工字钢-混凝土组合梁研究综述

　　工字钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。它是由外露的工字形钢与钢筋混凝土板通过剪力键连接形成的一种组合结构。这种组合结构充分利用了钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点。近几十年来，工字钢-混凝土组合结构发展很快，应用实践表明，这种组合结构能够满足现代结构对功能的要求，具有显着的技术经济效益和社会效益，已成为结构体系的重要发展方向之一。作为组合结构体系中重要横向承重构件的工字钢-混凝土组合梁在桥梁结构及建筑结构等领域具有广阔的应用前景。

　　1 工字钢－混凝土组合梁研究概况

　　1.1 工字钢－混凝土组合梁抗剪连接件研究

　　抗剪连接件是保证工字钢与钢筋混凝土翼板协同工作的关键原件。目前，栓钉是最常用的抗剪连接件。栓钉抗剪承载力主要通过试验确定，常用的试验方法有推出试验和梁式试验两种，推出试验方法简便，为此被广泛应用且被作为制订规范的依据。目前国内外对抗剪连接件的研究主要包括静力和动力两方面。

　　1.1.1 静力试验研究

　　瑞士在20世纪30年代最早进行了钢-混凝土组合梁中机械连接件的相关研究[1]。在随后的几十年里，各国以推出试验方法对栓钉连接件的受力性能进行了深入、系统的研究，得出了栓钉连接件受剪承载力的设计公式[1-2]。1988年，我国GBJ 17-1988《钢结构设计规范》[3]首次引入了钢-混凝土组合梁设计的内容，其中给出了相应的栓钉连接件受剪承载力的设计公式。之后，聂建国等[4]对栓钉抗剪连接件的实际承载力进行了研究，试验表明栓钉抗剪连接件的实际承载力比推出试验结果要高，为此提出了放宽对栓钉连接件承载力公式限制条件的建议。2003年新修订的GB 50017-2003《钢结构设计规范》[5]采用了此项建议，对栓钉承载力计算公式的上限值进行了较大幅度的修正。自1996年以来，胡少伟等[6]对复合弯扭下工字钢-混凝土组合梁栓钉连接件进行了研究，提出了复合受扭作用下组合梁的抗剪连接件简化设计计算方法和分析计算公式，并推出了抗扭组合梁的抗剪连接件的设计程序。

　　1.1.2 动力试验研究

　　在桥梁结构承受动力荷载的情况下，工字钢-混凝土组合梁的疲劳破坏在很多情况下是由栓钉的剪切破坏造成的，为此各国学者对抗剪连接件的疲劳强度及疲劳寿命开展了大量研究。自1966年以来，对栓钉抗剪连接件疲劳性能的研究主要集中在以下几个方面[1]：

　　1)采用推出疲劳试验对栓钉的疲劳性能进行研究，并建立了基于可靠性分析基础上的重复荷载作用下的栓钉疲劳承载力计算公式。

　　2)通过对单向循环和反向循环加载的大量推出试验结果的研究，得到了每次疲劳循环加载引起的残余滑移变形量。

　　3)通过总结大量的静力和疲劳试验数据，采用回归分析的方法对栓钉疲劳强度进行研究，并得出了相应的计算公式。

　　4)通过对推出试件在不同荷载幅下的疲劳试验，对栓钉疲劳寿命的主要影响因素、疲劳破坏的形态以及栓钉的疲劳寿命与剪力幅的关系进行研究，认为剪应力幅是影响栓钉疲劳寿命的主要因素；疲劳破坏形态主要有3种情况，即焊缝处母材被栓钉撕裂、栓钉焊缝半边拉脱母材和钉杆靠近焊缝处断开；并得出了栓钉疲劳寿命与剪力幅的关系式。

　　1.2 工字钢-混凝土简支组合梁基本性能研究

　　工字钢-混凝土简支组合梁自20世纪20年代出现以来已有80余年的历史，在这期间，各国学者对其基本性能展开了大量深入、系统的研究，研究内容主要集中在2大方面：一是静力性能方面的研究；二是动力性能方面的研究。

