[科普中国]-钢混凝土合成梁

发展

钢混凝土合成梁，是指利用钢材和混凝土材料的物理和力学性能特点，取长补短，组合两种材料形成的桥梁结构。一般认为，组合结构最早产生于20世纪初期，当时主要出于提高钢梁抗火的需要，在其外侧包裹混凝土形成型钢混凝土梁。20世纪50年代前后，欧美及日本的研究者分别提出了不同形式的钢混凝土组合结构，并开始发展研究组合结构桥梁，随之陆续制定了一些组合结构的设计指南或规范，如1959年，日本制定了关于公路桥的组合梁设计施工规范。

20世纪60年代，由于第二次世界大战后大量的桥梁重建，对建筑原材料的巨大需求导致钢材短缺，又由于组合结构桥梁可以充分发挥两种材料各自的优势从而大幅节约钢材、施工方便快捷及结构整体性能良好等优点，而广泛应用于中小跨径桥梁中。随后的几十年内，随着组合结构基础理论研究及试验的深入开展，一些新的设计思想方法及施工工艺也逐步出现和发展，组合结构桥梁基本设计理论及方法逐步发展完善，欧美及日本的主要国家均制定了较为完善的组合结构桥梁设计施工相关规范，为推动组合结构桥梁的进一步发展和应用，奠定了良好的理论基础。

目前，组合结构桥梁在欧美及日本等发达国家的桥梁工程领域应用较为广泛。在组合梁桥方面，德国于20世纪80年代前后，分别建造了大跨度的维拉（Werra）河谷公路及铁路桥、Neuotting桥等，其跨度均在100m及以上。在组合梁斜拉桥方面，最具开创性意义的方案为德国著名桥梁专家莱昂哈特于1982年为美国日照桥（Sunshine Skyway）提出的主跨366m组合梁斜拉桥方案，在该桥方案中莱昂哈特教授首次提出采用密索体系以降低主梁高度、采用开口断面、预制混凝土桥面板等设计思想，为现代组合梁斜拉桥设计奠定了基础；该方案虽然最终未能在美国日照桥中获得实施，但设计思想被之后的英国新港桥（主跨152m）、加拿大安纳西斯桥（主跨465m）、中国上海南浦大桥（主跨423m）等多座大跨斜拉桥采用。

近20年来，组合结构桥梁在我国取得快速发展。由于施工速度快、施工成本低且桥面具有良好的整体性，组合梁桥于20世纪90年代开始逐步应用于城市桥梁及跨线桥梁中。在组合梁斜拉桥方面，1991年我国建成第一座钢．混凝土组合梁斜拉桥——上海南浦大桥，该桥主跨423m，采用与莱昂哈特教授美国日照桥方案相近的开口断面主梁截面形式；随后，上海杨浦大桥（主跨602m）、福建青州闽江大桥（主跨605m）、重庆观音岩长江大桥（主跨436m）等相继落成，这些大桥均采用与上海杨浦大桥相似的结构形式，其跨度已位列世界同类型桥梁之最。1

类型钢与混凝土组合梁适用于桥梁结构、楼盖结构或平台结构，其应用类型如下。

普通工字钢组合梁普通工字钢组合梁具有以下几种形式：①工字钢；②工字钢下翼缘再焊接一块钢板，用以增大抗拉强度、加大下翼缘，而形成的焊接工字钢；③将上翼缘伸入混凝土板中，而不需要抗剪连接件的工字钢。普通工字钢组合粱主要用于楼盖、平台结构中，其上部混凝土板可采用现浇混凝土板、预制混凝土板、叠合混凝土板。

1.现浇混凝土板：整体性好，布置灵活，能满足各种建筑平面形状的布置要求，但现浇混凝土板需要现场支模，湿作业工作量大，适用于楼盖结构或平台结构。

2.预制混凝土板：可减少现场混凝土的湿作业工作量，施工快，但要求预制混凝土板端在有栓钉处预留槽口，后浇筑槽口与板缝。这是保证混凝土板和钢梁共同工作的关键，其浇筑质量区接影响到混凝土板和钢梁的整体工作性能。预制混凝土板组合粱的整体性差，传递水平力的能力差，现已很少采用。

