[科普中國]-鋼混凝土合成梁

發(fā)展

鋼混凝土合成梁，是指利用鋼材和混凝土材料的物理和力學(xué)性能特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，組合兩種材料形成的橋梁結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，組合結(jié)構(gòu)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)初期，當(dāng)時主要出于提高鋼梁抗火的需要，在其外側(cè)包裹混凝土形成型鋼混凝土梁。20世紀(jì)50年代前后，歐美及日本的研究者分別提出了不同形式的鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，并開始發(fā)展研究組合結(jié)構(gòu)橋梁，隨之陸續(xù)制定了一些組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計指南或規(guī)范，如1959年，日本制定了關(guān)于公路橋的組合梁設(shè)計施工規(guī)范。

20世紀(jì)60年代，由于第二次世界大戰(zhàn)后大量的橋梁重建，對建筑原材料的巨大需求導(dǎo)致鋼材短缺，又由于組合結(jié)構(gòu)橋梁可以充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢從而大幅節(jié)約鋼材、施工方便快捷及結(jié)構(gòu)整體性能良好等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁中。隨后的幾十年內(nèi)，隨著組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究及試驗的深入開展，一些新的設(shè)計思想方法及施工工藝也逐步出現(xiàn)和發(fā)展，組合結(jié)構(gòu)橋梁基本設(shè)計理論及方法逐步發(fā)展完善，歐美及日本的主要國家均制定了較為完善的組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計施工相關(guān)規(guī)范，為推動組合結(jié)構(gòu)橋梁的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

目前，組合結(jié)構(gòu)橋梁在歐美及日本等發(fā)達(dá)國家的橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。在組合梁橋方面，德國于20世紀(jì)80年代前后，分別建造了大跨度的維拉（Werra）河谷公路及鐵路橋、Neuotting橋等，其跨度均在100m及以上。在組合梁斜拉橋方面，最具開創(chuàng)性意義的方案為德國著名橋梁專家萊昂哈特于1982年為美國日照橋（Sunshine Skyway）提出的主跨366m組合梁斜拉橋方案，在該橋方案中萊昂哈特教授首次提出采用密索體系以降低主梁高度、采用開口斷面、預(yù)制混凝土橋面板等設(shè)計思想，為現(xiàn)代組合梁斜拉橋設(shè)計奠定了基礎(chǔ)；該方案雖然最終未能在美國日照橋中獲得實施，但設(shè)計思想被之后的英國新港橋（主跨152m）、加拿大安納西斯橋（主跨465m）、中國上海南浦大橋（主跨423m）等多座大跨斜拉橋采用。

近20年來，組合結(jié)構(gòu)橋梁在我國取得快速發(fā)展。由于施工速度快、施工成本低且橋面具有良好的整體性，組合梁橋于20世紀(jì)90年代開始逐步應(yīng)用于城市橋梁及跨線橋梁中。在組合梁斜拉橋方面，1991年我國建成第一座鋼．混凝土組合梁斜拉橋——上海南浦大橋，該橋主跨423m，采用與萊昂哈特教授美國日照橋方案相近的開口斷面主梁截面形式；隨后，上海楊浦大橋（主跨602m）、福建青州閩江大橋（主跨605m）、重慶觀音巖長江大橋（主跨436m）等相繼落成，這些大橋均采用與上海楊浦大橋相似的結(jié)構(gòu)形式，其跨度已位列世界同類型橋梁之最。1

類型鋼與混凝土組合梁適用于橋梁結(jié)構(gòu)、樓蓋結(jié)構(gòu)或平臺結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用類型如下。

普通工字鋼組合梁普通工字鋼組合梁具有以下幾種形式：①工字鋼；②工字鋼下翼緣再焊接一塊鋼板，用以增大抗拉強(qiáng)度、加大下翼緣，而形成的焊接工字鋼；③將上翼緣伸入混凝土板中，而不需要抗剪連接件的工字鋼。普通工字鋼組合粱主要用于樓蓋、平臺結(jié)構(gòu)中，其上部混凝土板可采用現(xiàn)澆混凝土板、預(yù)制混凝土板、疊合混凝土板。

1.現(xiàn)澆混凝土板：整體性好，布置靈活，能滿足各種建筑平面形狀的布置要求，但現(xiàn)澆混凝土板需要現(xiàn)場支模，濕作業(yè)工作量大，適用于樓蓋結(jié)構(gòu)或平臺結(jié)構(gòu)。

2.預(yù)制混凝土板：可減少現(xiàn)場混凝土的濕作業(yè)工作量，施工快，但要求預(yù)制混凝土板端在有栓釘處預(yù)留槽口，后澆筑槽口與板縫。這是保證混凝土板和鋼梁共同工作的關(guān)鍵，其澆筑質(zhì)量區(qū)接影響到混凝土板和鋼梁的整體工作性能。預(yù)制混凝土板組合粱的整體性差，傳遞水平力的能力差，現(xiàn)已很少采用。

3.疊合混凝土板：構(gòu)造簡單，施工方便，受力性能好。預(yù)制混凝土板在施工階段作為模板，在使用階段則作為組合梁混凝土翼板的一部分參與受力，可用于非抗震區(qū)的樓蓋。

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中常采用壓型鋼板組合樓層。壓型鋼板可作為板中配筋承重，也可作為永久性模板不參與承重，適用于多高層鋼結(jié)構(gòu)樓蓋結(jié)構(gòu)。