　　1.2.1 静力性能研究

　　1）抗弯承载力及变形研究

　　最初，工字钢-混凝土简支组合梁抗弯承载力的计算采用弹性理论的换算截面法。换算截面法假定钢与混凝土2种材料均为理想弹性体，两者连接可靠，完全共同变形，通过弹性模量比将2种材料换算成 1种材料进行计算。该方法使用简便，一直作为弹性分析和设计的基本方法而被各种设计规范所采用[1,3,5]。但是，梁在实际受力过程中，材料并非为理想弹性体；栓钉连接件本身会变形，2种材料并非完全共同变形，为此各国学者又进一步展开了滑移效应对工字钢-混凝土组合梁抗弯承载力及变形影响的研究[7-8]。我国GB 50017-2003《钢结构设计规范》[5]对工字钢-混凝土简支组合梁抗弯承载力的计算采用了弹性分析法和塑性分析法，2种分析方法均没有考虑滑移效应。1995年，聂建国等[8]对工字钢-混凝土简支组合梁交界面相对滑移引起的附加变形进行了研究，提出了用折减刚度法建立考虑滑移效应的组合梁简化挠度计算公式，该方法已被列入我国GB 50017-2003《钢结构设计规范》中。1997年，聂建国等[7]又通过对组合梁抗弯承载力影响因素的研究，建立了考虑滑移效应的工字钢-混凝土组合梁弹性和极限抗弯承载力计算公式。此外，各国还对工字钢-混凝土简支组合梁的长期性能进行了研究，建立了考虑混凝土收缩、徐变的组合梁长期刚度计算公式[9-10]。

　　除了滑移效应会影响工字钢-混凝土组合梁的抗弯强度外，抗剪连接程度和横向配筋率也会影响组合梁的抗弯性能。为此，国内外研究人员对部分抗剪连接工字钢-混凝土组合梁的抗弯性能进行了研究，提出了部分抗剪连接组合梁的简化计算公式[1,11-12]。另外，聂建国等[1]通过试验研究了横向配筋率对工字钢-混凝土简支组合梁破坏形态的影响以及对塑性极限抗弯强度的影响。

　　各国学者还对工字钢-混凝土简支组合梁混凝土翼板的有效宽度进行了研究[1,13-15]，提出了在对称加载试验情况下考虑截面几何参数及材料特性的有效宽度计算方法，并借助软件对该组合梁的混凝土翼板的有效宽度进行了弹性分析和弹塑性分析。

　　2）混凝土翼板纵向开裂研究

　　工字钢-混凝土组合梁的混凝土翼板由于受到栓钉抗剪连接件的作用，有时会发生沿栓钉纵轴线纵向开裂的现象。1997年，聂建国等[16]通过试验研究，分析了组合梁纵向开裂的主要影响因素，建立了组合梁纵向抗剪的计算模型和计算公式，对组合梁的纵向抗剪计算和横向配筋设计具有实用参考价值。我国现行的GB 50017-2003《钢结构设计规范》[5]还没有列入关于控制混凝土翼板纵向开裂而配置横向钢筋的内容，欧洲有关规范已列入了此项内容[1]。

　　3）竖向抗剪性能研究

　　由于工字钢-混凝土组合梁的钢梁部分比相应纯钢梁的腹板高度小，在某些情况下，竖向剪力有可能在设计中起控制作用，出现仅仅依靠钢梁腹板不能满足要求的情况。目前各国有关规范都规定[1]，按塑性理论设计时，组合截面的竖向抗剪计算均不计混凝土翼板部分的贡献，仅考虑钢梁腹板的抗剪作用。但是，通过试验研究表明[17]，混凝土翼板对抗剪承载力也有贡献，其贡献程度受混凝土翼板与钢梁上翼缘间的相对滑移、混凝土开裂、抗剪连接件的布置等因素的影响，目前尚没有一个简单的计算方法。

