－ 工 程。络 构・ 钢一混组合梁的研究现状与展望 夏文敏，刘雪梅 （中南大学土木建筑学院，湖南长沙４１００７５） 【摘要】介绍了钢一混凝土组合梁的研究现状，评述了钢一混组合梁的分类及其特点。分析了钢一 混组合梁设计的关键技术，在分析的基础上，认为加强钢一混凝土间的锚固、纵向截面的抗剪承载力以及斜 截面的抗剪承载力、研究新型抗剪连接件是钢一混凝土组合梁发展应解决的关键问题。最后，提出了目前钢 一混组合梁仍存在的主要问题，展望了未来钢一混组合梁的发展。 【关键词】 钢一混组合梁；研究现状； 应用； 关键技术；展望 【中图分类号】ＴＵ３９８ 【文献标识码】Ａ ｌ钢一混组合梁研究现状 钢一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。 近年来，国内外的一些学者主要研究了钢一混凝土预应 图２型钢外露混凝土组合梁截面形式 力组合梁的受力性能。重点讨论了预应力钢筋类型、布筋方 式、预应力钢筋含量及预应力大小等对结构静力行为的影 响；不同连接方式对组合梁工作性能的影响；低周期反复荷 载下的组合梁工作性能；钢筋混凝土梁的徐变效应对组合梁 工作性能的影响；地震作用下组合梁工作性能；体外预应力 组合梁非线性行为；考虑体外预应力摩阻损失对钢混组合梁 性能的影响；小半径钢一混组合连续梁工作性能的研究等。 试验研究表明：外包钢混凝土组合梁具有较优越的工作性 能，其抗弯承载能力高；延性好；适用于跨度较大的结构；填充混 凝土对防止钢梁发生局部失稳起到了良好的作用；梁截面应变 符合平截面假定。在完全剪切连接情况下，抗弯承载力可以根 据弹塑性理论计算，并可忽略滑移的影响。但外包钢一混凝土 组合梁在受力过程中存在两个受力薄弱面：一是钢与填充混凝 土的交界面；二是翼缘板与梁的接触面，这两处的滑移过大，容 易导致梁发生粘结滑移破坏和纵向剪切滑移破坏。 ２．２型钢外露混凝土组合梁 ２．２．１ 型钢外露组合梁又称Ｔ形组合梁 ２组合梁的分类及其特点 钢一混组合梁按截面的形式…可以分为：外包混凝土的 ｊ ｑ （１）现浇混凝土翼板组合梁。优点：混凝土翼板整体性 好；缺点：需要现场支模，湿作业量大，施工速度慢。 （２）预制混凝土翼板组合梁。优点：混凝土板翼板预制， 现场仅需要在预留槽处浇筑混凝土，可以减小现场湿作业， 电 ● ， ’ 施工速度快；缺点：作为大规模推广应用的结构形式，实现预 － ： ● 制混凝土翼板组合梁的精确施工并确保质量有一定困难。 （３）叠合板翼板组合梁。优点：构造简单、施工方便、受 力性能好，这种形式的组合梁可以用传统的简单施工工艺获 得优良的结构性能，适合我国基本建设的国情，是对传统组 合梁的重要发展。 ・ ． ■ ’ ● 图１ 外包混凝土组合梁截面形式 组合梁（图１）；型钢外露混凝土组合梁（图２）。 ２．１外包混凝土组合梁 （４）压型钢板混凝土翼板组合梁。优点：压型钢板在施 工阶段可以代替模板，在使用阶段又可承担荷载，施工方便， 外包混凝土的组合梁又称劲性混凝土梁或钢骨混凝土 梁，其按类型又可分为：ｚ型外包钢一混组合梁；ｕ型外包钢 一混组合梁；Ｌ型外包钢一混组合梁等。 ［收稿日期］２００９—０４—１０ ［作者简介］夏文敏，男，硕士研究生。 １２２ 四川建筑第３Ｏ卷２期２０１０．０４ ・工 程 结 构・ 受力性能好。 的机械型连接件形式有栓钉、型钢和钢筋 种，使用时应根 （５）混凝土翼板还有带板托和无板托之分。带板托的组 合梁增大了截面惯性矩，可以获得更大的刚度和承载力，但 板托部分的施工和构造较复杂。目前，带板托的组合梁应用 较少，而无板托组合梁应用１３益广泛。 ２．２．２型钢外露的组合梁 据不同的情况（如纵向剪力的大小及方向等）选用不同形式 的连接件。所用的连接件不仅要求能够承担剪力，而且也要 求能够承担拉拔力。机械连接是目前使用范围最广，也最为 可靠的连接方法。 ３．１．２粘结型连接件 粘接型连接件按粘接形式可以分为：自然形式粘接；化 学粘接剂连接。前者是通过钢与混凝土接触面上的自然粘 （１）箱形钢梁一混组合梁（图３ａ、图３ｂ）中，箱形钢梁可 分为开口截面和闭口截面两类。开口箱梁的优点：节省钢 材；缺点：在施工阶段抗扭刚度小。闭口钢梁的优点：在施工 接作用把两者组合在一起，通过在钢上轧制凸缘来增加粘接 作用；后者是采用化学粘接剂把钢和混凝土连接在一起的。 阶段整体性好，抗扭刚度大；缺点：在正弯矩作用下钢梁上翼 缘发挥的作用较小相对开口梁的用钢量略有增加。 土木工程中常用的粘接剂为环氧树脂类、聚胺脂树脂类和二 （２）钢桁架组合梁（图３ｃ）在结构跨度较大时具有一定 烯类三种。由于粘接力的分布较为均匀，受力较为合理，这 的优越性，在施工阶段桁架梁的刚度较大，可以分段运输和 种连接常见于组合板中。在受力较大的组合梁中通常配合 现场拼装，适用于桥梁结构和建筑中的大跨连体和连廊 高强螺栓使用，其较明显的缺点是钢梁和混凝土板之间抗分 结构。 离能力较弱，疲劳性能得不到保证。在我国通常采用粘法连 （３）蜂窝形钢梁（图３ｄ）通常由轧制工字型钢或Ｈ型钢 接技术对钢筋混凝土危梁、危柱进行加固，效果良好。 先沿腹板纵向切割成锯齿后再错位焊接相连而成，有时也可 ３．１．３摩擦型连接件 直接在钢梁腹板挖空而形成，其缺点：钢梁的加工制作工艺 当前，钢一预制混凝土板组合梁在工程中应用越来越 比一般钢梁要复杂一些，而且腹板的抗剪能力有所减弱，一 多，预制混凝土板与钢梁之间的连接方法之一是摩擦型连 般情况下由腹板的抗剪控制设计。目前，我国相关规范规程 接，即利用摩擦力使两者结合。摩擦力增大必须依靠作用面 与组合梁的相关内容涉及蜂窝形钢一混组合梁较少。 上的压力，国外常采用高强螺栓进行连接，但是随着收缩、徐 变的发展，高强螺栓的作用会下降。 Ｔ ‘ ３．２按连接件抗剪刚度的强弱分类 ３．２．１刚性连接件 型钢连接件本身水平刚度大，滑移很小可以忽略，故称 之为刚性连接件。该类连接件抗剪刚度很大，作用在混凝土 ａ｝开ｌ Ｉ箱形剂梁 （ｂ）闭口箱形钢粱 上的压应力为均匀分布，破坏形态为连接件前混凝土压坏或 圃者连接件之间混凝土剪切破坏。开孔板连接件也属于刚性 连接，通常为圆孑Ｌ内混凝土发生剪切破坏而丧失承载能力。 ｃ）钢桁架粱 圈ｄｌ蜂窝形钢粱 这种连接件的设置具有方向性。 ３．２．２柔性连接件． 图３不同形式钢梁的钢一混组合梁 栓钉、钢筋等连接件由于本身的弯曲会使混凝土板与型 钢梁之间产生一定的滑移，故称之为柔性连接件。该类连接 ３钢一混组合梁的关键技术 件的抗弯刚度相对较小，纵向剪力会使连接件变形，连接件 钢一混组合梁是通过剪力连接件将钢梁和混凝土板连 将产生弯曲应力，混凝土产生不均匀压应力，靠近连接件根 部的混凝土发生剪压破坏。由于栓钉等连接件无方向性，施 接起来共同受力、变形协调的一种梁。 工方便（可用特制电焊机直接焊接），受力性能好，因此目前 为了能保证混凝土和钢梁两种材料能更好地结合在一 被各个国家广泛使用。 起，充分发挥混凝土抗压，梁抗拉的特点，剪力连接件的作用 ３．２．３刚度滞后型连接件 就显得尤为关键。 刚度滞后型连接件是通过在栓钉根部用硬化型环氧树 近些年来，国内外许多研究单位一直在致力于研究更为 新型、高强、方便、安全以及廉价的剪力连接器。