钢-混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它主要通过在
钢梁和混凝土
翼缘板之间设置
剪力连接件(栓钉、
槽钢、弯筋等),抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移,使之成为一个整体而
共同工作。
钢-
混凝土组合梁同
钢筋混凝土梁相比,可以减轻
结构自重,减小
地震作用,减小截面尺寸,增加有效使用空间,节省
支模工序和模板,缩短施工周期,增加梁的
延性等。同钢梁相比,可以减小用钢量,增大刚度,增加稳定性和
整体性,增强结构抗火性和
耐久性等。
近年来,钢-混凝土
组合梁在我国城市立交桥梁及
建筑结构中已得到了越来越广泛的应用,并且正朝着大跨方向发展。钢-混凝土组合梁在我国的应用实践表明,它兼有钢结构和混凝土结构的优点,具有显著的技术
经济效益和
社会效益,适合我国基本建设的国情,是未来
结构体系的主要发展方向之一。
钢-混凝土组合梁弹性分析采用换算
截面法。(a)表示换算前截面,(b)表示换算后截面。换算截面法的基本原理是:混凝土翼缘板按照总力不变及应变相同条件,换算成弹性模量为Es、应力为бs的与钢等价的换算
截面面积。具体计算时,为了混凝土截面
重心高度换算前后保持不变,换算时混凝土翼缘板厚度不变而仅将翼缘板
有效翼缘宽度be除以α E(钢材
弹性模量与
混凝土弹性模量的比值)。
求得等价的钢梁截面后,可以按照
材料力学的方法来计算截面的抗弯承载力。设换算后截面的
惯性矩为 I换算,换算截面
形心轴距离钢梁底部为y 换算,组合梁总高为y换算作用在截面上的
弯矩为M,
根据《
公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86),对钢-混凝土组合梁进行了设计。钢梁选为
Q345B钢,混凝土翼缘板用 C40混凝土,
剪力连接件采用10槽钢。组合梁总高为1650mm,
跨高比约为31.5。组合梁截面换算惯性矩为8.576×1010mm^4,而纯钢梁的
截面惯性矩只有5.228×10 10mm^4,组合梁截面惯性矩是纯钢梁的1.64倍,大大提高了组合梁的刚度,减小了组合梁在荷载作用下的挠度。
荷载不利组合后计算得钢梁底部纤维的应力为129MPa,混凝土上表面
压应力为15.2MPa。因为
阿克苏市位于西北,气候干燥,
混凝土收缩、
徐变比较大,且昼夜温差较大,所以应计算由于混凝土收缩、徐变以及钢梁和混凝土由于骤变温差而导致的
附加应力及附加挠度。经计算:由于收缩、徐变而引起的附加挠度为10.3毫米,由于温差而引起的附加挠度为11毫米。且由于混凝土收缩、徐变引起的混凝土应力为
拉应力,部分抵销了荷载作用下引起的压应力,是偏于安全的。至于由此引起的钢梁应力,由于相对于荷载引起的应力很小,可以忽略不计。实际施工时,通过起拱消去由于
永久荷载以及一半基本
可变荷载作用而产生的挠度。
实际
工程应用中,钢-混凝土组合梁一般采用
栓钉作为剪力连接件。该工程针对
阿克苏地区以前没有采用过组合梁,栓钉
焊接质量不易保证,故改用槽钢剪力连接件。但是,《
钢结构设计规范》(GBJ17-88)以及《钢-混凝土组合结构设计与施工规程》(DL/T5085-1999)规定槽钢肢尖的方向应该沿槽钢受剪力方向。这容易使设计人员和施工人员搞混,造成不必要的负担。研究表明:槽钢肢尖的方向对槽钢剪力连接件的抗剪性能并没有明显的影响,所以在即将颁布的新《钢结构设计规范》中将取消这一规定,这大大方便了设计和施工。