钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用

第３２卷第２期

１９９土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶ０１．３２Ａｐｒ．Ｎｏ．２１９９９９年４月ＪＯＵＲＮＡＬ

钢一混凝土组合梁在我国的研究及应用

聂建国

（清华大学）佘志武（长沙铁道学院）

摘要近年来，钢一混凝土组合梁结构在我国发展很快，在建筑和桥梁结构等领域已经得到越来越多的应

用，取得了显著的技术经济效益和社会效益。本文较为系统地阐述组合梁在我国的研究和应用情况，并指出了

有关钢一混凝土组合梁方面值得进一步研究的问题。

关键词钢一混凝土组合梁研究应用

１引言

钢一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。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，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，钢一混凝土组合结构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，将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钢一混凝土组合梁在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。限于篇幅，本文将重点介绍钢一混凝土组合梁结构在我国的研究和应用情况。

２钢－混凝土组合梁在我国的研究概况

钢一混凝土组合梁结构在美国、日本、欧洲等发达国家已经得到了较广泛的应用。但是，组合梁在我国的研究起步比较晚。在我国改革开放以前，虽有少数工程曾经应用过钢一混凝土组合梁，但当时未考虑组合效应而仅仅把它作为强度储备提高安全度或者是为了方便施工而已，当时我国有关设计规范都未涉及钢一混凝土组合梁的设计内容。１９７８年以来，原郑州工学院、原哈尔滨建筑工程学院、山西省电力勘测设计院、华北电力设计院和清华大学等单位曾先后对钢一混凝土组合梁进行了研究和应用，取得了一系列具有重要理论意义和实用价值的成果。

剪力连接件是保证钢梁和混凝土翼缘形成组合梁共同工作的关键元件。８０年代初，我国尚没有栓钉焊接设备，应用组合梁不得不采用较早期的连接件型式——槽钢和弯筋连接件。１９８３年开始，郑州工学院对槽钢连接件进行了较为系统的试验研究，得到了槽钢剪力连接件的破环形态、极限承载力计算公式和极限承载力上限值等［１］。哈尔滨建筑工程学院从１９８４年开始对弯筋连接件进行了较系统的试验，发现弯筋处于拉一剪复杂受力状态，钢梁与混凝土板之间的摩擦作用不能忽略，其承载力均超过钢筋的极限抗拉强度Ａ。ｆ．【２Ｊ。１９８４年开始，郑州工学院、冶金部建筑科学研究院等曾先后研制出国产栓钉焊接设备，为栓钉连接件的推广应用奠定了基础。郑州工学院从１９８６年开始通过推出试验对栓钉剪力连接件进行了较系统的研究ｂＪ。这些成果在当时为制订我国＜钢结构设计规范》（ＧＢＪｌ７—８８）有关剪力连接件设计计算的条文提供了依据。１９８０年，郑州工学院进行了２根采用槽钢剪力连接件的钢一混凝土简支组合梁试验，证明截面变形近似符合平截面假定ＨＪ。１９８４年，哈尔滨建筑工程学院对采用弯筋剪力连接件的组合梁进行了试验研究和理论分析。这一阶段的试验主要是验证性的，证明国外规范采用简化塑性方法设计组合梁是可行的。

从８０年代中期开始，郑州工学院、清华大学等单位对采用栓钉剪力连接件的钢一混凝土组合梁进行了深入的试验研究和理论分析，包括抗弯承载力、刚度、滑移效应、纵向抗剪和栓钉连接件的实际抗剪承载力、混凝土板纵向抗剪计算方法等，提出考虑滑移效应的钢一混凝土组合梁变形计算的折减刚度法，并建立了考虑滑移效应的组合梁截面刚度和抗弯强度的简化实用计算公式［５’６Ｊ。组合梁计算的现行换算截面法不能考虑钢梁

