型钢混凝土梁设计方法及承载性能的分析研究

刘 茜

（安徽职业技术学院建筑工程学院，安徽 合肥 230011）

0 引 言

钢筋混凝土结构在我国传统建筑工程中具有广泛应用，它具有承载能力大、耐久性能强、适用各种异形结构等突出优势[1]。随着大跨度、超高层建筑的逐渐出现，对混凝土结构梁的抗弯、抗剪能力表现出更高的要求，传统的钢筋混凝土梁已不满足工程建设的实际要求[2，3]。以轧制或焊接形成的型钢结构为梁体截面内承担拉应力的型钢混凝土梁，是将混凝土受压承载力高和型钢受拉性能强的优势结合在一起，具有结构自重轻、承载能力大、施工便捷、耐久性强、抗冲击承载性能突出的优势，相较于传统钢筋混凝土结构，其在大跨度、强地震荷载作用等特殊应用场景中具有突出的技术和经济优势[4]。

型钢混凝土梁一般采用型钢对称内置方式布置于截面中心，外部混凝土配置构造钢筋，能够充分利用型钢受拉性能与混凝土的受拉性能。根据型钢混凝土梁内部型钢的配置方式，一般可分为实腹式和格构式两种类型，如图1所示。其中，实腹式型钢混凝土梁截面中的型钢结构体为轧制或焊接成形的整体结构，具有相对独立的抗弯、抗剪承载能力；而格构式一般为角钢或槽钢通过缀条连系形成的空间桁架结构体，本身的弯、剪承载能力相对较低，必须同混凝土结构体结合才能发挥型钢混凝土结构的最大承载性能[5]。

图1 典型的实腹式和格构式型钢混凝土梁截面示意图

型钢混凝土最早出现于日本，为了充分发挥型钢混凝土结构的抗震性能，最早在二十世纪二十年代就开始相关试验及分析研究，这也使得日本是开展型钢混凝土结构相关研究工作最深入、最完整和最充分的地区，形成了相对完整的设计、施工、检验以及后期运维技术体系。欧美虽然没有日本那样对型钢混凝土结构的深入研究，但在二十世纪后期在超高层建筑中广泛应用型钢混凝土结构作为受弯、受压及受扭构件，有效支撑了欧美地区超高层建筑的发展[6-8]。

我国最早于二十世纪五十年代开始型钢混凝土结构的引入工作，主要为发挥型钢混凝土结构的超强承载作用，节省钢筋用量，具体应用于部分特殊领域。但由于普通建筑中型钢混凝土结构的经济性并不突出，也导致型钢混凝土结构在很长一个时期内没有得到充分重视。随着我国社会经济的全面发展，型钢混凝土结构在我国超高层建筑的建设中也得到了充分应用，在国外既有研究成果的基础上，形成了相关设计规范，为我国建筑行业推广使用型钢混凝土结构技术提供参考[9，10]。

但是，现阶段关于两种建筑材料结构承载的协同工作效应研究还不充分，型钢混凝土梁的承载机理和结构设计方面仍需要进一步开展研究工作。因此，本文系统开展了型钢混凝土梁结构的抗弯和抗剪承载性能分析，提出对应的结构设计分析方法，并进行相同尺寸下的型钢混凝土结构和普通钢筋混凝土结构承载性能的模型试验对比，验证型钢混凝土结构承载能力设计分析方法的合理性，为型钢混凝土结构在实际工程中的进一步应用推广提供必要的技术支撑。

1 型钢混凝土梁正截面设计方法

1.1 基本假定

型钢混凝土梁正截面设计中应严格满足以下几项假定条件[11，12]：

1.型钢混凝土梁截面在整个承载过程中满足平截面假定，型钢表面同混凝土粘结牢固，不考虑两者之间的滑移。

2.型钢混凝土梁中的混凝土构件主要承担压力荷载，不考虑截面受拉区的抗拉强度；混凝土压应力的分配参照钢筋混凝土结构通用程序，通过等效分布假定方式进行简化处理。

3.型钢混凝土梁结构承载能力极限状态设计中，假定型钢应力进入塑性分布状态，型钢受压区应力及受拉区应力均可简化为矩形分布形式。

4.型钢混凝土梁中的型钢应力与应变满足线弹性关系，型钢最大应力不得超出型钢梁的强度标号对应的型钢强度最高值。

1.2 型钢混凝土梁正截面设计

根据型钢混凝土梁正截面设计基本原理，截面内型钢上下翼缘分别作为受拉区和受压区钢筋的一部分，参与截面混凝土承载，中心腹板提供一定的抗弯和抗剪承载能力[13，14]。根据上部荷载作用下的型钢混凝土梁正截面承载力分析方法，参照1.1节相应假定，并依据图2 中的型钢混凝土正截面承载力示意图，利用水平方向上的截面应力平衡条件以及内外弯矩平衡条件，可以得到承载能力极限状态下的型钢混凝土梁正截面受弯承载力表达式（1）-（2）。

图2 型钢混凝土正截面承载截面受力示意图

特别地，当δ1h0＜1.25x，δ2h0＜1.25x时，

另外，型钢混凝土受压力高度不应超过界限受压区高度，并应满足式(5)-(7)。

上述各式中，M为外部荷载作用下的型钢混凝土梁截面弯矩设计值；Maw为型钢腹板分担的轴向力对纵向受拉筋形心点的力矩，对于纯弯构件取值为0；Naw为相同混凝土梁截面内部的腹板承担的轴向力设计值，对于纯弯构件，取值为0；fcd为型钢混凝土梁中混凝土轴心抗拉强度设计值；fad、fad'分别为型钢混凝土梁截面内型钢的抗拉强度设计值和抗压强度设计值；fyd、fyd'分别为型钢混凝土梁截面内配置钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值；Esd为型钢混凝土梁截面内配置钢筋的弹性模量。

