型钢混凝土梁受力性能的研究分析

施 亮

(浙江同济科技职业学院 杭州 311231)

摘要：本文介绍了型钢混凝土梁受力性能的理论研究分析情况，对我国现有规范中有关型钢混凝土梁的受力性能以及计算方法的研究做了总结，并分析了型钢混凝土梁破坏形态及其影响因素，提出了型钢混凝土梁在以后的研究和发展中应当注意和考虑的问题。 关键词：型钢混凝土结构；梁；受力性能；

The Research of Steel Reinforced Concrete Beam

SHI Liang Gao Xi

(Guiyang Aluminum Magnesium Design and Research Institute, GuiYang, 550004, China)

Abstract: The research on service loading capacity of steel reinforced concrete beams are interviewed, and the research results onservice loading capacity and calculation of SRC beams are summarized. Some problems on the research and development of SRC beams used in the future are presented. Keywords: steel reinforced concrete structure; beam; service loading capacity; research

1．引言

型钢混凝土结构是指在型钢（S）外包裹钢筋混凝土（RC）的一种独立的结构形式，也

是钢与混凝土组合的一种新形式，这种结构介于钢结构和混凝土结构之间。由于在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢固有的强度和延性，以及型钢、钢筋、混凝土的三为一体地工作使得型钢混凝土结构和传统的钢筋混凝土结构相比具有承载力高、刚度大、构件截面尺寸小、施工方便、良好的延性及抗震性能良好的优点；与钢结构相比，具有防火性能好，结构局部和整体稳定性好以及钢材用量少等优点。推广和使用型钢混凝土结构，对于我国的多、高层建筑的发展，大型工业厂房设计优化和改善结构的抗震性能都有重要的意义。 型钢混凝土梁是型钢混凝土结构的基本构件，由于其具有良好的受力性能、便于施工以及优良的抗震性能，在实际工程中，特别是在高烈度地震区重型工业厂房等工业建筑以及高层、大跨度等民用建筑中的应用越来越广泛。但是型钢混凝土梁的设计理论制约了工程应用，表现在国内目前没有制定出针对型钢混凝土结构的设计规范。型钢混凝土结构计算的三种主要理论:一是基于钢结构的计算方法,并考虑外围混凝土的作用；二是基于钢筋混凝土结构的计算方法,认为型钢和混凝土是共同工作的；三是认为型钢混凝土结构的承载力是型钢部分的承载力和钢筋混凝土部分的承载力的叠加。我国型钢混凝土梁的相关计算规程有两本：一本是原冶金部颁布的《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97），该规程采用了强度叠加理论，认为型钢混凝土梁的承载力是型钢和钢筋混凝土两者承载力的叠加，计算中忽略了型钢与混凝土之间的粘结滑移效应，其理论基础是塑性力学中的下限定理，计算结果偏于保守。另一本是建设部颁布的《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001），该规程采用基于钢筋混凝土结构的计算理论,采用极限状态设计法设计。与钢筋混凝土梁的计算类似,在作了截面应变保持平面等基本假定的基础上,将型钢翼缘视为纵向钢筋的一部分,同时考虑到加载后期粘结滑移的客观存在,取混凝土的极限压应变为0.003,从而建立了型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算公式，该规程计算理论的依据充分、考虑因素全面,因此计算结果准确,但计算公式和计算过程较为复杂。本文对我国现有型钢混凝土梁的受力性能及计算理论做了总结，提出了型钢混凝土梁在以后的研究和发展中应当注意和考虑的问题。 _____________________________________________