如在德国， 脂包裹，调整硬化剂的加入量来控制硬化时间，可以达到刚 雷昂哈特教授和Ｐａｒｔｎｅｒｓ公司发展了一种称为Ｐｅｒｆｏｂｏｎｄ 度滞后的目的。在负弯矩区，可以给混凝土施加有效的预压 应力，在预应力施加阶段剪力连接件不发挥作用，在使用阶 Ｓｔｒｉｐ的新的剪力连接器，这种剪力连接器由带孑Ｌ钢板组成， 穿过这些钢板孑Ｌ灌注混凝土，成型后形成一系列混凝土榫来 段连接件充分发挥其抗剪刚度。但这类连接方式目前在国 内工程应用较少。 抵抗剪力 。此新型剪切连接件并非完善，而只是研究的起 点和方向，需要进一步研究此设想的可行性。 ４钢一混组合梁的主要研究方法 ３．１按连接件的作用机理分类 ４．１解析法… ３．１．１机械型连接件 １９９５年，Ｎｅｗｍａｒｋ、Ｓｉｅｓｓ和Ｖｉｅｓｔ提出的经典的线弹性方 在钢一混组合梁结构中，机械型连接件使用最广，常见 法，假设组合梁的＝三部分都处于材料的线弹性阶段；Ｙａｍ和 四ＪＩｌ建筑第３０卷２期２０１０．０４ ｌ２３ 工 程 结 构・ 的相关内容十分必要。 Ｃｈａｐｍａｎ提出的刚塑性分析法，考虑三部分完全塑性，主要 用于计算组合梁的极限承载力；Ｏｅｈｌｅｒｓ和Ｓｖｅｄ提出的“混合 法”，在考虑连接件塑性的同时，认为组合梁中钢梁和混凝土 翼板是完全弹性的。 ６结束语 钢～混组合梁结构在我国的建筑和桥梁建筑领域已得 到越来越多的应用，并显示了很好的受力性能和很好的综合 经济效益。工程实践表明，钢一混凝土梁能够适应现代工程 结构向大跨、高耸、重载发展的需要，符合现代施工技术的工 业化要求，因而正被越来越广泛地应用于各种结构工程中， 此法的优缺点是计算结果精确，但需输人数据较多，自 由度较多，计算工作量大，难于考虑滑移影响。 ４．２半解析法 ２０００年，以聂建国教授为代表，在进行大量试验研究后 提出了工字形截面组合梁的附加曲率法和折减刚度法，在滑 移微分方程的基础上提出了计算简支梁和连续梁挠度的新 方法，该方法根据试验结果对材料力学挠度计算公式进行了 修正。 余志武教授在完成了大量预应力工字形截面简支、连续 并已取得良好的经济效益和建筑效果。同时，也随着泵灌技 术，高强、高性能、轻质混凝土的研究与利用，以及预应力组 合结构的出现，钢一混凝土组合结构即将进入一个新的发展 时期。总之，随着我国经济建设的发展，钢产量不断上升，劳 动力费用不断增长，采用组合结构的优势将更加明显。 参考文献 组合梁试验研究的基础上，提出了预应力组合梁界面滑移一 挠度耦合分析法和相应的计算公式，提出了组合梁的承载力 计算公式和挠度计算方法。 此法的优缺点是该方法求解组合梁滑移具有理论性强， 计算准确的特点，但难以考虑滑移对结构性能的影响，或者 在计算后必须考虑滑移效应对结构刚度的性能的折减。 ４．３有限元法｜６＿ ［１］聂建国．钢一混凝土组合梁结构一试验、理论与应用［Ｍ］．科 学出版社，２００５ ［２］ 雷吕龙．钢一混凝土组合桥中新的剪力连接器的发展与试验 ［Ｊ］．国外桥梁，１９９９（２）：６４—６８ ［３］ 朱炯，罗智星．钢一混凝土组合粱剪切连接件评述［Ｊ］．能源技 术与管理，２００７（６）：１２６—１２８ 目前，有限元法有主要有如下几类。 （１）按空间板壳单元进行完全的三维空间分析； （２）按空间或平面梁元计算； （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 算后的组合截面梁段单元计算。 ［４］ 吴兴邦．钢一混凝土组合梁的研究与发展［Ｊ］．建筑与工程， ２００７（１１）：３４１ ［５］李兵兵．钢一混凝土组合梁的应用与研究［Ｊ］．