山东科技大学钢结构工程研究所山东科技大学钢结构工程研究所 王王 来来钢钢-混凝土组合结构混凝土组合结构1第一节第一节 钢钢- -混凝土组合结构概论混凝土组合结构概论 由几种不同受力性质的建筑材料组成、在荷载作用下具由几种不同受力性质的建筑材料组成、在荷载作用下具有整体作用的结构称为组合结构。有整体作用的结构称为组合结构。 根据组成材料的不同，组合结构有诸多类型。目前，组根据组成材料的不同，组合结构有诸多类型。目前，组合结构一般是指由钢材（包括轧制或焊接成型钢、钢筋）合结构一般是指由钢材（包括轧制或焊接成型钢、钢筋）和混凝土的结构，统称钢和混凝土的结构，统称钢- -混凝土组合结构（混凝土组合结构（Steel-concrete composite structure）。）。 组合结构具有能发挥不同材料各自的优良性能，钢材、组合结构具有能发挥不同材料各自的优良性能，钢材、混凝土的利用比较充分，造价较低，抗震性能好以及施工混凝土的利用比较充分，造价较低，抗震性能好以及施工方便等优点。方便等优点。2组合板组合梁组合柱钢管混凝土组合墙34567一一.组合结构的分类组合结构的分类 1.钢钢-混凝土组合楼盖结构混凝土组合楼盖结构（Steel-concrete floor composite structure） 钢钢- -混凝土组合楼盖结构（也称为钢混凝土组合楼盖结构（也称为钢- -混凝土组合梁结构）是指混凝土组合梁结构）是指通过抗剪连接件连接钢梁和混凝土板的结构体系。按楼板形式分通过抗剪连接件连接钢梁和混凝土板的结构体系。按楼板形式分类，有以下四种：类，有以下四种： （1）现浇钢筋混凝土板组合楼盖）现浇钢筋混凝土板组合楼盖 如图如图1.1.11.1.1所示。这类组合楼盖的特点是混凝土板在现场浇筑，所示。这类组合楼盖的特点是混凝土板在现场浇筑，需要搭设脚手架，安装模板，施工周期较长。需要搭设脚手架，安装模板，施工周期较长。8 （2）预制钢筋混凝土板组合楼盖）预制钢筋混凝土板组合楼盖 其连接构造如图其连接构造如图1.1.21.1.2所示，预制混凝土板支承于钢梁上。为所示，预制混凝土板支承于钢梁上。为了抵抗混凝土板和钢梁之间的纵向剪力，在钢梁上应焊有抗剪连了抵抗混凝土板和钢梁之间的纵向剪力，在钢梁上应焊有抗剪连接件，在板的边缘应有槽口以便连接件穿过，用细石混凝土浇灌接件，在板的边缘应有槽口以便连接件穿过，用细石混凝土浇灌槽口与板间缝隙，并采取措施保证板与钢梁以及板与板之间的可槽口与板间缝隙，并采取措施保证板与钢梁以及板与板之间的可靠连接。这类组合楼盖的缺点是传递水平力的能力较差，楼板施靠连接。这类组合楼盖的缺点是传递水平力的能力较差，楼板施工时影响钢结构的吊装。工时影响钢结构的吊装。9 （3）钢）钢-混凝土叠合板楼盖混凝土叠合板楼盖 混凝土叠合板翼缘由预制混凝土叠合板翼缘由预制板和后浇混凝土层构成，预板和后浇混凝土层构成，预制板既作为模板，又作为楼制板既作为模板，又作为楼板的一部分参与楼盖受力。板的一部分参与楼盖受力。图图1.1.31.1.3为采用混凝土叠合板为采用混凝土叠合板的组合屋面梁。近年来，钢的组合屋面梁。近年来，钢- -混凝土叠合板组合楼盖结构混凝土叠合板组合楼盖结构成功地应用于火力发电厂主成功地应用于火力发电厂主厂房等工程，技术经济效益厂房等工程，技术经济效益和社会效益比较显著。和社会效益比较显著。10 （4）压型钢板）压型钢板-混凝土板组合楼盖混凝土板组合楼盖压型钢板压型钢板-混凝土板组合楼盖由压型钢板混凝土板组合楼盖由压型钢板-混凝土板、抗剪连接件和混凝土板、抗剪连接件和钢梁三部分组成，如图钢梁三部分组成，如图1.1.4所示。抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交所示。抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交界面的纵向剪力，抵抗相对滑移，以保证二者共同工作。这种楼盖主要界面的纵向剪力，抵抗相对滑移，以保证二者共同工作。这种楼盖主要应用于高层钢结构建筑中，结构性能较好，综合经济效益优于其他组合应用于高层钢结构建筑中，结构性能较好，综合经济效益优于其他组合楼盖。楼盖。11 压压型型钢钢板板用用冷冷轧轧钢钢板板或或镀镀锌锌薄薄钢钢板板制制作作，宜宜采采用用后后者者，一一般般厚厚度度为为0.5-1.2mm0.5-1.2mm。图。图1.1.51.1.5为部分国产压型钢板的板型。为部分国产压型钢板的板型。12 国家标准钢结构设计规范国家标准钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003、电力行业标准钢、电力行业标准钢- -混混凝土组合楼盖结构设计规程凝土组合楼盖结构设计规程DL/T5085-1999DL/T5085-1999等对压型钢板等对压型钢板- -混凝土组合混凝土组合楼盖的设计作了规定。楼盖的设计作了规定。 132.型钢混凝土组合结构型钢混凝土组合结构（Steelreinforcedconcretecompositestructure）混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构称为型钢混混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构称为型钢混凝土组合结构。也称其为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构。凝土组合结构。也称其为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构。