　　4）复合受扭性能研究

　　桥梁结构及建筑结构在很多情况下处于弯、剪、扭复合受力状态，且在动力荷载或地震荷载作用下，结构的破坏大都是弯、剪、扭的不同组合引起的。为此，自1996年开始，胡少伟等[6,18-20]对工字钢-混凝土简支组合梁的复合受力性能进行了研究，推导了纯扭和弯扭作用下工字钢-混凝土组合梁的开裂扭矩和极限扭矩计算公式；利用变角桁架模型理论和平衡、变形协调和混凝土软化本构关系，推出了进行工字钢-混凝土组合梁受扭极限状态分析的一系列方程和提出了相应的简化算法；编制了工字钢-混凝土组合梁受扭极限状态分析程序，并把计算结果和试验结果作对比；提出了连接件复合受力下的级数分析法，可以方便求解工字钢-混凝土组合梁在复合受力下的挠度、滑移和纵向翘曲等；把受复合弯扭的直梁等效为复合弯扭的圆弧曲梁，建立了复合弯扭下由扭矩引起连接件的剪力和轴力计算公式，并提出复合受扭下连接件的设计方法，对曲梁组合梁连接件的受力机理进行研究；对受扭工字钢-混凝土组合梁进行了全过程分析，利用平衡、变形和协调条件，推出了适用于工字钢-混凝土组合梁受扭全过程分析的一系列方程，并提出了全过程分析的简化算法，编制了受扭全过程分析程序；对抗扭刚度进行了研究，分别建立了工字钢-混凝土组合梁在开裂前阶段、从开裂到极限阶段、极限破坏阶段各自的抗扭刚度计算公式。

　　1.2.2 动力性能研究

　　1）疲劳性能研究

　　重复荷载作用对工字钢-混凝土组合梁的受力性能有很大影响，使钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移增加，引起组合梁截面刚度下降、挠度增大、极限承载力降低等。为此，近年来各国对工字钢-混凝土组合梁的疲劳性能展开了研究[1,21-23]，指出了组合梁的疲劳强度及疲劳寿命取决于混凝土、钢材、抗剪连接件等的疲劳强度及其构造措施的疲劳性能，同时也受到疲劳荷载上、下限以及荷载幅等因素的影响，并在试验的基础上，得到了剪应力幅与循环次数之间的关系。我国在借鉴已有研究成果的基础上，对部分抗剪连接的工字钢-混凝土组合梁进行了疲劳试验，分析了荷载及加载次数对组合梁截面应变、钢梁与混凝土翼板之间滑移效应以及组合梁挠度的影响，并且还对该组合梁正常使用阶段的疲劳刚度、疲劳挠度和组合梁的疲劳寿命进行了分析，建立了在一定适用范围内的相关计算公式。

　　2）抗震性能研究

　　国内外对工字钢-混凝土组合梁抗震性能的研究起步较晚，研究成果也相对较少。我国是在20世纪90年代开始对其抗震性能开展研究的[1]，研究内容包括组合梁的滞回特性、考虑抗剪连接程度的组合梁恢复力模型等。之后，又通过试验方法，研究了组合梁在往复荷载作用下的延性和耗能，提出了与试验吻合较好的骨架曲线,并且还提出了组合梁的非线性有限元数值分析方法。

　　1.3 工字钢-混凝土连续组合梁性能研究

　　工字钢-混凝土连续组合梁是在简支组合梁的基础上发展起来的一种结构形式，具有刚度大、承载力高等优点。但是，连续组合梁性能的发挥受到负弯矩区钢梁屈曲、抗剪连接件变形和混凝土开裂等因素的影响。同时，混凝土开裂及钢材屈服使连续组合梁产生明显的内力重分布。为此，国内外学者从20世纪50年代开始通过试验手段对连续组合梁开展广泛的研究工作[1]，提出了几种连续组合梁的分析方法：弯矩调幅法、塑性铰法、变刚度法和全过程分析法。近几年，我国研究人员[1,24-26]通过模型试验和理论分析，对负弯矩作用下的连续组合梁进行了研究，建立了连续组合梁在正常使用极限状态及承载力极限状态下的计算模型和分析方法，其中包括：组合梁负弯矩区刚度及承载力计算、连续组合梁滑移特性及变形计算、连续组合梁承载力计算和连续组合梁的裂缝控制与计算。

