组合梁与非组合梁在相同荷载作用下用钢量研究

方鹏飞 姜宝凤 彭 伟

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

组合梁与非组合梁在相同荷载作用下用钢量研究

方鹏飞 姜宝凤 彭 伟

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

对钢—混凝土组合梁与非组合梁在相同荷载作用下的用钢量进行了比较，采用结构计算方法，分析了两种不同构件用钢量的差异，主要计算了两种不同构件的截面面积和剪切连接件的数量，以确定用钢量的大小。

组合梁，非组合梁，剪切连接件，用钢量

0 引言

近年来钢—混凝土组合结构取得了不断的发展，在建筑上的使用越来越广泛，钢—混凝土组合梁就是把钢梁与其上面的现浇钢筋混凝土板通过抗剪连接件结合成一个整体，并共同工作的一种新型的结构形式[1]，抵抗两者在接触面处相对滑移及掀起，使用这种结构提高了结构承载力。组合梁与非组合梁最大的区别就是混凝土板是否作为梁翼缘的一部分，这种结构的优点主要是钢梁受拉，混凝土板受压，充分发挥了这两种材料的特性。混凝土板作为梁的一部分，使梁的刚度增大，不仅增加楼层净空的高度，而且减轻对地基的荷载[2]。在钢—混凝土组合梁结构中翼缘板较宽，能够有效抵抗梁的侧向失稳，提高梁的稳定性，改善了钢梁受压区的受力状态，增强了抗疲劳性能[3]。在一般的非组合梁的结构中，钢梁与钢筋混凝土板各自承受荷载，并不作为一个整体一起工作，混凝土板只做楼板、屋面。

1 理论分析

钢—混凝土组合梁和非组合梁的主要差异就是是否有剪切连接件，由于抗剪连接件的使用使钢梁与混凝土板作为一个整体一起工作，钢和混凝土之间的结合，使混凝土板作为梁的翼缘和钢梁共同工作，减少了钢梁翼缘的高度，并且大大提高了整体的强度和刚度。由于混凝土板的参与工作使受压区由原来非组合结构的钢梁上翼缘移动到混凝土板上，使下部受拉区增大提高了原有的非组合结构的承载能力，因此非组合结构和组合结构在相同荷载作用下，组合结构的腹板高度较小。

如图1所示对两种结构界面的应力分析。下面我们就比较一下在相同均布荷载作用下，简支组合梁以及简支非组合梁的用钢量[4]。

2 算例分析

某简支工作平台，梁的计算跨度为6 m，梁间距为2.25 m，楼板为C20厚140 mm钢筋混凝土板，板上、下各抹20 m厚水泥砂浆找平层，活荷载取13 kN/m2，组合梁应用了塑性理论;非组合梁考虑了钢梁截面部分塑性变形，并按完全剪力连接设计抗剪连接，带满堂临时支撑施工，自重和使用活荷载全部由梁承担，试分析在满足梁的受弯承载力和变形的前提下，在相同荷载作用时，对比组合梁与非组合梁的用钢量。

2.1 钢—混凝土组合梁设计

1)截面特征计算。

按钢筋混凝土板全部受压，确定组合梁截面中和轴至板顶的距离x：

Ac=bex=1 980×113=223 740mm2。

组合梁截面见图2。

考虑混凝土徐变的截面特征计算。

换算成钢梁截面的组合梁：

2)使用阶段组合梁的验算。

强度验算：

g1+q1=(10.83+1.2×1.8)+1.4×29.25=53.94kN/m。

behc1fc=1 980×140×11=3 049.2kN,即Af

抗弯刚度为fcybex=11×381×1 980×47.5=394.16kN·m>M,满足要求。

抗剪强度为fvtwhw=215×10×0.9×250=281.25kN>V=161.82kN，满足要求。

挠度验算：

3)连接件计算。

当采用d=22mm，hd=80mm圆柱头焊钉连接件时：

2.2 非组合梁计算

1)截面特征。

梁选用Ⅰ40a,Wnx=1 090cm3,I=21 720cm4,I/s=34.1,tw=1.05cm,A=89.1cm2。

荷载作用值：

钢筋混凝土板：0.14×2.25×25=7.88kN/m，上、下砂浆层：0.04×2.25×20=1.80kN/m。

钢梁本身自重0.676kN/m，恒载作用标准值：

gk1=7.88+1.80+0.68=10.36kN/m。

恒载作用设计值:

g1=1.2×10.36=12.43kN/m。

活载作用标准值:

gk1=13×2.25=29.25kN/m,

活载作用设计值:

q1=1.4×29.25=40.95kN/m。

弯矩、剪力设计值：

强度计算:

σ=Mx/γxWnx=240 210×103/1.05×1 090×103=209.88N/mm2<215N/mm2，满足要求。

τ=VS/Itw=160 140÷(341×10.5)=44.73N/mm2

2)挠度计算。

3 用钢量对比

计算多组数据，比较在相同荷载作用下钢—混凝土组合梁与非组合梁的用钢量(见表1，图3)，然后进行分析。

表1 组合梁与非组合梁用钢量的对比

基于多组数据分析图3，对相同荷载下两种不同结构截面面积进行比较，可见两种不同结构形式的用钢量的差异。组合梁结构中由于混凝土板参与工作，截面中混凝土板主要受压，钢梁受拉，提高了承载能力，对102组数据进行分析，绘制图4折线图更直观的反映出组合梁比非组合梁节约钢材约15%～30%。

4 结语

本文通过一个算例对两种相似的结构形式进行比较，理论分析进一步讨论了在相同荷载作用下这两种结构的用钢量的大小，计算表明钢—混凝土组合梁结构比非组合梁结构在相同荷载作用下节约钢材约15%～30%。明显的降低了结构的造价，又增大使用空间，并且使用效果良好[5]。

[1] 杨 超，李青宁，丰维方，等.钢—混凝土组合梁的等效截面[J].四川建筑科学研究，2012,38(1)：37-38.

[2] 施佳佳，胡夏闽.钢—混凝土组合梁稳定性能研究综述[J].江苏建筑，2013(4):26-27.

[3] 聂建国，崔玉萍.钢—混凝土组合梁在单调荷载下的变形及延性[J].建筑结构学报，1998，19(2)：30.

[4] 严正庭.钢—混凝土组合梁与非组合梁的设计对比[J].工业建筑，1991(3)：31-35.

[5] 夏再海.钢—混凝土组合结构的特点和应用[J].福建建材，2007(1):70.

Research on steel quantity of composite beam and non-composite beam under the same load

Fang Pengfei Jiang Baofeng Peng Wei

(CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper compared the steel quantity of steel-concrete composite beam and non-composite beam under the same load, using the structure calculation method, analyzed the steel quantity differences of two different components, mainly calculated the cross section area and shear connectors numbers of two different components, so as to determine the size of steel quantity.

composite beam, non-composite beam, shear connector, steel quantity

2015-06-10

方鹏飞(1991- )，男，在读硕士； 姜宝凤(1991- )，女，在读硕士； 彭 伟(1988- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)23-0021-03

TU375.1

A