型钢混凝土结构除了用于框架结构、剪力墙结构外，也可制作拱型钢混凝土结构除了用于框架结构、剪力墙结构外，也可制作拱和壳体，在桥梁和原子能反应堆保护壳等工程中使用。和壳体，在桥梁和原子能反应堆保护壳等工程中使用。承载力高、构件截面较小、可降低结构层高；承载力高、构件截面较小、可降低结构层高；利用型钢的承载力减少模板工程量、缩短工期；利用型钢的承载力减少模板工程量、缩短工期；结构延性好、抗震性能优良；耐久性和防火性能均明显优于钢结构。结构延性好、抗震性能优良；耐久性和防火性能均明显优于钢结构。 建设部建设部制定了制定了行业标准型钢混凝土组合结构技术规定行业标准型钢混凝土组合结构技术规定JG138-2001JG138-2001，电力行业标准钢，电力行业标准钢- -混凝土组合结构设计规程混凝土组合结构设计规程DL/T5085-1999DL/T5085-1999，冶金，冶金工业部行业标准钢骨混凝土结构设计规程工业部行业标准钢骨混凝土结构设计规程YB9058-97YB9058-97等。等。14153.钢管混凝土组合结构钢管混凝土组合结构（Concrete filled steel tubular composite structure）钢管混凝土结构是用混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构，通常钢管混凝土结构是用混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构，通常不必配置钢筋。钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点，不必配置钢筋。钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点，受力合理，节省材料。其基本原理有二：一是借助核心混凝土增强钢受力合理，节省材料。其基本原理有二：一是借助核心混凝土增强钢管壁的稳定性，二是借助钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土处管壁的稳定性，二是借助钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的强度和变形能力。于三向受压状态，提高混凝土的强度和变形能力。 图图1.1.7钢管混凝土钢管混凝土16n19901990年国家建材工业局颁发年国家建材工业局颁发钢管混凝土设计与施工规程钢管混凝土设计与施工规程CJ101-89CJ101-89。n19911991年中国工程建设标准化协会制定了年中国工程建设标准化协会制定了钢管混凝土结构设计与施工规钢管混凝土结构设计与施工规程程CECS28CECS28：9090。n19991999年电力行业标准年电力行业标准钢钢- -混凝土组合结构设计规程混凝土组合结构设计规程DL/T5085-1999DL/T5085-1999发发布，促进了钢管混凝土组合结构在我国的发展。布，促进了钢管混凝土组合结构在我国的发展。n20042004年中国工程建设标准化协会制定了年中国工程建设标准化协会制定了矩形钢管混凝土结构技术规程矩形钢管混凝土结构技术规程 CECS159-2004CECS159-200417钢管混凝土在我国高层建钢管混凝土在我国高层建筑中的应用发展很快，自筑中的应用发展很快，自2020世世纪纪9090年代以来，经历了由局部年代以来，经历了由局部采用、大部分采用到全部采用采用、大部分采用到全部采用钢管混凝土柱的过程。已建成钢管混凝土柱的过程。已建成有北京的世界金融大厦（有北京的世界金融大厦（3636层，层，高度高度120m120m，19981998年）、深圳的年）、深圳的赛格大厦（赛格大厦（7676层，高度层，高度291.6m,1999291.6m,1999年，图年，图1.1.81.1.8）等。）等。美国双联大厦（美国双联大厦（Two Union Two Union SquareSquare）5656层，高度层，高度220m220m，于，于19891989年建成，钢管混凝土柱截年建成，钢管混凝土柱截面面140025140025，内灌混凝土强度，内灌混凝土强度等级高达等级高达C130C130。图图1.1.8深圳赛格大厦深圳赛格大厦18钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式如图钢管混凝土结构在桥梁结构中的应用形式如图1.1.91.1.9所示。图所示。图1.1.101.1.10为钢管混凝土拱肋的截面形式。为钢管混凝土拱肋的截面形式。19901990年，钢管混凝土技术首次年，钢管混凝土技术首次成功应用于跨度成功应用于跨度115m115m的四川省旺苍东河大桥（图的四川省旺苍东河大桥（图1.1.111.1.11）。）。 图图1.1.9钢管混凝土结构桥梁结构钢管混凝土结构桥梁结构19图图1.1.10钢管混凝土拱肋结构钢管混凝土拱肋结构截面形式截面形式图图1.1.11四川省旺苍东河大桥四川省旺苍东河大桥204.外包钢混凝土组合结构外包钢混凝土组合结构（Steelencasedreinforcedconcretecompositestructure） 外包钢混凝土结构是指外部配钢的钢筋混凝土结构，简称外包钢结外包钢混凝土结构是指外部配钢的钢筋混凝土结构，简称外包钢结构。应用较多的是四角配置角钢的钢筋混凝土结构，角钢的外表面与构。应用较多的是四角配置角钢的钢筋混凝土结构，角钢的外表面与混凝土表面取平或稍突出表面混凝土表面取平或稍突出表面0.5-1.5mm0.5-1.5mm。横向箍筋与角钢焊接成骨架。