中国科技信息， ２００５（１１） ［６］ 朱炯，罗智星．钢一混凝土组合梁剪切连接件评述［Ｊ］．能源技 术与管理，２００７（６）：１２６—１２８ 此法的优缺点是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合梁结构性能的 影响。 ［７］ 张霞，向中富．钢一砼组合梁中两种新型连接件的有限元分析 ［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００７，２（２６）：５—９ ［８］ 王德选，王连广．预应力ＦＲＰ布钢与混凝土组合梁抗弯承载力 ５钢一混组合梁研究存在的问题 国内外对组合梁的研究内容有：剪力连接件的研究 ， 截面抗弯承载力的研究 ，混凝土收缩和徐变对组合梁 计算［Ｊ］．沈阳建筑大学学报（自然科学版）．２００７，２３（５） ［９］王静峰，李国强．半连续组合梁的抗弯和转动性能［Ｊ］．清华大 学学报（自然科学版），２００７，４７（３） 的工作性能的影响 ｌｊｌｌｌ ，温度对组合梁工作性能的影 响 １６］；预应力组合梁负弯矩区混凝土裂缝的研究¨ 等。这 些研究工作的开展，促进了钢一混凝土组合梁设计方法的进 一［１０］ 舒小娟，钟新谷．钢箱一混凝土组合梁抗弯承载力理论与试 验研究对比分析［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００５，６（２） ［１】］钟新谷，舒小娟．钢箱一混凝土组合梁弯曲性能试验研究 ［Ｊ］．建筑结构学报，２００６，２７（１） 步完善，但是以下几个方面还有待研究。 （１）研究发展新的结构体系。比如预应力钢一混凝土组 ［１２］胡吉，石启印．外包钢一混凝土组合梁正截面受弯承载力试 验［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２００５，２６（９） ［１３］ 温庆杰，叶见曙．钢一混凝土组合梁的收缩徐变效应分析 ［Ｊ］．工业建筑，２００６，３６（２１） ［１４］ 黄琼，叶梅新．钢一混凝土叠合板组合桥面的徐变和应力重 分布研究［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００６（３） ［１５］ 程海根，刘建村．钢一砼组合粱考虑滑移时收缩徐变应力分 合梁，钢箱一混凝土组合梁，钢管混凝土一钢箱组合梁等新 的结构。提高组合梁在大空间及大跨度桥梁中的应用水平。 （２）组合梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。 至今，关于组合梁扭转刚度研究甚少，因此建立合理的组合 梁扭转刚度的简化计算公式十分必要。 （３）钢一混组合梁中，如果横向钢筋配置不够或不当，就 可能产生先于抗弯破坏的纵向劈裂破坏，这增加了设计和施 工的难度，实际当中不易把握，有必要进一步对组合梁纵向 抗剪性能的研究，寻求一种较简便的横向钢筋计算方法。 （４）关于新型蜂窝形钢一混组合梁的试验研究还有待进 一析［Ｊ］．南昌大学学报（工科版），２００５，２７（２） ［１６］ 陈玲，陈伟．局部火灾下混凝土组合梁温度实验及模拟［Ｊ］． 天津理工大学学报，２００７，２３（４） ［１７］ 周安，戴航．体内预应力钢纤维混凝土一钢组合梁负弯矩区 抗裂及裂缝宽度试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，２００７，２８（３） 步深入，在国内制定蜂窝形钢梁的相关规范规程与组合梁 ｌ２４ 四川建筑第３０卷２期２０１０．０４