・４・土木工程学报１９９９链与混凝土翼缘交界面之间的滑移效应，导致变形计算值偏小。折减刚度法对组合梁计算分析的换算截面法进行了改进，由于换算截面法是现行组合梁计算理论的重要内容，因此折减刚度法是对组合梁计算理论的发展。建立的考虑滑移效应的组合梁长期刚度计算公式，同时考虑了混凝土徐变和混凝土收缩的影响１７Ｊ。建立的组合梁纵向抗剪计算公式Ｌ８』，为组合梁的横向钢筋设计提供了依据。我国现行《钢结构设计规范》中关于栓钉剪力连接件抗剪设计承载力计算公式过分保守，导致栓钉连接件用量偏多，组合梁造价偏高，施工不便，清华大学通过对组合梁中栓钉剪力连接件实际抗剪承载力的研究，提出放宽其抗剪承载力上限值的建议［９］，使栓钉用量比按照现行规范的要减少４０％以上，成果经受了工程实践的检验¨引。在试验研究的基础上还建立了组合梁的极限变形和延性指标计算公式ｕ１。。１９９５年开始，清华大学等单位对部分剪力连接组合梁进行了试验研究，对现有部分剪力连接组合梁的抗弯强度和挠度计算公式提出了修正建议Ｌｌ２｜，在强度和变形能够满足要求的前提下，采用部分剪力连接组合梁可以取得较好的综合效益。哈尔滨建筑工程学院和郑州工学院及清华大学等单位对钢一混凝土连续组合梁进行了试验研究，探讨了连续组合梁的塑性内力重分布性能、负弯矩截面的抗弯承载力，负弯矩区混凝土翼缘的裂缝宽度、钢梁的局部稳定等问题ｕ３’１４ｊ，在次生破坏能够避免出现时，连续组合梁的中支座弯矩调幅度可达２５％。

郑州工学院、山西省电力勘测设计院和清华大学等从８０年代后期开始对钢一混凝土叠合板组合梁（如图１所示）进行了研究。施工程序是将预制钢筋混凝土板支承在工厂制作的焊有栓钉剪力连接件的钢梁上，在铺设完现浇层中的钢筋之后浇灌混凝土，当现浇混凝土达到一定强度时，栓钉连接件使槽口混凝土、现浇层及预制板与钢梁连成整体共同工作，形成钢一混凝土叠合板组合梁，预制板和现浇层相结合形成叠合板。预制板既作为底模承受现浇混凝土自重和施工荷载，又作为楼面板或桥面板的～部分承受竖向荷载，同时还作为组合梁翼缘的一部分参与组合梁的受力。预制板代替了模板、取消

了脚手架，使施工速度加快，免去了支模工序，不中断下部交通

和便于立体交叉施工。预制板按照设计荷载配置承受正弯矩的受

力钢筋并伸出板端，现浇层中在垂直于梁轴线方向配置负弯矩钢

筋。负钢筋和伸出板端的“胡子筋”还同时兼作组合梁的横向钢

筋抵抗纵向剪力。图１所示的组合梁取消了在预制板端预留凹槽

并附设构造钢筋的传统复杂构造做法，是对预制混凝土板组合梁

的发展Ｈ５’１引。试验表明，在预制板上表面保持自然粗糙面并附设

构造抗剪钢筋时，组合梁在发生整体弯曲破坏之前均未发生预制板和现浇混凝土叠合面的剪切破坏。叠合板组合梁具有一般组合梁（即现浇混凝士翼缘组合梁）的良好受力性能，其抗弯强度和刚度可以按照一般组合梁的方法计算。叠合板组合梁构造简单，施工方便，用简单的施工工艺即可获得良好的结构性能。它具有“轻型大跨”、“预制装配”、“快速施工”等特点，符合现代结构的要求和我国基本建设发展的国情。

郑州工学院从１９８６年开始对压型钢板混凝土组合板推出试件和钢一压型钢板混凝土简支组合梁进行了试验研究ｎ７｜，对压型钢板肋中栓钉剪力连接件的抗剪承载力公式提出了修正建议，并建议用计算部分剪力连接组合梁的方法计算压型钢板组合梁的极限抗弯强度。

