浅谈型钢混凝土梁的设计

黄 民

（中节能建设工程设计院有限公司 四川 成都 610052）

1 型钢混凝土结构的特点

型钢混凝土结构，是构件以劲性型钢为骨架，骨架周围配置钢筋，浇注混凝土后，钢骨架与外包钢筋混凝土成为一体所形成的组合结构。

与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构具有许多显著的特点：

1） 在截面尺寸相同的条件下， 可以合理配置较多的钢材。 受力较大的柱，当采用钢筋混凝土构件时，为了满足轴压比的要求，柱截面尺寸往往设计较大，形成短柱，降低了延性。 当采用型钢混凝土构件时，型钢混凝土中的型钢可不受含钢率的限制，柱的承载力和变形能力有效地提高了。 对于高层建筑，采用型钢混凝土构件，构件截面减小，可以增加使用面积。 对于大跨度梁，当采用钢筋混凝土构件时，梁截面高度较大，难以满足建筑净高的要求，改用型钢混凝土构件就很容易满足要求。

2）由于钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，型钢混凝土构件的变形能力强，具有良好的延性与耗能性能，抗震性能好。 型钢混凝土结构特别适用于地震区。

3） 当结构的基础采用钢筋混凝土结构、 上部为钢结构时，为避免结构楼层刚度的突变，采用型钢混凝土结构作为过渡层可以使结构的传力更为合理。

与钢结构相比，型钢混凝土具有如下特点：

1）与全钢结构相比，采用型钢混凝土结构，可以节约大量钢材，降低了造价，经济性较好。

2） 混凝土有利于提高型钢的整体稳定性和钢板的局部稳定性，结构刚度大，在风荷载和地震作用下，结构的水平位移可严格控制。

3） 包裹在型钢外面的混凝土兼有构件受力和型钢保护层的功能，可以取代型钢表面的钢材防锈和防火涂料，耐久性好，节约后期维护费用。

2 型钢混凝土结构的计算方法

关于型钢混凝土结构的计算理论，目前国际上主要有三种类型：

2.1 考虑外包混凝土对钢骨刚度的提高作用，按钢结构稳定理论计算。 它适用于含钢量较大的情况。

2.2 假定构件内的钢骨与外包混凝土形成一个整体—变形一致，可套用钢筋混凝土的有关计算理论。

2.3 “强度叠加法”它不要求钢骨与外包混凝土完全实现整体工作，认为型钢混凝土构件的抗弯能力，等于其中钢骨的抗弯能力与外包钢筋混凝土抗弯能力之和。 这是一种计算简单，应用灵活，比较实用的方法，计算结果偏于保守，应用较广泛。

3 型钢混凝土构件计算的基本假定

由于型钢混凝土构件是由混凝土、 钢筋和型钢三种材料构成的组合构件，计算分析比较复杂。 型钢混凝土构件的主要特点之一是型钢于混凝土的粘结强度比钢筋于混凝土的黏结强度低很多。 特别是在反复荷载作用下，型钢与混凝土的粘结破坏明显，混凝土受压区的裂缝与钢筋混凝土构件相比，裂缝数量少但宽度较大。 在到达极限承载力之前，型钢与混凝土之间已经产生了相对滑移。 因此，钢筋混凝土构件计算中采用的钢筋与混凝土变形协调的假定不能准确反应构件的受力特点。 我国《钢骨混凝土结构设计规程》采用了强度叠加方法。

当风荷载或多遇地震作用参与荷载组合时，结构的内力和位移是处在弹性范围的。 当型钢混凝土构件的含钢率较大时，应考虑型钢对构件刚度的影响。 型钢混凝土构件的刚度为钢骨与钢筋混凝土两部分刚度之和，即

EA=EcAc+EssAss

EI=EcIc+EssIss

GA=GcAc′+GssAss′

式中：Ass、Ac——分别为钢骨部分、钢筋混凝土部分的截面面积；

Ass′、Ac′——分别为钢骨部分、 钢筋混凝土部分与受力方向平行的腹办水平截面面积；

Iss、Ic——分别为钢骨部分、钢筋混凝土部分的截面惯性矩；

Ess、Ec——分别为钢骨钢材、混凝土的弹性模量；

Gss、Gc——分别为钢骨钢材、混凝土的剪变模量。

4 型钢混凝土梁的承载力计算

型钢混凝土梁的受力性能与破坏形态受钢骨与钢筋两部分的影响。 进行型钢混凝土梁设计时，采用强度叠加公式计算构件截面的承载力。

4.1 型钢混凝土梁正截面承载力

对于型钢混凝土梁，其正截面承载力为钢骨部分与钢筋混凝土部分承载力之和，

式中：M——弯矩设计值；

式中：γs——钢骨截面塑性发展系数， 对于工字形截面，γs=1.05；

Wss——钢骨的净截面抵抗矩；

fss——钢骨的抗拉、压、弯强度设计值。钢筋混凝土部分的受弯承载力，按下式计算：

式中：As——受拉钢筋的截面面积；

fsy——受拉钢筋的抗拉强度设计值；

hb0——受拉钢筋截面重心至混凝土受压区边缘的距离；

γhb0——受拉钢筋面积形心至受压区压力合力作用点的距离。

由于实际构件中钢骨与混凝土之间存在粘结力，彼此之间的变形有相互约束作用，所以按简单叠加法得到的结果一般来说是偏于保守的。

4.2 型钢湖凝土梁斜截面承载力

型钢混凝土梁一般跨高比较大， 通常容易发生弯曲破坏。 当由于地震作用引起剪切破坏时，其破坏形态与普通钢筋混凝土梁的情况很接近。 钢骨浮板的厚度对受剪开裂的发生、最大承载力以及延性都有很大的影响，随着腹板厚度的增大，受剪承载力明显上升。

