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钢与混凝土组合梁设计:有效宽度、抗剪连接件、挠度三处要点

发布时间:2018-12-19 15:30:22 | 浏览次数:

钢与混凝土组合梁设计要点

组合梁的思路很朴素:钢梁受拉、混凝土板受压,各自干擅长的活。同一根梁,做成组合梁比纯钢梁能省 20%–30% 的钢材,梁高也能降下来。但前提是三者算对——有效宽度、抗剪连接件、挠度。这三处任何一处保守或激进,都会让「省钢」变成「返工」。

下面按 GB 50017 的条文讲怎么算、怎么落图,以及工地上常犯的错。

一、有效宽度:不是整块楼板都参与受力

混凝土板通过栓钉和钢梁连成整体后,板内应力沿宽度方向是中间大、两边小(剪力滞后)。所以计算时不能取整块板宽,只能取一个「有效宽度」:

be = b0 + b1 + b2

符号含义取值
b0板托顶部宽度有板托按实际;无板托取钢梁上翼缘宽度
b1、b2梁外侧、内侧翼板计算宽度取「梁跨 L 的 1/6」与「翼板厚度 hc1 的 6 倍」两者较小值
附加限制不能超过实际可用的板宽b1 ≤ 实际外伸宽度 s1;b2 ≤ 相邻梁净距的一半

三个坑:① 板托倾角小于 45° 时,b0 要按 45° 折算,不能直接量顶部宽度;② 用压型钢板组合板时,hc1 是「总厚度减肋高」,算有效宽度时又可以取「有肋处的总厚度」,两个口径别用混;③ 中梁的 b1 等于 b2,边梁才是不等的。

二、抗剪连接件:数量够、布置对、方向对

栓钉的作用是「不让板和梁各滑各的」。数量不够,板梁之间滑移大,组合作用打折;布置不对,栓钉周围的混凝土会先被压碎。

数量怎么定:按梁上「纵向剪力」计算。简支组合梁的纵向剪力等于混凝土板受压区的压力,用栓钉抗剪承载力设计值去除,得到所需数量,再按半个跨到弯点分段布置(弯矩越大处越密)。

布置的硬要求:

1、栓钉直径 d 通常取 13–22mm,高度不小于 4d。16mm 的栓钉至少 64mm 高——这是为了让栓钉在混凝土里形成完整的抗剪「销」。用短栓钉省材料,抗剪承载力会大幅下降。

2、沿梁轴线方向间距不大于 6d,垂直梁轴方向不大于 4d。

3、栓钉顶面保护层厚度不小于 15mm,栓钉不能直接顶到板顶钢筋。

4、压型钢板肋与梁垂直时,栓钉可焊在肋底;平行时要核算肋宽是否够。

施工上的关键一条:栓钉焊接后要抽检打弯 30°,抽检比例不少于 1%,且不少于 10 个。打弯后焊缝不裂才算合格。这一步经常被省,但它是唯一能验证焊接质量的现场手段。

三、挠度:滑移折减不能忘

组合梁的挠度按弹性方法算,但有两处修正必须做:

① 滑移效应折减刚度。钢与混凝土之间不是完全刚性连接,会有微小滑移,实际刚度比「完全组合」的假定低。规范给了折减系数计算方法,直接把完全组合刚度打折。

② 连续梁负弯矩区处理。连续组合梁在中间支座附近是「混凝土受拉、钢梁受压」——混凝土抗拉强度几乎为零,这部分要按开裂处理。具体做法:距中间支座两侧各 0.15L 范围内,不计受拉区混凝土对刚度的贡献,但要计入翼板有效宽度内纵向钢筋的作用;其余区段仍用折减刚度。

还要验算负弯矩区混凝土的裂缝宽度上限 wmax,按《混凝土结构设计规范》GB 50010 的方法。裂缝宽度超限,说明负弯矩区配筋不足,后期会渗水、钢筋锈蚀。

另外一个常被忽略的细节:强度、挠度和裂缝计算中,可不考虑板托截面。板托只对刚度有微小贡献,算了反而增加复杂度。

四、施工顺序会改变结果

组合梁有两种施工方式,内力完全不同:

方式做法钢梁受力用钢量
有支撑施工钢梁下方设临时支撑,浇筑混凝土并达到强度后拆撑荷载由组合截面承担省,可减 20%–30%
无支撑施工钢梁直接承担混凝土自重与施工荷载钢梁先独自受力,后组合多,钢梁要按施工阶段验算

无支撑施工时,钢梁在浇筑阶段就要满足强度和挠度要求,可能因此加大截面——「省了支撑费,多花钢材钱」。选哪种要按项目条件算总账,不能默认无支撑更省事。

五、出图时要写清的六项

1、有效宽度 be 的计算过程(不能只给结果)。

2、栓钉规格(直径 × 高度)、数量、间距、布置图。

3、栓钉抗剪承载力设计值及其依据。

4、施工方式(有支撑/无支撑)及对应的施工阶段验算。

5、负弯矩区的纵向钢筋配置与裂缝宽度验算结果。

6、压型钢板的方向、肋高、与栓钉的相对位置。

这六项写全,加工厂和现场才不会各按各的理解做。组合梁的问题九成出在「图上没写清,现场按经验做」。

埃菲尔钢结构的钢结构项目可按组合梁方案出计算书与节点详图,栓钉布置图与压型钢板排版一并提供。有设计或加工需求可打 0311-85523085。

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