作者简介：施亮（1978-），男，硕士研究生，浙江同济科技职业学院建筑系 助教 。

2．型钢混凝土梁的承载力现有计算理论

2.1《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97）的计算理论

该规程采用强度叠加理论，对于型钢为对称配置的SRC梁(图1a),钢骨规程将其分为S部分(钢结构部分)和RC部分(钢筋混凝土结构部分)，然后按“钢结构的计算方法”和“混凝土结构的计算方法”分别计算S部分和RC部分的受弯承载力，最后采用简单叠加方法，认为型钢混凝土梁的承载力是型钢和钢筋混凝土两者承载力的叠加，即按式(1)进行叠加。由于计算时忽略了型钢和混凝土之间的粘结作用，因此设计计算简单、工程应用方便，但设计结果偏于保守，容易造成不经济，且不适合于型钢为非对称配置的SRC梁。对于型钢受拉翼缘大于受压翼缘的非对称型钢混凝土梁(图1b)，规程在其条文说明中建议将受拉翼缘大于受压翼缘的面积作为受拉钢筋考虑后，按型钢为对称配置的SRC梁计算。对于型钢偏置在受拉区的非对称型钢混凝土梁(图1c、d)，规程在其条文说明中建议按钢与混凝土组合梁的设计方法进行计算。

MMbyMbu （1） 无地震作用组合时，Mby和Mbu分别按下列公式进行计算：

rcss MbysWssfss MbuAsfshb0 （2）

ssrcssrc其中：

ssMbyrcMbu—梁中钢骨部分的抗弯承载力； －梁中钢筋混凝土部分的抗弯承载力；

s－钢骨的塑性发展系数；

hb0－受拉钢筋面积形心到混凝土受压区压力合力点的距离；

图1. SRC梁的截面形式

该规程只是对混凝土和钢骨进行了简单强度叠加，完全忽略了混凝土与钢骨的粘结力，不考虑两者的组合作用，使得钢骨混凝土梁承载力的利用率只达到一半左右。虽然该规程的计算方法简单易行，但这种过于保守的设计方法势必造成材料的巨大浪费，从而使钢骨混凝土梁这种组合结构的优越性无从体现。

2.2《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）的计算理论及承载力计

算公式

《型钢规程》采用了基于RC结构的计算方法。与RC梁类似，在平截面假定的基础上，

认为SRC梁受弯承载力等于其受压的混凝土、钢筋、型钢翼缘和型钢腹板四部分受弯承载力之和。计算公式如下： 2.2.1 正截面承载力

faAafh0aaMawMfcbxh0x2fyAsh0asfyAsfaAafNaw0fcbxfyAsfaAaf

当1h01.25x，2h01.25x时

Naw2.512twh0fa2Maw12222122.51.25twh02fa

b0.81fafy20.003Es混凝土受压区高度x尚应符合下列公式的要求：

tf xbh0； xaa2.2.2 斜截面承载力

均布荷载 Vb0.08fcbh0fyvAsvh0s0.58fatwhw集中荷载 Vb0.20fcbh01.5fyvAsvh0s0.58fatwhw Naw—型钢腹板承hb0受的轴向合力；x—混凝土受压区高度； h0 —型钢受拉翼缘和纵向受拉合力点至混凝土受压边缘的距离： Aaf、Aaf—型钢受拉受压翼缘截面积； As、 As—受拉受压钢筋截面面积。

'

其中：Maw—型钢腹板承受的轴向合力对型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的力矩；

'该规程采用了极限状态设计法设计，在修正的平截面假定基础上来考虑混凝土与钢骨的粘结滑移作用，由于主要针对的是抗震设计，因此给出的是充满型对称配置实腹型钢的SRC梁(图1a、b)，对于非充满型实腹型钢的SRC梁(图1c、d)，规程没有给出计算方法，该规程理论依据较为充分、考虑因素全面、计算结果比较准确，但计算公式比较复杂。