高强和高性能混凝土将成为下一个世纪的主要建筑材料，组合结构也将成为下一个世纪结构体系的发展方向之一。将钢梁与高强混凝土结合在一起形成钢一高强混凝土组合梁是把新材料和新结构的有机结合，目前桥梁结构的板面混凝土正在向高强方向发展，以前的研究工作主要限于普通混凝土组合梁。清华大学从１９９６年开始对钢一高强混凝土组合梁进行了研究［１８Ｊ。通过对高强混凝土推出试件和组合梁的试验研究，对栓钉剪力连接件承载力的上限提出了放宽的建议，对混凝土翼缘的纵向抗剪承载力计算公式提出了修正建议以适用高强混凝土组合梁的受力特点。研究结果表明，简化塑性设计方法同样适用于钢一高强混凝土组合梁极限抗弯强度的计算，对栓钉连接件的滑移刚度进行修正后，仍可用折减刚度法计算其变形。高强混凝土组合梁具有刚度增大，剪力连接件用量减少，混凝土翼缘纵向抗剪能力提高，延性增大，耐久性提高，更充分地利用高强度钢材等优点。图１钢一混凝土叠合板组合梁构造

近年来对桁架组合梁，预应力钢一混凝土组合梁，蜂窝式组合梁等也进行了研究和应用，丰富了钢一混凝土组合梁的型式，拓宽了它的应用范围。

３钢一混凝土组合梁在工程中的应用３．１多层工业厂房

第３２卷第２期聂建国等・钢一混凝土组合梁在我国的研究及应用・５・

１９８８年开始建设的国家重点建设项目——太原第一热电厂五期工程，由山西省电力勘测设计院设计。该工程的集中控制楼位于两台锅炉之问，处在第一台锅炉的安装通道上，只有在第一台锅炉的大件吊装完，塔吊退出后才能进行全面施工，因此，第一台机组能否早日发电取决于集中控制楼的工期。集中控制楼楼面设计荷载为２５．３５ｋＮ／ｍ２。对集中控制楼设计必须选择施工工序简单，便于立体交叉作业和多层同时施工且能最大限度地加快施工速度的结构型式。为此，在钢一混凝土组合楼层的三个方案（现浇楼板、压型钢板一混凝土组合楼板、混凝土叠合楼板组合梁）中选择了叠合板组合梁方案，柱为钢管混凝土柱，通过加强环与组合梁相连，形成了完整的钢一混凝土组合结构体系。当时，由于钢一混凝土叠合板组合梁的应用在国内尚无先例，又无设计规范可循，因此在设计前，山西省电力勘测设计院和郑州工学院合作，对叠合板组合梁进行了试验研究，包括钢筋混凝土简支叠合板、连续叠合板、钢一混凝土叠合板简支和连续组合梁等，成果为叠合板组合楼层结构设计提供了依据。集中控制楼柱网尺寸为７ｍ×９ｍ，次梁沿纵向布置（梁跨９ｍ）并支承在梁跨为７ｍ的主梁上，如图２所示。预制板跨３．５ｍ，宽０．８—２．２ｍ，厚度７０ｉｎｒｎ，预制板中配置了楼板的正弯矩钢筋。在板的上表面沿每米宽布置１列、纵向间距为３００ｍｍ、直径为声６构造抗剪钢筋（如图１所示）。浇灌预制板时在其上表面用竹扫帚拉毛以使其具有一定的粗糙度。组合梁混凝土翼缘的横向配筋率为０．７％，包括伸出预制板端１２０ｍｌｎ的“胡子筋”和现浇层中的负钢筋。组合梁中支座弯矩调幅度取１５％。值得指出的是，由于叠合板组合楼层设计在当时尚无规范可循，又没有实例参考，故集中控制楼楼层结构设计偏于保守。尽管如此，它同现浇组合楼层相比，不仅缩短工期１／３，而且由于节省了支模工序和模板等降低造价１８％。与压型钢板组合楼层相比，节省钢材３０％，降低造价７６％。由于缩短工期使第一台机组提前发电所创造经济效益近７００万元。继太原第一热电厂第五期工程之后，第六期工程和阳泉第二发电厂等工程也采用了叠合板组合梁结构。