实腹式型钢混凝土梁的斜截面破坏形态主要有三种类型：斜压破坏、剪压破坏和剪切粘结破坏。 在没有箍筋或箍筋很少，且剪跨比较大的情况下，型钢混凝土梁受剪破坏时，在钢骨上下翼缘附近产生许多劈裂裂缝，使保护层混凝土产生较大范围的剥落，这种破坏形式称为剪切粘结破坏。

型钢混凝土梁与普通钢筋混凝土梁的受剪性能有很大差异，主要表现在以下几个方面：

（1）在斜裂缝出现时，荷载—挠度曲线没有明显转折，这是由于实腹式钢骨具有较大的抗剪刚度，而且腹板在梁中是连续分布的，对斜裂缝的开展起着较好的约束作用。 因此，梁的刚度不因混凝土出现斜裂缝部分退出工作而显著降低。

（2）斜裂缝出现以后，梁的承载力可以增加很多，钢骨腹板使梁的受剪承载力大大提高。

（3）虽然梁由于混凝土的破坏而达到最大承载力，但从钢骨腹板屈服到最大承载力之前有一个较长的过程，特别是剪压破坏的梁，而且最大承载力之后，承载力的衰减要比钢筋混凝土梁缓慢得多，表现出较好的延性。 这是与一般钢筋混凝土梁斜截面受剪的脆性破坏特征的最大差别。

（4）型钢混凝土梁中，由于钢骨与混凝土界面粘结强度较低，破坏时受压侧保护层混凝土剥离范围较大，有时产生剪切粘结破坏，这在设计中应予以防止。 可以通过配置必要的构造箍筋，增加钢骨外围混凝土厚度等来提高剪切粘结破坏承载力。

（5）钢骨腹板受混凝土的约束不会发生局部屈曲，腹板的强度得以充分发挥。 型钢混凝土梁的斜截面受剪承载力计算也可采用强度叠加法。

型钢混凝土梁斜截面受剪应满足以下要求：

式中：V——剪力设计值；

无地震作用组合

式中：tw——钢骨腹板的厚度；

hw——钢骨腹板的高度，当有孔洞时，应扣除孔洞的尺寸；

fssv——钢骨腹板的抗剪强度设计值。

均布荷载作用下：

集中荷载作用下：

有地震作用组合

式中： fyv——箍筋的抗拉强度设计值；

Asv——同一截面箍筋各肢面积之和；

λ——计算截面的剪跨比；

s——梁箍筋间距；

βc——混凝土强度影响系数。

型钢混凝土梁的剪力设计值应满足下列要求：无地震作用组合 V≤0.4fcbbhb0

有地震作用组合 V≤0.35fcbbhb0/γRE

梁中钢筋混凝土部分的受剪承载力应满足规定的受剪截面限制条件：

5 型钢混凝土梁的变形和裂缝宽度验算

型钢混凝土梁除了要满足承载能力要求，进行抗弯和抗剪承载力验算外，还要满足进行在正常使用条件下的变形和裂缝宽度验算。

5.1 型钢混凝土短期刚度

式中：αE——钢筋与混凝土弹性模量之比；ρ——受拉钢筋配筋率；

ftk——混凝土抗拉强度标准值。

5.2 长期荷载作用下的刚度

Mk——型钢混凝土梁截面承受的弯矩标准值；

Mlk——型钢混凝土梁在长期荷载组合下的弯矩。

5.3 变形计算

在计算型钢混凝土梁的挠度时，可假定各弯矩同号区段内梁的抗弯刚度相同， 取该区段内最大弯矩截面相应的刚度，即最大刚度原则，采用荷载短期效应组合并考虑荷载长期效应组合影响的长期刚度，按材料力学的方法计算。

5.4 裂缝宽度验算

型钢混凝土梁构件的裂缝开展机理，与钢筋混凝土构件基本相同。 计算型钢混凝土梁的裂缝宽度时，可将钢筋混凝土部分视为钢筋混凝土梁。 混凝土部分承担的弯矩为Mkrc，将钢骨受拉翼缘视为受拉钢筋，考虑其对裂缝间距的影响。

式中：c——受拉钢筋的保护层厚度，mm；de——折算钢筋的直径；ρte——按有效受拉混凝土面积计算的纵向配筋率；σsk——在短期荷载效应组合下受拉钢筋的应力。

6 小结

型钢混凝土梁的设计方法有多种， 这里只是按强度叠加法简单地介绍了型钢混凝土梁的承载力计算和变形宽度验算。 这种方法简单，灵活，计算结果偏于保守。 型钢混凝土结构具有强度高刚度大，延性好，抗震能力强，防火防腐性能好以及便于施工等特点，越来越广泛地被应用于高层、超高层建筑。

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［2］彭少民.混凝土结构：下册[M].2 版.武汉：武汉理工大学出版社，2004，4.

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