横向箍筋与角钢焊接成骨架，为了满足箍筋保护层的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧，为了满足箍筋保护层的要求，可将箍筋两端墩成球状再与角钢内侧焊接（图焊接（图1.1.121.1.12）。）。图图1.1.12外包钢构件外包钢构件21p组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作机理，是由二者之间的粘结组合结构中钢材与混凝土材料的共同工作机理，是由二者之间的粘结力、抗剪连接件及钢材对混凝土的约束作用实现的。力、抗剪连接件及钢材对混凝土的约束作用实现的。p压型钢板与混凝土组合楼板的共同工作，主要依靠钢板上压制的齿槽、压型钢板与混凝土组合楼板的共同工作，主要依靠钢板上压制的齿槽、穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件或焊在压型钢板端部的横向钢穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件或焊在压型钢板端部的横向钢筋的作用。筋的作用。p钢钢- -混凝土组合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪连接件形成。所以，混凝土组合梁中二者的共同工作主要依靠抗剪连接件形成。所以，抗剪连接件设计是工程关键之一，计算和构造都应满足规定的要求。抗剪连接件设计是工程关键之一，计算和构造都应满足规定的要求。p型钢混凝土结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用，有时也设置型钢混凝土结构的共同工作则主要依靠箍筋的约束作用，有时也设置抗剪连接件。抗剪连接件。p钢管混凝土结构的共同工作主要依靠钢管与混凝土的相互约束、层间钢管混凝土结构的共同工作主要依靠钢管与混凝土的相互约束、层间横隔板等形成。横隔板等形成。二二. . 组合结构的共同工作组合结构的共同工作 22第二节第二节 钢钢- -混凝土组合板混凝土组合板 一、组合梁板的基本原理一、组合梁板的基本原理非组合梁。非组合梁。由混凝土板和钢梁组成的楼盖结构中，若二者交界面处没有连由混凝土板和钢梁组成的楼盖结构中，若二者交界面处没有连接措施，则在竖向荷载作用下，混凝土板截面和钢梁截面的弯曲变形相接措施，则在竖向荷载作用下，混凝土板截面和钢梁截面的弯曲变形相互独，各自有中和轴。若忽略摩擦力，交界面上仅有竖向压力，二者之互独，各自有中和轴。若忽略摩擦力，交界面上仅有竖向压力，二者之间必定发生相对水平滑移错动。所以，其受弯承载力间必定发生相对水平滑移错动。所以，其受弯承载力M=M1+M223组合梁。组合梁。如果在钢梁上翼缘设置足够的抗剪连接件并伸入混凝土板形成整体，如果在钢梁上翼缘设置足够的抗剪连接件并伸入混凝土板形成整体，阻止板和钢梁之间的相对滑移，使二者的弯曲变形协调，共同承担荷载的作用，阻止板和钢梁之间的相对滑移，使二者的弯曲变形协调，共同承担荷载的作用，则则称为组合梁。称为组合梁。在荷载作用下，组合梁截面仅有一个中和轴，混凝土板主要承在荷载作用下，组合梁截面仅有一个中和轴，混凝土板主要承受压力，钢梁主要承受拉力。与非组合梁相比，组合梁的中和轴高度和内力臂受压力，钢梁主要承受拉力。与非组合梁相比，组合梁的中和轴高度和内力臂增大，其受弯承载力显著提高增大，其受弯承载力显著提高。组合梁的截面高度大，因而刚度也大。组合梁的截面高度大，因而刚度也大。24 掀起作用掀起作用。一般在板梁交界面上的竖向分布力为。一般在板梁交界面上的竖向分布力为压力压力。当。当荷载作用于钢梁上时，交界面上竖向分布力为荷载作用于钢梁上时，交界面上竖向分布力为拉力拉力，将引起，将引起板、梁的分离。组合梁中这种上下层分离的趋势称为掀起作板、梁的分离。组合梁中这种上下层分离的趋势称为掀起作用。由于掀起力远小于交界面上的剪切力，而且抗剪连接件用。由于掀起力远小于交界面上的剪切力，而且抗剪连接件的形状具有一定的抗掀起作用，在设计中一般不进行抗掀起的形状具有一定的抗掀起作用，在设计中一般不进行抗掀起计算。计算。25 二二. . 完全抗剪连接和部分抗剪连接完全抗剪连接和部分抗剪连接 根据抗剪连接件的布置、数量和受剪承载力，可把组合梁分根据抗剪连接件的布置、数量和受剪承载力，可把组合梁分为为完全抗剪连接组合梁完全抗剪连接组合梁和和部分抗剪连接组合梁部分抗剪连接组合梁两类。两类。完全抗剪连接完全抗剪连接：即使在梁产生弯曲破坏的最不利截面处再增：即使在梁产生弯曲破坏的最不利截面处再增加连接件的数量，梁的受弯承载力也不再增加时的抗剪连接加连接件的数量，梁的受弯承载力也不再增加时的抗剪连接设计。设计。部分抗剪连接：部分抗剪连接：抗剪连接件的数量少于完全抗剪连接所需要抗剪连接件的数量少于完全抗剪连接所需要的数量时。在实际工程中，在满足设计要求的情况下，采用的数量时。在实际工程中，在满足设计要求的情况下，采用部分抗剪连接可以取得较好的经济效益。部分抗剪连接可以取得较好的经济效益。26三三. .压型钢板压型钢板- -混凝土组合板的优点混凝土组合板的优点非组合板。非组合板。若仅考虑把压型钢板作为浇注混凝土时的永久性模板使用，若仅考虑把压型钢板作为浇注混凝土时的永久性模板使用，则压型钢板只需要满足施工阶段的承载力和变形要求。施工完成后，全则压型钢板只需要满足施工阶段的承载力和变形要求。施工完成后，全部使用荷载由混凝土板承受。其设计方法与钢筋混凝土板相同，对压型部使用荷载由混凝土板承受。其设计方法与钢筋混凝土板相同，对压型钢板的截面构造也无特殊要求。钢板的截面构造也无特殊要求。组合板。组合板。若压型钢板除在施工阶段作为模板使用外，在使用阶段还作为若压型钢板除在施工阶段作为模板使用外，在使用阶段还作为混凝土板的混凝土板的受力钢筋或部分受力钢筋，与混凝土共同工作承担使用荷载受力钢筋或部分受力钢筋，与混凝土共同工作承担使用荷载。