2.3赵鸿铁所著《钢与混凝土组合结构》型钢混凝土梁的承载力计算公式『4』

2.3.1 正截面承载力 当中和轴不经过型钢时

1）当x0.8has1fs0.003Ess，则能保证型钢全截面屈服

0.5fcbx2 MfyAsharxfsAsshxas0.5hsfyAsxar1fs0.003Essx0.8has1fs0.003Ess，则不考虑型钢上翼缘的 2）0.8as作用

fshsAsftwhs2fyAsasarfcbxasx2 MfyAsharas当中和轴经过型钢上翼缘时

x2fyAshasarfyAsasarfsAsfhsfstwhs22 Mfcbxas当中和轴经过型钢腹板时

xasfstwxas2fyAshxarfyAsxarfcbx22 MfaAsfhxasfstwhxarfsAsf222.3.2 斜截面承载力

均布荷载 V0.07ftbh01.2fyvAsvh0s0.58fstwhw集中荷载 V0.07fcbh00.5fyvAsvh0s1.3fstwhw1.5

该书推导的型钢混凝土梁的正截面承载力计算公式是根据极限平衡状态时的受力平衡，

『』

对整个型钢混凝土梁截面的中和轴取矩得到的，考虑了型钢和混凝土的粘结作用3。在计算斜截面的承载力时，也是根据钢筋混凝土和型钢腹板抗剪承载力叠加建立的，但其参数是根据试验结果拟合的，适用性还需要进一步的验证。

3.型钢混凝土梁的破坏形态及其影响因素的分析

3.1 弯曲破坏

已有的试验和分析结论表明，对于实腹式型钢混凝土梁的受弯性能得到以下结论：①梁的破坏形态与钢筋混凝土梁类似，要经历三个阶段，其极限承载能力的丧失同样以受压区混凝土被压碎、受拉区型钢屈服为标志，型钢的屈服决定了截面最大承载力。②型钢混凝土梁有较好的后期变形能力，当承载力达到峰值后，受压区型钢上翼缘以上的混凝土已压碎，而翼缘内的混凝土，由于受到翼缘的约束，混凝土核心相对完好，使混凝土的塑性变形增大，受压区强度提高。③增大受压钢筋的面积、型钢受压翼缘的面积。提高混凝土强度等级、减小纵向受拉钢筋的面积、型钢受拉翼缘面积有利于延性的提高。④对于未设剪力连接件的梁，在荷载达到极限荷载的80％以前可以保证型钢与混凝土整体共同工作，在80％的极限荷载以后，二者间有相对滑移产生，变形不能协调。⑤对于设有剪力连接件的实腹式型钢混凝土梁从加载到构件破坏基本能保证型钢与混凝土的整体共同工作性能。

据以上结论，为推导型钢混凝土梁的的正截面承载力，提出以下假定： ⑴ 构件变形后截面平均应变符合平截面假定；

⑵ 截面受拉区的拉力全部由型钢和钢筋承担，不考虑受拉区混凝土的受力作用； ⑶ 钢材的按理想弹塑性，受压区混凝土的关系按抛物线加直线取用； ⑷ 由于混凝土对型钢的嵌固和约束作用，承载力极限阶段可不考虑型钢的屈曲； ⑸ 截面受拉钢材（型钢和钢筋）破坏特征取工字钢下部受拉翼缘重心处钢材纤维达到屈服，即达到强度设计值fya。

影响型钢混凝土梁受弯性能的主要因素

⑴ 含钢率：随着含钢率的提高，构件的抗弯刚度也逐渐提高，相同荷载下的挠度也越小，型钢混凝土梁的极限抗弯承载力将显著提高。

⑵ 配筋率：随着纵向受拉钢筋用量的增加，型钢混凝土梁的极限抗弯承载力相应有明

显的提高。

⑶ 混凝土强度等级：随着混凝土强度等级的提高，型钢混凝土梁的极限抗弯承载力有

明显提高。

⑷ 混凝土保护层厚度：保护层厚度越大，混凝土的横向作用越强，型钢与混凝土之的

粘结作用越好，梁的破坏形态越轻。 影响型钢混凝土梁延性的主要因素：

延性是反映构件变形能力和耗能的重要指标，在保持结构或材料基本承载力的情况下，极限变形Du与初始变形Dy的比值，即延性DDuDy。与钢筋混凝土构件不同，型钢混凝土构件即使承载力下降到极限时，由于型钢的存在，构件仍然有很大的残余承载力，型

