组合梁概念和相关计算

发布于：2022-10-25 13:22:25 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

一.基本概念

1.受力

组合梁体现的是混凝土和钢材的协同作用，混凝土板抗压，钢梁抗拉。通过抗剪连接件(栓钉)形成整体来受力(连接界面的剪力则由栓钉承担)，与组合楼板是一样的。假设一下，当混凝土板和钢梁不连接，仅叠在一起，那么纯弯下，其抗弯刚度仅仅是代数和相加，及混凝土板和钢梁绕自身形心轴抗弯(绕自己的曲率发生弯曲)。而通过抗剪连接件后，二者成为一个整体(绕同一曲率弯曲)，会绕着组合截面的形心轴抗弯，抗弯刚度会增大(例如完全一样的两个截面形成整体，抗弯刚度提高4倍)。

由于出发点是混凝土板抗压，钢梁抗拉，那么做成简支梁则较为经济合理，一般就次梁做组合梁。

主梁不做组合梁(按纯钢梁连续梁设计)，次梁做组合梁(按简支梁)，当主梁也做组合梁(主梁作为框架梁一般都是连续梁)时，连续梁在负弯矩区段上部混凝土受拉，下部钢梁受压，由于组合梁采用的是塑性设计方法，受压区的板件就要满足塑性设计对于板件的要求，满足S1截面宽厚比高厚比要求，因此钢梁受压会使得板件较厚，由于是同一条梁，整跨梁截面都是一样的，故整条梁的板件都很厚。因此主梁按组合梁设计经济性不高，做简支组合梁也没那个必要。

2.常用形式

3.组合梁与组合楼板的的关系

没有关系，组合梁和非组合梁、组合板和非组合板，两两之间都可以搭配。组合板是反应混凝土板和压型钢板的协同受力，组合梁是反应混凝土翼板和钢梁的协同受力，非组合梁设计按纯钢梁设计，不考虑混凝土板的协同受力作用。

4.计算方法

①弹性计算方法：

将混凝土翼板换算成钢结构，采用弹性模量进行截面换算，与钢梁形成纯钢结构进行计算。对荷载的短期效应组合，将混凝土截面除以钢材与混凝土弹性模量的比值α_e换算为钢截面，当考虑混凝土的徐变时，则除以2α_e换算为钢截面。

【考虑徐变对组合梁的影响】

②塑性计算方法：

假设钢梁和混凝土同时达到极限状态，钢梁完全进入屈服，混凝土达到极限状态，剪力完全由钢梁承担。当组合梁受弯时，当塑性中和轴位于翼板之内，钢梁将全面积受拉，此时对钢梁板件宽厚比理论上没有要求，但考虑到施工时作为支承结构的作用以及其它原因，钢梁的板件宽厚比可按弹性设计时的有关规定采用；

而当塑性中和轴位于钢梁截面之内时，钢梁将随同组合梁绕中和轴形成塑性铰，钢梁也会有一部分进入受压，故钢梁的板件宽厚比需要满足塑性要求，按【钢标】就是S1截面，当不满足时，【钢标14.1.6】有规定，满足条件仍可按塑性方法设计。

由于塑性设计不存在应力叠加问题，所以计算时不考虑施工过程中有无支承，也不考虑混凝土的徐变、收缩以及温差的影响。

塑性计算方法比较简单，与实际比较贴合。简支组合梁截面的塑性计算法能比较真实地反映组合梁的极限抗弯承载能力，误差很少超过5%。

③适用条件

承载力极限状态：采用塑性方法，【钢标14.1.1】规定了对于直接承受动力荷载的组合梁，以及钢梁中受压板件的宽厚比不符合塑性设计要求的组合梁(例如高厚比和宽厚比)，应采用弹性方法。

由于在荷载标准值作用下的截面弯矩往往小于组合梁在弹性阶段的极限弯矩，因此组合梁在正常使用极限状态下的挠度计算一律按弹性理论进行。

二.简支组合梁计算

1.施工阶段【钢标14.1.4及条文说明】

①钢梁受弯受剪承载力计算

②钢梁挠度

2.使用阶段

①组合梁受弯承载力计算【钢标14.2.1、14.2.2】

组合梁有完全抗剪和部分抗剪两种。

完全抗剪：混凝土翼板与钢梁之间抗剪连接件(栓钉)的数量足以充分发挥组合梁截面的抗剪能力，混凝土翼板和钢梁不会因纵向剪力而错动，故混凝土抗压强度能充分发挥。对于部分抗剪连接(抗剪连接件较少)，使得混凝土翼板能提供的压力有限，即部分抗剪组合梁的受弯承载力由抗剪键控制。

先按完全抗剪计算，计算出的栓钉间距比较好施工(一般200mm以上)，则直接按完全抗剪计算；当栓钉间距需要达到120mm甚至以下，排的很密不好施工，那么就需要按部分抗剪来计算，直接假定栓钉间距进行计算，部分抗剪的栓钉个数不小于完全抗剪的一半。

②组合梁受剪承载力计算【钢标10.3.2】

③抗剪栓钉的数量计算【钢标14.3】

④正常使用极限状态：挠度裂缝【钢标14.4、14.5】

⑤纵向抗剪计算：混凝土本身的抗剪【钢标14.6】

三.简支组合梁设计STS

1.基本参数

①容许挠度：【钢标附录B.1.1】，组合梁挠度可按次梁1/250，严一点也可按1/400

②连接件材料：【电弧螺柱焊用圆柱头焊钉GB/T 10433】【栓钉焊接技术规程CECS226-2007】这两本规范规定了连接件栓钉的材料，栓钉材料为ML15/ML15Al，不是什么Q235这类钢材，STS此处弄错了，但不影响计算，输入栓钉大小和材料是为了计算栓钉抗剪承载力，但一般栓钉自身不会被剪坏，破坏是栓钉和混凝土局部承压破坏，【钢标14.3】计算的栓钉承载力也都用的是混凝土的弹性模量，与栓钉本身材质无关。

③连接件型号：栓钉型号先从M13开始算，不够再加

④连接件列数：一般为2排，与梁截面和栓钉构造有关【钢标14.7】

⑤连接件长度：≥4d，栓钉的长度

⑥截面板件宽厚比等级：塑性方法计算按S1(全截面塑性)，当塑性中和轴在混凝土翼板内，即钢梁全受拉，可以控制到S3级

⑦构造要求：【钢标14.7】规定了组合梁高度、边缘伸出长度、栓钉位置、栓钉的边距、栓钉两个方向的间距；栓钉直径与钢梁翼缘的关系、栓钉长度等。

⑧截面信息：次梁钢梁高一般初选可取跨度的1/15~1/20，钢梁上翼缘较窄，主要是当上翼缘受压时要满足塑性截面要求，窄一点不至于太厚。对于混凝土板厚一般取120mm，根据次梁间距等计算翼板有效宽度，按【钢标14.1.2】，板托上宽度，指的就是梁上翼缘宽度。

2.荷载

输入楼板均布荷载及受荷宽度。并输入混凝土翼板的钢筋验算纵向抗剪承载力，按【钢标14.6.3、14.6.4】联立计算，来确定钢筋是否能满足纵向抗剪要求(梁长度方向)，对于翼板上皮的横向钢筋，还是板支座负筋时，支座负筋要满足此抗剪的要求。虽然这个横向钢筋又抗剪又抗弯，两者取大来配筋进行(也可以将这些抗剪的钢筋作为附加钢筋，也就是代数和相加)。