此时，为保证混凝土与压型钢板的共同工作，在压型钢板表面需设置抗此时，为保证混凝土与压型钢板的共同工作，在压型钢板表面需设置抗剪齿槽或者采取开孔洞、焊接短钢筋、横向钢筋等措施，以抵抗交界面剪齿槽或者采取开孔洞、焊接短钢筋、横向钢筋等措施，以抵抗交界面的纵向剪力和竖向揿起力。此外，还要考虑对板的防火性能和耐久性能的纵向剪力和竖向揿起力。此外，还要考虑对板的防火性能和耐久性能的要求。常见的压型钢板和混凝土的组合形式见图。的要求。常见的压型钢板和混凝土的组合形式见图。2728压型钢板压型钢板-混凝土组合板具有下列优点：混凝土组合板具有下列优点：压型钢板可作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及支撑；压型钢板可作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及支撑；压型钢板非常轻便，堆放、运输及安装都非常方便；压型钢板非常轻便，堆放、运输及安装都非常方便；使用阶段，压型钢板可代替受拉钢筋，减少钢筋的制作与安装工作。使用阶段，压型钢板可代替受拉钢筋，减少钢筋的制作与安装工作。刚度较大，省去许多受拉区混凝土，节省混凝土用量，减轻结构自重；刚度较大，省去许多受拉区混凝土，节省混凝土用量，减轻结构自重；有利于各种管线的布置、装修方便；有利于各种管线的布置、装修方便；与木模板相比，施工时减小了火灾发生的可能性；与木模板相比，施工时减小了火灾发生的可能性；压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用。压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用。29 组合板的总厚度不应小于组合板的总厚度不应小于90mm90mm，压型钢板翼缘以上混凝土的厚度不应，压型钢板翼缘以上混凝土的厚度不应小于小于50mm50mm。混凝土强度等级不宜低于。混凝土强度等级不宜低于C20C20，骨料尺寸不应大于，骨料尺寸不应大于0.40.4h hc c、压型、压型钢板肋平均宽度的钢板肋平均宽度的1/31/3和和30mm30mm三者中的较小值。三者中的较小值。 组合板中应设置分布钢筋网，以承受收缩和温度应力，提高火灾时的组合板中应设置分布钢筋网，以承受收缩和温度应力，提高火灾时的安全性，并起到分布集中荷载的作用。分布钢筋两个方向的配筋率均不宜安全性，并起到分布集中荷载的作用。分布钢筋两个方向的配筋率均不宜少于少于0.0020.002。 在有较大集中荷地区段和开洞周围应配置附加钢筋。当防火等级较高在有较大集中荷地区段和开洞周围应配置附加钢筋。当防火等级较高时，可配置附加纵向受拉钢筋。时，可配置附加纵向受拉钢筋。简支板的支座上部应配置构造负弯矩钢筋，以控制裂缝宽度。负弯矩钢简支板的支座上部应配置构造负弯矩钢筋，以控制裂缝宽度。负弯矩钢筋的配筋率不小于筋的配筋率不小于0.0020.002，其截断点距支承边的长度不小于，其截断点距支承边的长度不小于l/4（l为板的跨为板的跨度度），且每米不少于），且每米不少于5 5根。根。 悬臂板和连续板的支座负弯矩区段应配置纵向受拉钢筋，其计算与一悬臂板和连续板的支座负弯矩区段应配置纵向受拉钢筋，其计算与一般钢筋混凝土板相同，但要考虑截面中由于压型钢板有波槽在受压区所形般钢筋混凝土板相同，但要考虑截面中由于压型钢板有波槽在受压区所形成的缺口。受压区钢板的受压屈曲，计算时忽略不计。成的缺口。受压区钢板的受压屈曲，计算时忽略不计。四四. .压型钢板压型钢板- -混凝土组合板的构造要求混凝土组合板的构造要求30 组合板在钢梁上的支承长度不应小于组合板在钢梁上的支承长度不应小于75mm75mm，其中，压型钢板的支承长度不小，其中，压型钢板的支承长度不小于于50mm50mm，（图，（图 (a),(c)(a),(c)）。支承于混凝土构件上时，组合板的支承长度不应小于）。支承于混凝土构件上时，组合板的支承长度不应小于100mm100mm，压型钢板的支承长度不应小于，压型钢板的支承长度不应小于75mm75mm（图（图 (b),(d)(b),(d)）。连续板或搭接板在）。连续板或搭接板在钢梁上的最小支承长度为钢梁上的最小支承长度为75mm75mm，支承于混凝土构件上时则为，支承于混凝土构件上时则为100mm100mm（图（图 (e),(f)(e),(f)）。）。31 压型钢板与钢梁的连接采用圆柱头栓钉，栓钉穿透压型钢板或将钢板端压型钢板与钢梁的连接采用圆柱头栓钉，栓钉穿透压型钢板或将钢板端部肋压平后焊接于钢梁上（图）。栓钉直径一般为：板跨度部肋压平后焊接于钢梁上（图）。栓钉直径一般为：板跨度l0.55h0时，取时，取 0.55h0， h0为组合板有效高度；为组合板有效高度；系系数数0.8相相当当于于将将压压型型钢钢板板钢钢材材的的抗抗拉拉强强度度设设计计值值和和混混凝凝土土弯弯曲曲抗抗压压强强度度设设计计值值乘乘以以折折减减系系数数0.8，考考虑虑到到起起受受拉拉钢钢筋筋作作用用的的压压型型钢钢板板没没有有混混凝凝土土保保护层，以及中和轴附近材料强度发挥不充分等因素。护层，以及中和轴附近材料强度发挥不充分等因素。 39抗冲剪承载力验算抗冲剪承载力验算 组合板在集中荷载下的冲切力V1，应满足 Fl0.7ftumhc um 临界周界长度 40斜截面抗剪承载力验算斜截面抗剪承载力验算 组合板斜截面最大剪力设计值Vu应当满足:41变形验算变形验算按弹性方法进行组合板的变形验算。挠度值应分别按按弹性方法进行组合板的变形验算。