型钢混凝土梁在特种结构中的应用初探

周康喆 张首飞

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450000)

0 引言

型钢混凝土以其优越的性能，在工程中得到了越来越多的应用，随着研究的深入和实践的积累，技术也日臻成熟，因而将其应用在一些特种工程中的时机也已经成熟。本文两位笔者分别从事铁路工程和核工程的工作，这些工程有其特殊的工程要求。

近年，铁路建设发展速度快，建成了很多大型的交通枢纽，如北京南站、上海虹桥站、天津西站等。这些站房中出现很多大跨度的梁，因为其承受荷载大，如果是站台层，还会受到动力激励，若在车站里，也会受到人群激励，故对其承载能力以及裂缝要求高，并且因为外观以及投资要求，必须控制梁高。

核工程建设中，由于涉核的建筑物或构筑物一旦破坏，后果极其严重，甚至是灾难性的后果(如日本福岛地震导致的核电站爆炸及泄露)，因此核工程在结构上对其坚固性和抗震性的要求很高。而且，为防止事故导致的核泄漏扩散至大气中以及贵重设备的破坏，核工程对建筑物的裂缝和变形也有一定的要求。考虑到厂房通风压力较大，使用方希望降低厂房高度以减少排气量，减少运营成本，而这样就需要控制梁高。有时，厂房内接触某些特殊物质，抗腐蚀性和耐火性等要求也高于普通工业或民用建筑，有的甚至无法采用抗腐蚀和耐火性能较差的钢结构。这些都是普通工业和民用建筑所不具备的特征。

鉴于此，笔者认为，在这些特种结构中，采用型钢混凝土能够更好地发挥型钢混凝土的优越性。本文希望通过型钢混凝土梁和普通混凝土梁的性能对比，促进型钢混凝土在特种结构中的应用。

1 试验研究

笔者在2010年夏曾进行了型钢混凝土梁的试验[1]。试件梁截面为4400mm×300mm×575mm(长×宽×高)，其中型钢截面尺寸:H500mm×200mm×7mm×12mm，受拉纵筋和受压纵筋均为612mm，箍筋采用四肢箍，内箍6@50mm，外箍6@50/100mm。试件的混凝土强度等级为C35，型钢选用Q345级指HRB335级钢筋。

通过试验，发现JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程对极限承载力的计算结果与试验结果相对而言吻合较好。

应用《型钢混凝土组合结构技术规程》计算得到，型钢和纵向钢筋达到屈服强度时，承载力为763kN·m。根据试验结果，弯矩达到700kN·m(即荷载1000kN)之后，钢材陆续屈服。加载最终达到1050kN·m(即荷载1500kN)。

试验中得出，弯矩达到约700kN·m时，挠度约为1/440，最大裂缝宽度约为0.25mm(有栓钉)和0.5mm ～0.8mm(无栓钉)。弯矩达到约1050kN·m时，挠度约为1/220，最大裂缝宽度约为0.5mm(有栓钉)和1.2mm ～2.0mm(无栓钉)。卸载后，挠度恢复到约1/440，裂缝也较好的闭合，裂缝宽度扩展较慢。

试验结果见图1，表1。

表1 梁模型的最大裂缝宽度

2 试验模型计算分析和对比

2.1 有限元计算结构

对于四种材料，选择不同的单元类型进行模拟[2-9]。

1)混凝土:采用了Solid65单元，可模拟混凝土的开裂和压碎。

2)钢筋:采用了单轴杆Link8单元，只承受拉压轴力，不承受弯矩和剪力。

3)型钢:采用了Shell43单元，适合模拟线性、弯曲及适当厚度壳体。

4)栓钉:采用了Beam188单元，该单元考虑了剪切作用。

本构关系:混凝土部分采用了多线性等向强化的C35混凝土本构关系。钢材(包括钢筋，型钢和栓钉)选用普通的钢材本构进行计算。分别建立了有栓钉梁和无栓钉梁的型钢混凝土梁模型，有限元分析结果见图2～图5。

有限元分析表明:1)在相近的荷载下，配置栓钉的梁与未配置栓钉的梁相比，裂缝间距更小。2)在梁底，受拉纵筋处的裂缝间距明显较小，可见型钢的翼缘部分有限制裂缝发展的作用。3)纯弯段处，竖向裂缝出现早;支座处，八字形斜裂缝出现晚;故正常使用极限状态，主要由弯矩导致的竖向裂缝控制。