2 型钢混凝土梁斜截面设计方法

外部荷载作用下，型钢混凝土梁斜截面承载可能出现斜压破坏、剪压破坏以及剪切粘接破坏3 种形态[15]。其中，斜压破坏主要同截面尺寸和混凝土强度相关，一般通过尺寸控制即可避免；剪压破坏是型钢混凝土梁的主要破坏形态，一般通过型钢混凝土梁截面的抗剪承载力进行设计；型钢混凝土配置的型钢具有较高的抗剪切破坏能力，型钢表面和混凝土间可能出现剪切滑移破坏，表现为剪切粘接破坏形式，一般通过混凝土中的构造箍筋或抗剪栓钉等构造形式规避[16]。型钢混凝土梁斜截面承载过程中，主要由混凝土抗剪和型钢抗剪两部分组成，而型钢抗剪主要源自于型钢腹板[17]。均布荷载作用下，型钢混凝土梁斜截面承载力验算采用式(8)，而集中荷载作用下，型钢混凝土梁斜截面承载力验算采用式(9)。

式中：φ1为型钢混凝土梁跨高比影响系数，l/h0≤8 时，取φ1=1，l/h0＞8 时，取φ1=1-(l/h0-8)/15，当φ1＜0.6时，取φ1=0.6。

式中，λ为型钢混凝土梁截面计算剪跨比，λ=a/h；剪跨比计算中分子a取计算截面位置（集中力作用位置）至支撑端或边缘位置的最小距离，当λ＜1.5 时取λ=1.5，λ＞3时取λ=3。

3 型钢混凝土梁承载模型试验对比

3.1 型钢混凝土梁承载性能模型试验方案

型钢混凝土梁承载性能模型试验采用平行对照方式，试验组为型钢混凝土梁，对照组为普通的钢筋混凝土梁，均采用三分点对称加载方案。混凝土梁截面尺寸为宽×高=200mm×300mm，试验组和对照组受力筋均采用直径12mm RRB400钢筋，上、下各布置两根，箍筋采用直径6mm RRB335 钢筋，箍筋间距150mm。型钢混凝土梁截面配置的型钢采用10号工字钢，居截面正中布置。对照组和试验组混凝土均采用C40 混凝土，根据混凝土的相关设计强度，对钢筋进行浇注和维护，养护龄期均不小于28天。

型钢混凝土梁加载试验过程中，采用对称轴加载方式[18，19]，加载点间距1000mm，混凝土梁中心区域为纯弯段；混凝土梁两侧支撑点铰接，支撑点跨度2600mm。模型梁加载过程中，采用逐级加载方式，按照钢筋混凝土对照组极限承载的5%荷载等级逐级加载，记录每一级荷载下的跨中挠度、变形、荷载以及跨中裂缝等情况。

根据两组模型试验的整个过程和试验结果，两组混凝土梁试验方案均成功获得试验成果。其中，对照组普通钢筋混凝土梁表现为适筋梁的弯剪破坏，破坏时的梁体跨中挠度变形较大，形成贯穿的弯剪裂缝；相较之下，型钢混凝土梁也表现出明显的适筋梁弯剪破坏特征，但混凝土梁的弯剪破坏挠度远小于对照组，说明型钢混凝土梁的弯剪承载能力具有较大的提升，截面抗弯刚度更大。

3.2 型钢混凝土梁承载模型试验结果对比分析

根据前述两组混凝土试件梁的模型试验开展情况，得到两组混凝土试件承载能力试验结果列于表1。

表1 型钢混凝土梁模型试验结果

根据表1，两组试验均得到了混凝土梁试件的极限荷载、开裂荷载以及极限挠度变形。其中，型钢混凝土梁实验组的开裂荷载和极限荷载均较对照组提升50%左右，说明型钢混凝土梁较相同钢筋条件下的混凝土梁具有更高的承载能力，以及更小的变形。

另外，根据对照组和实验组设计荷载同极限荷载的对比分析，二者的计算值相近，最大偏差不大于5%，说明应用上述型钢混凝土梁正截面和斜截面承载力计算公式是合理的，能够满足一般情形下的型钢混凝土梁抗弯、抗剪设计。

4 结 论

针对型钢混凝土梁的工程设计方法和结构承载性能的对比分析验证问题，重点研究了型钢混凝土梁的结构特征、破坏模式以及正截面、斜截面承载力极限的设计方法，提出了工程适用的型钢混凝土梁极限状态设计模型，并结合模型试验开展两组钢筋混凝土梁构件极限承载能力的对比分析，完成了型钢构件为混凝土结构整体承载能力的分析验证。主要研究成果及结论如下：

1.相同截面尺寸以及配筋条件下，型钢混凝土梁具有更高的抗弯、抗剪承载能力，其对结构截面承载能力通常能够增加50%以上；

2.提出的型钢混凝土梁抗弯和抗剪承载能力计算方法具有较好的适用性，能够满足常规条件下的型钢混凝土梁工程设计实际需求；

3.型钢混凝土梁结构承载能力突出，在合适的配筋条件下表现为适筋梁破坏特征，能够应用于大跨、强震等特殊工况的结构设计，在工程上有着广泛的应用价值。