挠度值应分别按荷载效应标准组合、荷载效应标准组合、荷载效应准永久组合荷载效应准永久组合计算，其中的较大值不应超过规定的挠度限值，即计算，其中的较大值不应超过规定的挠度限值，即42 一、组合梁的优点一、组合梁的优点 当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时，宜按钢当楼层采用钢筋混凝土板和钢梁时，宜按钢- -混凝土组合梁结构设计。混凝土组合梁结构设计。钢钢- -混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向混凝土组合梁是指通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件承重构件。 （1 1）组合梁截面中混凝土主要受压，钢梁受拉，充分发挥材料特性，）组合梁截面中混凝土主要受压，钢梁受拉，充分发挥材料特性，承载力高。承载力相同时，比非组合梁节约钢材达承载力高。承载力相同时，比非组合梁节约钢材达15%-25%15%-25%。 （2 2）混凝土板参加梁的工作，梁的刚度增大。楼盖结构的刚度要求相）混凝土板参加梁的工作，梁的刚度增大。楼盖结构的刚度要求相同时，采用组合梁可比非组合梁减小截面高度同时，采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%-30%26%-30%。组合梁用于高层。组合梁用于高层建筑，不仅降低楼层结构高度，且显著减轻对地基的荷载。建筑，不仅降低楼层结构高度，且显著减轻对地基的荷载。 （3 3）组合梁的翼缘板较宽大，提高了钢梁的侧向刚度，提高了稳定性。）组合梁的翼缘板较宽大，提高了钢梁的侧向刚度，提高了稳定性。改善了钢梁受压区的受力状态，增强抗疲劳性能。改善了钢梁受压区的受力状态，增强抗疲劳性能。 （4 4）可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷）可以利用钢梁的刚度和承载力承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载，无需设置支撑，加快施工速度。载，无需设置支撑，加快施工速度。 （5 5）抗震性能好。）抗震性能好。 （6 6）在钢梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撑室内管线用，不需埋设）在钢梁上便于地焊接托架或牛腿，供支撑室内管线用，不需埋设预埋件。预埋件。第三节第三节 钢钢- -混凝土组合梁混凝土组合梁43 钢钢- -混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混混凝土组合梁的主要缺陷是钢材易于锈蚀及防火性能不如钢筋混凝土。解决钢材锈蚀问题：凝土。解决钢材锈蚀问题：采用低合金钢材，这种钢材表面锈蚀后可采用低合金钢材，这种钢材表面锈蚀后可形成保护层，阻断锈蚀继续向内部发展；形成保护层，阻断锈蚀继续向内部发展；采用高质量的防锈蚀油漆。采用高质量的防锈蚀油漆。二、钢梁的截面形式二、钢梁的截面形式 组合梁中钢梁的截面形式多样，如图所示。组合梁中钢梁的截面形式多样，如图所示。组合梁中钢梁的截面形式组合梁中钢梁的截面形式44三、组合梁的构造要求三、组合梁的构造要求 1. 1. 截面尺寸截面尺寸简支组合梁的高跨比为简支组合梁的高跨比为1/18-1/121/18-1/12，一般取，一般取1/151/15。混凝土板厚通常取截面混凝土板厚通常取截面高度的高度的1/31/3左右，一般采用左右，一般采用100mm100mm，120mm120mm，140mm140mm，160mm160mm；荷载特别大的；荷载特别大的平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用平台结构或桥梁结构的混凝土板厚可采用180mm180mm，200mm200mm甚至甚至300mm300mm。采用。采用压型钢板的组合楼盖中，压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离不压型钢板的组合楼盖中，压型钢板的凸肋顶面至混凝土板顶面的距离不小于小于50mm50mm。钢梁的截面高度钢梁的截面高度ha不宜于截面总高度不宜于截面总高度h 的的1/2.51/2.5。为保证组合梁腹板的局。为保证组合梁腹板的局部稳定性，可按部稳定性，可按钢结构设计规范钢结构设计规范要求设置加劲肋。要求设置加劲肋。 45组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求。有托组合梁边梁混凝土翼缘板的构造应满足图示要求。有托板时，伸出长度不应小于板时，伸出长度不应小于hc2；无托板时，应同时满足伸；无托板时，应同时满足伸出钢梁中心线不小于出钢梁中心线不小于150mm150mm、伸出钢梁翼缘边不小于、伸出钢梁翼缘边不小于50mm50mm的要求。的要求。组合梁边梁混凝土翼缘板的构造组合梁边梁混凝土翼缘板的构造462 2板托板托板板托托顶顶部部的的宽宽度度与与高高度度hc2之之比比应应不不小小于于1.51.5，且且板板托托的的高高度度不不宜宜大大于于混混凝凝土板厚度土板厚度hc1的的1.51.5倍；倍；板板托托的的外外形形应应满满足足图图所所示示的的构构造造要要求求，板板托托边边缘缘距距连连接接件件外外侧侧的的距距离离不不得小于得小于40mm40mm，板托外表轮廓应在自连接件根部算起的，板托外表轮廓应在自连接件根部算起的4545仰角之外。仰角之外。473 3主次梁连接主次梁连接 平接连接方式平接连接方式; ;叠接连接方式叠接连接方式 。48四、抗剪连接件四、抗剪连接件抗抗剪连接件的形状：既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。