3.叠合混凝土板：构造简单，施工方便，受力性能好。预制混凝土板在施工阶段作为模板，在使用阶段则作为组合梁混凝土翼板的一部分参与受力，可用于非抗震区的楼盖。

在钢结构建筑中常采用压型钢板组合楼层。压型钢板可作为板中配筋承重，也可作为永久性模板不参与承重，适用于多高层钢结构楼盖结构。

箱形组合梁箱形组合梁主要用于公路及铁路桥梁，美国于1968年建成了跨度为80m的公路大桥

蜂窝式组合梁蜂窝式组合梁用于跨度较大、荷载较小的多层建筑，为提高型钢梁的高度，将工字钢的腹板纵向切割成锯齿形的两半，然后错开，将凸出部分对头焊接，形成了腹板有六角形开孔的蜂窝式梁。与顶部混凝土板组合成整体后，其较单一的钢蜂窝梁增加了梁的强度和刚度。

铜桁架式组合梁钢桁架式组合梁由钢筋混凝土板与普通钢桁架或轻钢桁架组成。桁架的上弦节点板或桁架上弦杆向上伸入到混凝土板中，作为桁架和混凝土板之间的连接件，形成组合结构，以减小上弦杆件的截面尺寸。

前苏联设计的钢桁架式组合梁，钢桁架采用跨度为30m和36m，与跨度为6～12m的RC板组合上弦杆节省钢材30%～40%，全桁架节省钢材15%，上弦杆上每隔0.1～1m焊接一个角钢连接件，考虑RC板的连续性可减小质量20%～30%（板）（取消了上弦杆，RC板为上弦杆）。2

基本设计规定（1）组合梁的设计应符合现行极限状态设计原则，考虑荷载作用的基本组合、短期效应组合和准永久组合，分别考虑施工阶段和使用阶段两种工况。其承载力（强度和连接）极限状态设计一般采用塑性设计方法，正常使用（挠度）极限状态设计则采用考虑组合梁滑移的弹性设计方法，还应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的规定验算负弯矩区段混凝土的最大裂缝宽度。在组合梁的承载力、挠度和裂缝计算中，可不考虑板托截面。

（3）组合梁混凝土翼板的有效宽度应按式确定：

——板托顶部的宽度，当板托倾角时，应按计算板托顶部的宽度；当无板托时，则取钢梁上翼缘的宽度；

、——梁外侧和内侧的翼板计算宽度，各取梁跨度的1/6和翼板厚度的6倍中的较小值。此外，不应超过翼板实际外伸宽度；不应超过相邻钢梁上翼缘或板托间净距的1/2。

（3）组合梁施工时，若钢梁下无临时支承，则混凝土硬结前的材料重量和施工荷载应由钢梁承受，钢梁应计算其强度、稳定性和变形。施工完成后的使用阶段，组合梁承受的续加荷载产生的变形应与施工阶段钢梁的变形相叠加。

（4）在强度（承载力）和变形满足的条件下，组合梁交界面上抗剪连接件的纵向水平抗剪能力不能保证最大正弯矩截面上抗弯承载力充分发挥时可以按照部分抗剪连接进行设计。用压型钢板做混凝土底模的组合梁，宜按照部分抗剪连接组合梁设计。部分抗剪连接只能用于跨度不超过20m的等截面组合梁。

（5）当考虑全截面塑性发展进行组合梁的强度（承载力）计算时，钢梁钢材的强度设计值厂应按相关规定采用，当组成板件的厚度不同时，可统一取用较厚板件的强度设计值。组合梁负弯矩区段所配负弯矩钢筋的强度设计值按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的有关规定采用。连续组合梁采用弹性分析方法计算内力时，考虑塑性发展的内力调幅系数不宜超过15%。

组合梁中钢梁的受压区，其板件的宽厚比应满足《钢结构设计规范》（GB 50017）的要求。3

特点与钢梁和混凝土梁相比，组合梁具有以下主要优点。

①将钢筋混凝土板与钢梁组合成整体，使钢筋混凝土板成为组合梁的一部分，相对于非组合梁，承载力和刚度均显著提高，能有效降低梁高和房屋总高，降低工程造价。

②组合梁承受正弯矩时，混凝土处于受压区，钢梁主要处于受拉区，两种材料的强度能得到充分发挥，受力合理，节约材料。

③处于受压区的钢筋混凝土板刚度较大，对避免钢梁的整体和局部失稳有明显的作用，使钢梁用于防止失稳方面的材料大大节省。

④与钢梁相比，组合梁用于吊车梁及桥梁等结构时，抗疲劳睦能及抗冲击性能有所改善。

由于考虑组合作用，钢梁上必须焊接一定数量的抗剪连接件，不仅消耗一部分钢材，也增加了许多焊接工作量。然而，进行栓焊的专用机具使焊接工作变得较为简单，因而组合梁在国内外也越来越广泛地被采用。4