钢-混凝土组合梁变形计算综述

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发布时间：2021-09-12

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钢一混凝土组合梁变形计算综述
潘剑超，陈德权，李东伟
(1．浙江大学建筑工程学院，杭州310o58； 2．中国市政工程中南设计研究总院有限公司。武汉430010
3．武汉市政工程设计研究院有限责任公司。武汉430023)
【摘要】阐述了钢一混凝土组合梁变形计算的理论发展、研究现状及不同方法的优缺点，并对典型研究成
果进行了概括论述，为组合梁变形计算研究提供了参考。
【关键词】钢一混凝土组合梁；挠度；滑移效应；折减刚度法
【中图分类号】TU398．9 【文献标识码】A 【文章编号】1001—6864(2014)04—0065—03
钢一混凝土组合梁是利用混凝土板的高抗压特性以及
钢制梁的抗弯拉特性，通过抗剪切连接件把混凝土板和钢
制梁上下叠合连接起来，组合成为一个整体的梁结构共同
受弯的一种构件。钢一混凝土组合梁在我国工业厂房、多
高层民用建筑及桥梁结构中正得到越来越多的应用 j。混
凝土具有较强的抗压性能，相比之下抗拉性能非常弱，而钢
材恰恰相反，具有高抗拉性，在受压作用下容易失稳屈曲。
组合梁在正弯矩的作用下，梁的中性轴上侧受压，下侧受
拉，若使混凝土翼缘板位于组合梁截面上侧，钢制梁位于组
合梁下侧，优化配置这两种材料的截面面积，则能够恰到好
处地使组合梁发挥钢制梁抗弯拉强度大、混凝土翼板抗压
弯强度大的特点，达到充分利用材料特性的目的。另外，由
于钢制梁受到混凝土翼板对其的侧向约束作用，其整体失
稳得到了有效控制。可见，钢一混凝土组合梁能较大程度
上发挥钢材和混凝土两种材料的优势，减轻自重，技术经济
效益好。
目前，对于钢一混凝土组合梁的力学分析主要以弹性
阶段为主，现行国内规范中关于钢一混凝土组合梁的计算
大多立足于弹性理论。有些文献假定混凝土翼板与钢制梁
之间的剪切连接是可靠的，忽略两者之间的相对滑移，然后
根据平截面假定采用弹性理论分析计算组合梁的受力特
性；另外，有些文献假定抗剪切连接件在梁长方向是连续、
均匀分布的，在此前提下考虑混凝土翼板与钢制梁之间的
相对滑移，并以弹性计算理论分析。上述分析方法均与钢
一混凝土组合梁在现实中的受力情形存在一定偏差。因为
混凝土属于非线性材料，用弹性计算理论方法分析，与其实
际的应力一应变曲线偏差较大，当钢制梁的应力过大时，其
将屈服并进入弹塑性状态而不再满足线弹性假定；此外，混
凝土翼板与钢制梁结合处界面之间的抗剪切连接件在梁长
方向的分布并不是均匀的，也就是说，各个抗剪切连接件之
间在梁长方向的间距并非都是相等的，因此组合结构两个
材料之间的相对滑移也并不都是连续且均匀分布的，这些
因索均会影响钢一混凝土组合梁的力学性能 J。随着组合
梁在实际工程中的广泛应用，精确计算组合梁的挠度并使
其满足正常使用极限状态要求显得十分重要。
1 变形计算的理论发展及研究现状
1．1 变形计算的理论发展
1912年，英国的E S Andrews提出了换算截面法，根据
钢材和混凝土弹性模量之间的比例关系，将组合截面换算
成同一材料后进行计算。Timoshenko对组合梁的混凝土翼
板和钢制梁两个组成部分均应用Euler—Bernoulli梁理论，
通过约束使其横向位移相等发展了组合梁计算理论。New
mark对部分抗剪切连接的钢一混凝土组合梁建立了微分控
制方程。hdekola则推广了Newmark的研究成果，考虑了上
拔力和摩擦力，并且对上拔力和轴向力不同方程的求解提
出了不同的解决方法。Robinsion和Naraine明确了组合梁
接触面上的力是作用在混凝土翼板还是使钢制梁受拉的问
题。Cosenza和Mazzolani提出了适用于正常使用状态荷载
作用下组合梁变形计算的新途径，McGarraugh和Baldwin利
用简单的分析模型证明了部分抗剪切连接组合梁的内力可
由无抗剪切连接和完全抗剪切连接两个极端情况下的组合
梁内力根据非线性内插得到。聂建国等提出了考虑滑移效
应的组合梁挠度计算的折减刚度法。
1．2 变形计算理论的研究现状
目前，国内外已有大量针对钢一混凝土组合梁挠度的
计算方法的理论和试验，并且学者们提出了不同的挠度计
算方法，主要的几种计算方法如下：
(1) 换算截面法：英国的E S Andrews于1912年提出
了组合梁的换算截面法，根据钢材和混凝土弹性模量之间
的比例关系，将组合截面换算成同一材料后进行计算。因
为其概念清晰、简单易用被我国原GBJI7—1988《钢结构设
计规范》采用。
(2) 基于换算截面法的内插法：1975年，R P Johnson
根据试验所得结果，提出了连接件部分抗剪切作用的组合
梁刚度计算方法，即根据组合梁连接抗剪切能力的程度，在
完全抗剪切连接的组合梁刚度和无抗剪切连接的组合梁刚
度之间进行1／2次幂内插来计算组合梁整体刚度的方法。
1994年出版的美国钢结构设计规范借鉴了该方法，采用了
组合粱的等效抗弯刚度(E1) (E材料弹性模量，，内插法计
算的截面抗弯惯性矩)来计算组合梁。
(3) 折减刚度法：聂建国等考虑组合梁两种材料的相
对滑移效应，建立了微分方程，推导得到了组合梁在不同荷