　　1.4 工字钢-混凝土预应力组合梁性能研究

　　工字钢-混凝土预应力组合梁是在普通工字钢-混凝土组合梁、预应力钢结构和预应力混凝土结构的基础上发展起来的，对它的研究借鉴、吸收了这些结构形式的研究成果。同时，预应力组合梁又具有本身的特点，使得这一结构形式表现出复杂的特性。国外对工字钢-混凝土预应力组合梁的研究是从20世纪40年代开始的[1]，主要研究成果有：

　　1)通过对预应力简支组合梁弹性阶段和弹塑性阶段的工作性能分析，提出了用增量理论计算钢梁与混凝土翼板的应变、构件挠度和预应力筋受力变化。

　　2)通过对预应力简支组合梁受力性能分析，用应变能原理计算钢构件和混凝土翼板中的应力，进而推导出由于施加外荷载而引起的预应力增加公式。

　　3)通过试验方法讨论了混凝土厚度、预应力大小和荷载类型对预应力组合梁整体性能的影响。

　　4)对多种影响因素条件下（如混凝土收缩、徐变及应力松弛等）的预应力组合梁性能展开了研究，提出了多种理论和计算模型。

　　我国对工字钢-混凝土预应力组合梁的研究是从近几年开始的，2003年聂建国等[27-29]采用试验方法，对预应力简支组合梁的承载力和刚度进行了分析，提出了考虑预应力筋内力增量和滑移效应的弹性抗弯承载力和极限抗弯承载力的简化计算公式、弹性挠度和极限挠度计算公式。同年，聂建国等[30]又分析了预应力连续组合梁的内力重分布过程，指出了影响负弯矩区内力重分布程度的影响因素，并在此基础上建立了预应力连续组合梁的负弯矩调幅系数计算公式。

　　2 结 语

　　随着工字钢-混凝土组合梁在桥梁与建筑等领域的广泛应用，各国研究人员对工字钢-混凝土组合梁进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果，但是工字钢-混凝土组合梁在设计理论及工程应用中仍然存在诸多丞待解决的问题，需要做进一步的研究，主要有以下几个方面：

　　1)工字钢-混凝土组合梁截面设计参数的优化。虽然各国对工字钢-混凝土组合梁的基本性能作了大量的理论研究，但在工程实际应用中，我国桥梁规范并没有对钢-混凝土组合梁的构造要求做具体说明。在进行钢-混凝土组合梁桥设计时，具体参数大多参考已有工程实例，并进行估算。

　　2)工字钢-混凝土组合梁在复合受力状态下的性能及设计方法。我国对工字钢-混凝土组合梁复合受力性能研究开展的较晚，自1996年以来才开展了一系列组合梁复合受扭性能的研究。工字钢-混凝土组合梁的复合受力性能受多种因素的影响，是一个复杂的研究过程，在很多方面（如不同种类连接件对受扭性能的影响、在低周、反复荷载下抗扭性能研究等）还值得进一步的研究。

　　3）工字钢-混凝土连续组合梁及预应力组合梁的性能研究。国内外对工字钢-混凝土简支组合梁做了大量的研究工作，而对连续组合梁和预应力组合梁的研究相对较少。但是，随着桥梁结构向轻型大跨方向的发展，连续组合梁和预应力组合梁将有很好的发展潜力，需要对其做更系统的研究。

　　4）工字钢-混凝土组合梁动力性能研究。从目前国内的研究成果看，动力性能方面的研究相对较少。为了对工字钢－混凝土组合梁的整体性能有更深入的认识，需要对动力性能做进一步研究，并为制定规范提供依据。

　　总之，目前对工字钢-混凝土组合梁的研究还存在一些方面的不足，需要做进一步深入研究，以使得这种新型结构在桥梁及建筑等领域发挥更大的效益。