箱形組合梁箱形組合梁主要用于公路及鐵路橋梁，美國于1968年建成了跨度為80m的公路大橋

蜂窩式組合梁蜂窩式組合梁用于跨度較大、荷載較小的多層建筑，為提高型鋼梁的高度，將工字鋼的腹板縱向切割成鋸齒形的兩半，然后錯開，將凸出部分對頭焊接，形成了腹板有六角形開孔的蜂窩式梁。與頂部混凝土板組合成整體后，其較單一的鋼蜂窩梁增加了梁的強(qiáng)度和剛度。

銅桁架式組合梁鋼桁架式組合梁由鋼筋混凝土板與普通鋼桁架或輕鋼桁架組成。桁架的上弦節(jié)點(diǎn)板或桁架上弦桿向上伸入到混凝土板中，作為桁架和混凝土板之間的連接件，形成組合結(jié)構(gòu)，以減小上弦桿件的截面尺寸。

前蘇聯(lián)設(shè)計的鋼桁架式組合梁，鋼桁架采用跨度為30m和36m，與跨度為6～12m的RC板組合上弦桿節(jié)省鋼材30%～40%，全桁架節(jié)省鋼材15%，上弦桿上每隔0.1～1m焊接一個角鋼連接件，考慮RC板的連續(xù)性可減小質(zhì)量20%～30%（板）（取消了上弦桿，RC板為上弦桿）。2

基本設(shè)計規(guī)定（1）組合梁的設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行極限狀態(tài)設(shè)計原則，考慮荷載作用的基本組合、短期效應(yīng)組合和準(zhǔn)永久組合，分別考慮施工階段和使用階段兩種工況。其承載力（強(qiáng)度和連接）極限狀態(tài)設(shè)計一般采用塑性設(shè)計方法，正常使用（撓度）極限狀態(tài)設(shè)計則采用考慮組合梁滑移的彈性設(shè)計方法，還應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010）的規(guī)定驗算負(fù)彎矩區(qū)段混凝土的最大裂縫寬度。在組合梁的承載力、撓度和裂縫計算中，可不考慮板托截面。

（3）組合梁混凝土翼板的有效寬度應(yīng)按式確定：

——板托頂部的寬度，當(dāng)板托傾角時，應(yīng)按計算板托頂部的寬度；當(dāng)無板托時，則取鋼梁上翼緣的寬度；

、——梁外側(cè)和內(nèi)側(cè)的翼板計算寬度，各取梁跨度的1/6和翼板厚度的6倍中的較小值。此外，不應(yīng)超過翼板實際外伸寬度；不應(yīng)超過相鄰鋼梁上翼緣或板托間凈距的1/2。

（3）組合梁施工時，若鋼梁下無臨時支承，則混凝土硬結(jié)前的材料重量和施工荷載應(yīng)由鋼梁承受，鋼梁應(yīng)計算其強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形。施工完成后的使用階段，組合梁承受的續(xù)加荷載產(chǎn)生的變形應(yīng)與施工階段鋼梁的變形相疊加。

（4）在強(qiáng)度（承載力）和變形滿足的條件下，組合梁交界面上抗剪連接件的縱向水平抗剪能力不能保證最大正彎矩截面上抗彎承載力充分發(fā)揮時可以按照部分抗剪連接進(jìn)行設(shè)計。用壓型鋼板做混凝土底模的組合梁，宜按照部分抗剪連接組合梁設(shè)計。部分抗剪連接只能用于跨度不超過20m的等截面組合梁。

（5）當(dāng)考慮全截面塑性發(fā)展進(jìn)行組合梁的強(qiáng)度（承載力）計算時，鋼梁鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值廠應(yīng)按相關(guān)規(guī)定采用，當(dāng)組成板件的厚度不同時，可統(tǒng)一取用較厚板件的強(qiáng)度設(shè)計值。組合梁負(fù)彎矩區(qū)段所配負(fù)彎矩鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計值按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010）的有關(guān)規(guī)定采用。連續(xù)組合梁采用彈性分析方法計算內(nèi)力時，考慮塑性發(fā)展的內(nèi)力調(diào)幅系數(shù)不宜超過15%。

組合梁中鋼梁的受壓區(qū)，其板件的寬厚比應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017）的要求。3

特點(diǎn)與鋼梁和混凝土梁相比，組合梁具有以下主要優(yōu)點(diǎn)。

①將鋼筋混凝土板與鋼梁組合成整體，使鋼筋混凝土板成為組合梁的一部分，相對于非組合梁，承載力和剛度均顯著提高，能有效降低梁高和房屋總高，降低工程造價。

②組合梁承受正彎矩時，混凝土處于受壓區(qū)，鋼梁主要處于受拉區(qū)，兩種材料的強(qiáng)度能得到充分發(fā)揮，受力合理，節(jié)約材料。

③處于受壓區(qū)的鋼筋混凝土板剛度較大，對避免鋼梁的整體和局部失穩(wěn)有明顯的作用，使鋼梁用于防止失穩(wěn)方面的材料大大節(jié)省。

④與鋼梁相比，組合梁用于吊車梁及橋梁等結(jié)構(gòu)時，抗疲勞睦能及抗沖擊性能有所改善。

由于考慮組合作用，鋼梁上必須焊接一定數(shù)量的抗剪連接件，不僅消耗一部分鋼材，也增加了許多焊接工作量。然而，進(jìn)行栓焊的專用機(jī)具使焊接工作變得較為簡單，因而組合梁在國內(nèi)外也越來越廣泛地被采用。4