图２太原第一热电厂柱网布置及组合梁截面

３．２高层建筑

北京国际技术培训中心的两幢１８层塔楼，楼盖结构采用冷弯薄壁型钢一混凝土简支组合梁，跨度６ｉｎ，间距１．５ｍ，组合梁全高３００ｍｍ（包括混凝土楼板厚度）。梁的截面如图３

所示。组合楼盖结构设计是以试验研究成果为依据的ｕ０｜。栓钉剪力连接

件设计采用文献［９］的研究成果，节约栓钉用量达４７％（仅这２幢高

层建筑的楼盖结构就节约栓钉近１０万个）。与钢筋混凝土叠合楼板相比

较，结构自重降低２９％，水泥消耗节约３４％，钢材消耗节约２２％，木材

消耗节约７％，造价降低５％，施工周期缩短２５％，并且使建筑标准提

高了一大步，实现了建设部对小康住宅提出的“造价不高水平高，标准

不超质量高”的要求，为我国城镇住宅建设提供了一种轻型、优质、大

跨的楼盖结构型式，这种新型组合梁在高层建筑楼盖结构中具有广阔的

应用前景，有利于推动大开问灵活分隔的高层建筑的发展。图３冷弯薄壁型钢一混凝土组合梁截面

钢一压型钢板混凝土组合结构在高层建筑中的应用也在不断发展，如深圳赛格广场、上海世界金融大厦、金茂大厦等超高层建筑的楼板也采用了压型钢板组合楼板。压型钢板组合楼盖的最大优点是施工速度快，但造价比较高。

３．３桥梁结构．

１９９３年，北京市市政工程设计研究总院设计的北京国贸桥，在三个主跨采用了钢一混凝土叠合板连续组合

・６・土木工程学报１９９９年为：（１）比原现浇桥面板方案节省近４０００ｍ２的高空支模工序和模板，减小现场湿作业量，缩短工期近一半，未中断下部交通；（２）比钢筋混凝土梁桥自重减轻约５０％；（３）比钢桥节省钢材３０％左右。

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（ｂ）横截面图

图４国贸桥三跨钢一混凝土连续叠合板组合梁

模拟气超－２０的静载试验结果和分析表明，该桥具有同现浇桥面板组合梁一样的受力性能，再次证明钢一混凝土叠合板组合梁具有良好的整体工作性能。它在桥梁结构中的成功应用实现了“轻型大跨、预制装配、快速施工”的目的，符合我国城市立交桥建设的国情。继国贸桥之后，仅北京又有６座大跨立交桥的主跨采用了这种结构型式，最大跨度已达到７０ｍ，取得了显著的技术经济效益和社会效益。国内深圳、长沙、岳阳、海口、鞍山、石家庄、济南、西安等城市也正在建造大跨钢一混凝土叠合板组合梁桥结构，最大跨度已达到９５ｍ。交通部西安公路研究所正在把叠合板组合梁推广应用于大跨公路桥梁结构。

钢一混凝土叠合板组合梁用于城市大跨立交桥的设计是依据换算截面法，使控制截面的最大应力和挠跨比不超过《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（．Ｉ－ＴＪ０２５－－８６）的规定值，但在挠度计算时应考虑滑移效应№Ｊ。为了提高连续组合梁中支座桥面板的抗裂性以提高其防渗能力，在负弯矩区施加预应力。

上海南浦大桥和杨浦大桥的桥面结构也采用了钢一混凝土叠合梁结构［１９｜，钢纵梁和钢横梁形成施工拼装单元，预制钢筋混凝土桥面板铺装就位之后，通过钢梁上翼缘预制板端闾的接缝混凝土和栓钉剪力连接件的作用使钢梁和混凝土桥面板连成整体形成组合梁。预制板上表面没有现浇混凝土，这种组合梁对预制板的制作精度和接缝混凝土的质量要求很高。严格说来，它是预制板组合梁，是钢一混凝土叠合板组合梁的特例，当叠合板组合梁中现浇层厚度为零时就变成了这种情况。一般情况下，在预制板上表面浇一层现浇混凝土，通过接缝混凝土、现浇层混凝土和栓钉连接件把钢梁、预制板和现浇层连成整体的组合梁比预制板组合梁的整体性能更好。