2.2 按规范计算结果

按照现行GB50010-2010混凝土结构设计规范，计算300mm×575mm和300mm×800mm截面的钢筋混凝土梁在763kN·m的弯矩下所需配筋面积。

1)300mm×575mm。

2)300mm×800mm。

裂缝宽度:Wmax=0.297mm＜Wlim=0.300mm，满足(配筋由裂缝控制)。

2.3 经济性计算结果

试验中型钢混凝土梁的纵向钢筋和型钢总面积为9 488mm2，占整个截面面积5.5%，由于是上下对称配筋，下部纵向钢筋和型钢面积为4744mm2，占整个截面的2.75%。承载力与计算结果基本吻合，弯矩达到770kN·m左右时，钢材陆续屈服。

根据计算，钢筋混凝土梁截面和弯矩荷载与试验相同时，纵向钢筋总面积为8 397mm2，下部钢筋达到6 434mm2，已经超筋，破坏为脆性破坏，延性较差。总钢筋截面虽然略低于型钢混凝土梁，为其纵向钢筋和型钢面积的88.5%，但是下部钢筋达到型钢混凝土梁的1.36倍。

当钢筋混凝土梁弯矩荷载与试验相同，截面改为300×800时，总钢筋面积为4626mm2，下部钢筋3 904mm2为型钢混凝土梁的82.3%。从上述数据可知，型钢混凝土梁能够有效降低梁截面尺寸，梁高降低约40%时，受拉侧钢筋仅多17.7%。而且由于工字型钢的存在，许多管道可以从梁中穿过，能够有效降低结构高度。对于通风要求高的涉核工程与经济、安全、舒适度要求较高的铁路站房工程而言，能够大幅降低运营成本且适用性强。

3 结论与建议

1)型钢混凝土梁相比钢筋混凝土梁能够有效降低梁高，相比型钢梁不需考虑失稳等因素，可以最大程度利用钢材承载力，同时抗腐蚀性和耐火性更好。

2)型钢混凝土梁上下部对称配置时，针对地震的反复荷载有很好的表现。而且型钢整体工作，即使型钢屈服，在卸载后恢复性较好，试验中卸载后大量裂缝自主闭合，残余裂缝也大幅减小。

3)加设栓钉后，型钢混凝土梁的最大裂缝宽度相对钢筋混凝土梁有一定提高。型钢上设置栓钉能够作为型钢混凝土结构裂缝控制的有效手段。

4)运用有限元分析软件对型钢混凝土构件进行建模分析，可以较为准确地模拟构件荷载作用下的裂缝出现和发展，可以有效弥补现行规程的不足。

综合以上这些优点可以得出，型钢混凝土梁在承载力，抗震性，截面高度控制，裂缝控制，抗腐蚀，耐火等各方面，相对普通的钢筋混凝土梁和型钢梁都有显著的优势，适用于核工程建设与铁路工程的站房建设。

[1]张首飞.型钢混凝土梁裂缝控制模型试验[D].天津:天津大学硕士学位论文，2010.

[2]Jiao Junting，Ye Yinghua，Diao Bo.The Bearing Capacity Analysis of Reinforced Concrete L-Shaped Cross-Sections under Biaxial Eccentric Compression[J].Progress in Natural Science，2003，13(6):429-433.

[3]王朝霞.型钢混凝土梁裂缝和变形的研究[D].西安:西安建筑科技大学硕士学位论文，2006.

[4]NEHRP，Recommended provisions for development of seismic regulations for new buildings(draft).National Earthquake Hazards Reduction Program，Building Seismic Safety Council，Part1，Provisions，1994.

[5]杨 勇.型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究[D].西安:西安建筑科技大学博士学位论文，2003.

[6]Charles W R，Robert C.Shear connector requirements for embedded steelsections[J].J of Structural Engineering，Proceedings of ASCE，1999，125(2):142-151.

[7]Weng CC，Yen S I，Jiangm H.Experimental study onshear splitting failure of fullscale composite concrete encasedsteel beams[J].J of Structural Engneering，2002，128(9):1186-1194.

[8]范 进.型钢混凝土受弯构件粘结滑移性能试验研究[J].建筑科学，2007，23(1):22-26，43.

[9]赵国栋.型钢混凝土受弯梁力学性能分析[J].工程抗震与加固改造，2006，28(5):55-59，71.