抗抗剪连接件的形状：既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用。常用的抗剪连接件类型：栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、常用的抗剪连接件类型：栓钉、槽钢、弯筋以及方钢、T T形钢连接件等。形钢连接件等。宜优先采用栓钉连接件，因其施工方便快速，受力性能好，单位承载力宜优先采用栓钉连接件，因其施工方便快速，受力性能好，单位承载力用钢量最少。其次是槽钢连接件。用钢量最少。其次是槽钢连接件。连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系，以有利于抵抗连接件被掀起，连接件的布置需注意与纵向剪力方向的关系，以有利于抵抗连接件被掀起，避免混凝土发生劈裂。避免混凝土发生劈裂。49抗剪连接件剪力抗剪连接件剪力- -滑移曲线滑移曲线。图为栓钉、槽钢、图为栓钉、槽钢、T T形钢连接件的剪力形钢连接件的剪力- -滑移滑移曲线。由图可知，栓钉和槽钢等连接件的刚度较小，变形能力较大，这曲线。由图可知，栓钉和槽钢等连接件的刚度较小，变形能力较大，这类连接称为柔性连接件；类连接称为柔性连接件；T T形钢连接件的刚度较大，变形能力较小，称为形钢连接件的刚度较大，变形能力较小，称为刚性连接件，目前已很少采用。刚性连接件，目前已很少采用。抗剪连接件剪力抗剪连接件剪力滑移曲线滑移曲线50五五. .组合梁受弯承载力组合梁受弯承载力 组合梁设计的内容应包括：受弯承载力计算、受剪承载力计算、抗剪连组合梁设计的内容应包括：受弯承载力计算、受剪承载力计算、抗剪连接件的数量和布置、混凝土翼缘板及其板托纵向界面受剪承载力计算、变接件的数量和布置、混凝土翼缘板及其板托纵向界面受剪承载力计算、变形验算、负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算以及构造设计。形验算、负弯矩区段内混凝土翼缘板的最大裂缝宽度验算以及构造设计。 1.1.组合梁正截面的受力性能组合梁正截面的受力性能 从开始加荷到破坏，组合梁正截面从开始加荷到破坏，组合梁正截面经历弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段。经历弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段。组合梁的恒载组合梁的恒载挠度曲线挠度曲线 51 加荷到破坏荷载加荷到破坏荷载90%90%以以上时，混凝土翼缘板相对上时，混凝土翼缘板相对于钢梁发生较大的掀起变于钢梁发生较大的掀起变形，连接件的水平变形较形，连接件的水平变形较大。若横向钢筋不足，板大。若横向钢筋不足，板顶面沿钢梁轴线附近出现顶面沿钢梁轴线附近出现纵向裂缝（图纵向裂缝（图(a)(a)），削），削弱了混凝土与钢梁的共同弱了混凝土与钢梁的共同工作，此时钢梁的屈服范工作，此时钢梁的屈服范围已发展到一定的高度，围已发展到一定的高度，受压区混凝土产生塑性变受压区混凝土产生塑性变形，挠度迅速增大，组合形，挠度迅速增大，组合梁进入塑性阶段，直到破梁进入塑性阶段，直到破坏（图坏（图(b)(b)）。）。 52 组合梁正截面受力的实测应变分布。可以看出，在钢梁下翼缘达到屈服组合梁正截面受力的实测应变分布。可以看出，在钢梁下翼缘达到屈服应变以前，截面应变分布基本上符合平截面假定。应变以前，截面应变分布基本上符合平截面假定。 实测混凝土翼缘板相对于钢梁的纵向水平滑移。表明，在钢梁的下翼缘实测混凝土翼缘板相对于钢梁的纵向水平滑移。表明，在钢梁的下翼缘屈服以前，钢梁与混凝土翼缘板之间的相对滑移较小，试验表明，连接件屈服以前，钢梁与混凝土翼缘板之间的相对滑移较小，试验表明，连接件的水平滑移对组合梁极限承载力的影响很小，计算承载力时可以忽略，但的水平滑移对组合梁极限承载力的影响很小，计算承载力时可以忽略，但对变形的影响则不能忽略。而且纵向剪力在各连接件中产生重分布，使各对变形的影响则不能忽略。而且纵向剪力在各连接件中产生重分布，使各连接件承爱的剪力超于均匀。连接件承爱的剪力超于均匀。53 实测混凝土翼缘板沿梁长的掀起变形。在跨中加载点附近，实测混凝土翼缘板沿梁长的掀起变形。在跨中加载点附近，掀起值很小；由跨中向支座延伸，掀起值不断增大，约距支掀起值很小；由跨中向支座延伸，掀起值不断增大，约距支座处座处l0/10 处（处（l0为计算跨度）为最大。为计算跨度）为最大。交界面上沿交界面上沿梁长的掀起变形梁长的掀起变形542. 2. 受弯承载力计算受弯承载力计算 （1 1）按塑性理论计算的基本假定）按塑性理论计算的基本假定混凝土翼缘板与钢梁为完全抗剪连接；混凝土翼缘板与钢梁为完全抗剪连接；塑性中和轴以上混凝土达到轴心抗压设计强度：塑性中和轴以上混凝土达到轴心抗压设计强度：忽略塑性中和轴以下混凝土的抗拉强度；忽略塑性中和轴以下混凝土的抗拉强度；不计托板截面的作用；不计托板截面的作用；塑性中轴以下钢梁截面的拉应力和塑性中和轴以上钢梁截面的压应力塑性中轴以下钢梁截面的拉应力和塑性中和轴以上钢梁截面的压应力均达到钢材的相应强度设计值。均达到钢材的相应强度设计值。（2 2）正弯矩截面的受弯承载力）正弯矩截面的受弯承载力 塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时 塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时塑性中和轴位于混凝土翼缘板内时55 塑性中和轴在钢梁腹板内时塑性中和轴在钢梁腹板内时 塑性中和轴在钢梁腹板内时塑性中和轴在钢梁腹板内时56六六. .