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)房貞政教授對預(yù)應(yīng)力組合梁進(jìn)行了一些研究[18],聶建國教授還對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,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等第一個考慮鋼梁與混凝土交界面上的相對滑移對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。這時期Lehigh大學(xué)的Tharliman對極限強(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,認(rèn)為組合梁中鋼梁和混凝土翼板是完全彈性的,先后對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其受力性能有重要影響,但是現(xiàn)有的研究成果對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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