钢混凝土梁较钢筋混凝土梁具有较好的延性。由于混凝土受到型钢翼缘的有力约束，大大提高了混凝土的极限抗压强度，延缓了裂缝的发展，因为型钢有很好的延性，使得型钢混凝土具有很好的延性。

型钢混凝土受弯构件极限状态下相对受压区高度与构件的延性有很大的影响，相对受压区高度越小，延性越大。根据已有的文献结论并经推导可以得出型钢混凝土梁的相对受压区高度系数的计算表达式。根据的表达式可以得出影响延性的因素及其影响规律：当基本条件一定，减小，延性提高；增大，延性降低。 3.2 剪切破坏

型钢混凝土梁的剪切破坏形式可以分为三种：剪切斜压破坏（1.5）、剪切粘结破坏、弯剪破坏（2）。

影响型钢混凝土梁的抗剪承载力性能的主要因素：

1. 剪跨比的影响：剪跨比的变化实际反映了弯、剪作用的相互关系。在集中荷载的作

用下，随着剪跨比的增加，梁的抗剪承载力有降低的趋势。

2. 加载方式的影响：在集中荷载作用下型钢混凝土梁的抗剪承载力比均布荷载作用下

的抗剪承载力有所下降。

3. 混凝土的强度等级的影响：由于混凝土的强度等级将直接影响混凝土所承担的剪力

部分，并且混凝土抗剪承载力基本与其强度等级呈线性关系，因此混凝土抗剪承载力随混凝土强度的提高而提高。

4. 含钢率的影响：在一定范围内随着含钢率的增加，被约束混凝土逐渐增多，梁的抗

剪承载力也提高。

5. 含箍率的影响：箍筋可以承担一部分剪力，还可以起到约束混凝土变形的作用，从

而使梁的强度与变形能力得到改善，同时配置足够数量的钢箍对于防止粘结破坏时有效的。

4．我国型钢混凝土梁计算理论需要解决的问题

⑴ 现有的一些计算理论采用了平截面假定，公式计算结果偏大。对于粘结滑移影响下

型钢混凝土梁的抗弯承载力的计算，目前国内的有关规程都存在需要改进的地方，当型钢与混凝土产生滑移以后，已经不再符合平截面假定。

⑵ 目前国内对粘结滑移对抗剪承载力影响研究较少，有必要做进一步的研究。

⑶ 随着高强高性能混凝土在工程中的大量采用，现有的型钢混凝土结构计算理论能否适用于高强高性能型钢混凝土结构，还需进一步的分析研究。

⑷ 目前型钢混凝土结构的主要研究以试验方法为主，考虑不同因素的影响，这些研究主要是关于构件的宏观方面的研究，而对型钢与混凝土粘结滑移等微观方面的研究较少，为了建立合理的型钢混凝土结构计算理论，必须对粘结滑移进行深入的研究，确定粘结滑移的分布规律。

⑸ 目前对于型钢混凝土构件的动力特性分析研究还缺乏研究，在反复荷载作用下，型钢与混凝土能否良好的共同工作，具体规律需要进一步的分析。

⑹ 对于型钢混凝土结构的可靠度分析、抗火性能分析、型钢混凝土构件的疲劳性能、损伤性能分析以及预应力型钢混凝土结构的研究还开展的远远不够，今后的试验研究应结合这些问题做更深的分析。

5.结语

由于型钢混凝土结构具有良好的力学性能，在我国的工业建筑以及高层以及超高层等民用建筑中的应用日益广泛，但总的来说，型钢混凝土结构在我国的应用还处于初级阶段，虽然取得了一定的科研成果，但仍有许多问题尚未研究，现有的研究成果还需要在工程应用中进一步的检验和修正。目前型钢混凝土结构在我国建筑面积还不到总建筑面积的千分之一。深信，随着科研工作的继续深入，计算理论的进一步完善，适用范围更宽广的设计规范和规程的建立，型钢混凝土结构将会得到广泛的应用，对推广我国高层建筑的发展、改善结构的抗震性能，优化结构设计将具有举足轻重的作用。

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