组合梁纵向界面受剪承载力组合梁纵向界面受剪承载力 混凝土翼缘板及其混凝土翼缘板及其托板的纵向最托板的纵向最不利受剪不利受剪界面界面有两种类型：一是有两种类型：一是穿过整个板厚的竖向受穿过整个板厚的竖向受剪界面剪界面a-a；二是围绕抗；二是围绕抗剪连接件周边的受剪界剪连接件周边的受剪界面面b-b（无板托）和（无板托）和c-c（有板托）。（有板托）。571.1.各种抗剪连接件的构造要求各种抗剪连接件的构造要求（1 1）栓钉连接件）栓钉连接件 栓钉是采用自动栓钉焊接机焊接于钢梁翼缘上的，各个方向具有相同栓钉是采用自动栓钉焊接机焊接于钢梁翼缘上的，各个方向具有相同的强度和刚度，不影响混凝土板中钢筋的布置。的强度和刚度，不影响混凝土板中钢筋的布置。 栓钉连接件的公称直径有栓钉连接件的公称直径有8mm8mm，10mm10mm，13mm13mm，16mm16mm，19mm19mm及及22mm22mm，常，常用的为后四种。栓钉沿梁轴线方向的间距用的为后四种。栓钉沿梁轴线方向的间距不应小于不应小于焊杆直径的焊杆直径的6 6倍；垂直倍；垂直于梁轴线方向的间距于梁轴线方向的间距不应小于不应小于焊杆直径的焊杆直径的4 4倍。倍。栓钉连接件的布置要求栓钉连接件的布置要求七七. .抗剪连接件设计抗剪连接件设计58（2 2）槽钢连接件）槽钢连接件 当栓钉的抗剪能力不满足要求或者不具备栓钉焊接设备时，可采用槽当栓钉的抗剪能力不满足要求或者不具备栓钉焊接设备时，可采用槽钢连接件（图）。槽钢连接件一般采用钢连接件（图）。槽钢连接件一般采用Q235Q235钢轧制的钢轧制的88、1010、1212等小型等小型槽钢，其长度槽钢，其长度不能超过不能超过钢梁翼缘宽度减去钢梁翼缘宽度减去50mm50mm后的值。槽钢连接件翼缘后的值。槽钢连接件翼缘肢肢尖方向尖方向应与混凝土板中应与混凝土板中水平剪应力的方向水平剪应力的方向一致，并仅在槽刚下翼缘一致，并仅在槽刚下翼缘根部根部和和趾部趾部（即垂直于钢梁的方向）与钢梁焊接，角焊尺寸根据计算确定，但不（即垂直于钢梁的方向）与钢梁焊接，角焊尺寸根据计算确定，但不小于小于5mm5mm。为减少钢梁上翼缘的焊接变形，平行于钢梁的方向不需施焊。为减少钢梁上翼缘的焊接变形，平行于钢梁的方向不需施焊。 槽钢连接件槽钢连接件59（3 3）弯筋连接件）弯筋连接件 弯筋连接件一般采用直径不小于弯筋连接件一般采用直径不小于12mm12mm的的HPB235HPB235级钢筋，弯起角度宜为级钢筋，弯起角度宜为4545，弯折方向弯折方向应与板中应与板中纵向水平剪应力纵向水平剪应力的方向一致，并成对设置。沿梁的方向一致，并成对设置。沿梁轴线方向的间距不小于轴线方向的间距不小于0.7hc1，（，（hc1为混凝土板厚度），且不大于为混凝土板厚度），且不大于2 2hc1；弯；弯筋连接件的长度不小于其直径的筋连接件的长度不小于其直径的3030倍，从弯起点算起的长度不小于直径的倍，从弯起点算起的长度不小于直径的2525倍，其中，水平段的长度不小于其直径的倍，其中，水平段的长度不小于其直径的1010倍（光面钢筋应加弯钢）。倍（光面钢筋应加弯钢）。弯筋连接件与钢梁连接的双侧焊缝长度为弯筋连接件与钢梁连接的双侧焊缝长度为4d（HRB335HRB335级钢筋）或级钢筋）或5d（HPB235HPB235级钢筋）。级钢筋）。弯筋连接件弯筋连接件60 2.2.抗剪连接的破坏形态抗剪连接的破坏形态 （1 1）连接件受剪受拉破坏）连接件受剪受拉破坏 混凝土强度等级比较高时，连接件的承载力与混凝土无关，取决于连接混凝土强度等级比较高时，连接件的承载力与混凝土无关，取决于连接件的类型及材质。这种破坏也包括焊缝破坏。件的类型及材质。这种破坏也包括焊缝破坏。（2 2）连接件附近混凝土破坏）连接件附近混凝土破坏 栓钉连接件的承压应力在底部最大，沿高度逐渐减小，当接近顶部时承栓钉连接件的承压应力在底部最大，沿高度逐渐减小，当接近顶部时承压应力开始反向。前方根部混凝土的局部受压破碎或劈裂。压应力开始反向。前方根部混凝土的局部受压破碎或劈裂。栓钉连接件破坏栓钉连接件破坏61 槽钢连接件破坏：以混凝土板劈裂最为常见，混凝土板中在连接槽钢连接件破坏：以混凝土板劈裂最为常见，混凝土板中在连接件受力方向形成宏观纵向裂缝，在垂直方向形成宏观横向裂缝。此类件受力方向形成宏观纵向裂缝，在垂直方向形成宏观横向裂缝。此类破坏时连接件的承载力取决于混凝土的强度等级及品种。破坏时连接件的承载力取决于混凝土的强度等级及品种。槽钢连接件破坏槽钢连接件破坏623.3.单个抗剪连接件承载力单个抗剪连接件承载力 栓钉连接件栓钉连接件组合梁中的栓钉连接件主要承受侧压力，一般情况下掀起作用在栓组合梁中的栓钉连接件主要承受侧压力，一般情况下掀起作用在栓钉中产生的拉力很小，可以忽略不计，因此栓钉承载力可按纯剪受力模钉中产生的拉力很小，可以忽略不计，因此栓钉承载力可按纯剪受力模型计算。当栓钉中的拉力不可忽略时，可按拉、剪组合作用计算。型计算。当栓钉中的拉力不可忽略时，可按拉、剪组合作用计算。栓钉除承受剪切作用外，其根部混凝土承受局部压力，因此混凝土的栓钉除承受剪切作用外，其根部混凝土承受局部压力，因此混凝土的强度和变形对栓钉受剪承载力也有影响。强度和变形对栓钉受剪承载力也有影响。当混凝土立方体强度当混凝土立方体强度fcu520N/mm2时，取时，取fdu=520N/mm2 ； EC 混凝土的弹性模量；混凝土的弹性模量； fc 混凝土的轴心抗压强度；混凝土的轴心抗压强度； k由试验研究确定的经验系数，其值与栓钉的高度和直径的比值有由试验研究确定的经验系数，其值与栓钉的高度和直径的比值有关。栓钉的高度为其直径关。栓钉的高度为其直径4 4倍以上时（常见情况），取倍以上时（常见情况），取k=0.43。 式中不等号右边表示单个栓钉本身的受剪承载力设计值，考虑到栓钉受式中不等号右边表示单个栓钉本身的受剪承载力设计值，考虑到栓钉受到到周围混凝土的约束，其抗剪强度有所提高周围混凝土的约束，其抗剪强度有所提高，故取栓钉的抗剪强度为抗拉强，故取栓钉的抗剪强度为抗拉强度的度的70%70%。64 对于连续组合梁的负弯矩区，由于混凝土板受拉，连接对于连续组合梁的负弯矩区，由于混凝土板受拉，连接件的抗剪承载力有所降低，应乘以折减系数件的抗剪承载力有所降低，应乘以折减系数0.850.85。4.4.抗剪连接件的数量和布置抗剪连接件的数量和布置 完全抗剪连接组合梁的抗剪连接件设计应保证梁截面在达完全抗剪连接组合梁的抗剪连接件设计应保证梁截面在达到受弯承载力之前，交界面不发生连接件的受剪破坏。因此，到受弯承载力之前，交界面不发生连接件的受剪破坏。因此，最大弯矩截面至零弯截面之间区段（剪跨区）内的连接件数量最大弯矩截面至零弯截面之间区段（剪跨区）内的连接件数量按下式计算：按下式计算：6566八八组合梁的变形计算组合梁的变形计算 1.1.换算截面法换算截面法 混凝土板的换算宽度按下列公式计算：混凝土板的换算宽度按下列公式计算： 计算荷载效应标准组合下的挠度时计算荷载效应标准组合下的挠度时计算荷载效应准永久组合下的挠度时计算荷载效应准永久组合下的挠度时 正常使用阶段组合梁的变形计算采用弹性理论，要求分别按荷载效应正常使用阶段组合梁的变形计算采用弹性理论，要求分别按荷载效应标准组合值、荷载效应准永久组合值（考虑长期荷载作用下混凝土徐变、标准组合值、荷载效应准永久组合值（考虑长期荷载作用下混凝土徐变、收缩的影响）计算，其中的较大者不应大于规范规定的挠度限值。收缩的影响）计算，其中的较大者不应大于规范规定的挠度限值。 用换算截面计算截面分别计算荷载效应标准组合值下和荷载效应准永用换算截面计算截面分别计算荷载效应标准组合值下和荷载效应准永久组合值下的形心轴位置、惯性矩及短期刚度久组合值下的形心轴位置、惯性矩及短期刚度BsBs、刚度、刚度B B 。最后，利用材。最后，利用材料力学公式计算相应的挠度。料力学公式计算相应的挠度。67 2.2.折减刚度法折减刚度法 考考虑虑滑滑移移效效应应对对组组合合梁梁刚刚度度的的影影响响，对对换换算算截截面面刚刚度度的的进进行行折折减减。试试验验结结果果证证实实，在在采采用用栓栓钉钉等等柔柔性性抗抗剪剪连连接接件件的的组组合合梁梁中中，钢钢梁梁与与混混凝凝土土板板交交界界面面上上总总有有相相对对滑滑移移，因因而而使使组组合合梁梁产产生生附附加加曲曲率率。附附加加曲曲率率则则使使梁梁的的变变形形增增大大，与与试试验验研研究究结结果果的的比比较较表表明明，按按换换算算截截面面法法计计算算的的组组合合梁梁挠挠度度值值比比试试验验实实测测值值小小20%20%左左右右，偏偏于于不不可可靠靠，则则按按折折减减刚刚度度法法计计算算符符合合较好。较好。组合梁截面应变分布及附加曲率组合梁截面应变分布及附加曲率折减刚度法是在理论分析和试验的基础上提出来的，刚度折减系数折减刚度法是在理论分析和试验的基础上提出来的，刚度折减系数值与值与钢梁和混凝土板截面的组成比例、抗剪连接件的间距和抗剪承载力等因素钢梁和混凝土板截面的组成比例、抗剪连接件的间距和抗剪承载力等因素有关。有关。 68九九连续组合梁连续组合梁在连续组合梁中，中间支座附近截面承受负弯矩，因而设计中要注意在连续组合梁中，中间支座附近截面承受负弯矩，因而设计中要注意以下问题：以下问题：（1）中间支座附近截面混凝土翼缘板受拉开裂，抗弯仍以钢梁为主。）中间支座附近截面混凝土翼缘板受拉开裂，抗弯仍以钢梁为主。（2）中中间间支支座座处处钢钢梁梁主主要要处处于于受受压压区区，其其受受压压翼翼缘缘和和腹腹板板可可能能发发生生局局部部失失稳稳，以以致致影影响响截截面面承承载载力力的的发发挥挥和和内内力力塑塑性性重重分分布布。当当由由于于荷荷载载不不利利布布置使某跨均为负弯矩时，梁还可能发生整体失稳。置使某跨均为负弯矩时，梁还可能发生整体失稳。 （3）简简支支组组合合梁梁跨跨中中截截面面承承受受的的弯弯矩矩大大而而剪剪力力小小（或或为为零零），支支座座截截面面承承受受的的剪剪力力大大而而弯弯矩矩为为零零，故故可可分分别别按按纯纯弯弯或或纯纯剪剪条条件件设设计计截截面面。而而在在多多跨跨连连续续组组合合梁梁中中，中中间间支支座座截截面面上上承承受受的的弯弯矩矩和和剪剪力力同同时时最最大大，属属于于复复杂杂受力状态，对其承载力要产生交互影响。受力状态，对其承载力要产生交互影响。（4）在连续组合梁的负弯矩区段中，抗剪连接件的承载能力有所降低。）在连续组合梁的负弯矩区段中，抗剪连接件的承载能力有所降低。（5）连续组合梁为超静定结构，其内力分析、塑性内力重分布计算及其）连续组合梁为超静定结构，其内力分析、塑性内力重分布计算及其条件，与钢筋混凝土连续梁和钢连续梁也有所不同。条件，与钢筋混凝土连续梁和钢连续梁也有所不同。1.1.受力性能受力性能 692.2.负弯矩截面受弯承载力负弯矩截面受弯承载力 70由图由图(d)(d)截面的平衡条件，得：截面的平衡条件，得：可求得截面塑性中和轴到钢梁截面形心的距离：可求得截面塑性中和轴到钢梁截面形心的距离：71 承受负弯矩作用区，由于混凝土翼缘板的开裂，连接件的承载力有所承受负弯矩作用区，由于混凝土翼缘板的开裂，连接件的承载力有所降低。一般取降低系数降低。一般取降低系数=0.85.=0.85.3.3.抗剪连接计算抗剪连接计算 72谢谢 谢谢73联系方式王来，山东科技大学土木建筑学院电话：13789879265邮箱：wlkdtjxysina.com74