钢一混凝土叠合板组合梁的显著优点是省掉了高空支模工序和模板。用于桥梁可以不中断下部交通，用于建筑可以省去满堂红脚手架，对于减少现场作业量和保护环境等都是有利的。有关专家对多座城市大跨立交桥结构方案（包括预应力钢筋混凝土桥、钢桥及钢一混凝土组合梁桥）比较后认为，钢一混凝土叠合板组合梁方案的综合效益最好。

４钢一混凝土组合梁的最新发展和进一步研究的问题

近年来，虽然钢一混凝土组合梁在我国建筑和桥梁等领域已经得到越来越多的应用，显示出很好的技术经济效益和社会效益，受到了建设单位和施工单位的青睐，然而，由于部分专业设计人员和主管领导并不算综合效益帐，简单地把组合梁同钢筋混凝土梁相比较。诚然，组合梁的造价比钢筋混凝土梁要高３０％一４０％，但是，组合梁带来的综合效益如结构高度降低，自重减轻，地震作用减小，竖向构件截面尺寸减小，基础造价降低，延性提高，施工费用降低，施工速度加快等是相当可观的。组合梁比钢梁的造价可降低３０％左右。

第３２卷第２期聂建国等・钢・混凝土组合梁在我国的研究及应用・７・成了一定的困难。在我国的专业课教学中，传统的钢筋混凝土结构和钢结构为经典的必修课程，而组合结构列入选修课程在少数高校也刚刚开始，因此，相对来说，专业技术人员对组合梁结构不太熟悉，即使遇到比较适合于采用钢一混凝土组合梁的工程，也因为做传统的结构型式省时，出图快而放弃采用组合梁。目前我国对采用新型结构而给建设单位节省的投资一般是不给予奖励的，相反，设计费用与工程造价成正比，这就在某种程度上挫伤了设计人员采用新型结构的积极性。建议有关部门制订相应政策鼓励专业技术人员采用新结构和新技术，以增加工程结构中新技术的含量，促进我国结构工程向高技术和高质量方向发展。

为了促进传统结构的发展，还需要加大对钢一混凝土组合结构研究的投入。在组合梁领域值得进一步研究的问题包括组合梁在复合受力状态下的性能与设计方法、组合梁截面的优化、预应力组合梁、桁架组合梁、大跨组合梁的温度、徐变和收缩效应、新型组合梁的开发、钢一混凝土组合结构体系的整体性能、钢一混凝土组合楼盖的空间作用、钢一压型钢板组合梁的组合效应利用问题，组合梁在超高层建筑中的应用问题等，将钢一混凝土组合梁用于超高层建筑的转换层结构是值得探讨的，它将克服目前转换层钢筋混凝土大梁尺寸过大的问题。此外，有必要尽快制订一部完整的适合我国基本建设国情的钢一混凝土组合结构设计规程。

５结语

钢一混凝土组合梁具有结构高度小、自重轻、承载力高、刚度大、节省支模工序和模板、减少现场湿作业量、施工速度快、综合效益好等显著优点，作为重要的横向承重构件之一可以广泛应用于工业厂房，大跨结构、地下结构、高层建筑和桥梁结构等。组合梁和钢管混凝土柱或型钢混凝土柱形成钢一混凝土组合结构体系具有良好的受力性能和很好的综合效益，应用前景广阔。工程实践表明，推广应用钢一混凝土组合梁符合我国基本建设的国情，有利于促进国民经济建设的发展。尽管钢一混凝土组合梁近年来在我国取得了长足的发展，但是，如何更好地发挥它在工程结构中的优势需要政府主管部门、设计和施工单位取得更广泛的共识。要注重钢一混凝土组合梁用于工程所带来的综合效益。组合梁更多、更广泛的应用必将推动钢一混凝土组合结构的进一步发展。

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・８・土木工程学报１９９９正

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｅａｍｏｆｓｔｅｅｌａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｐｒａｃｔｉｃｅ

聂建国博士，副教授，从事钢一混凝土组合结构、混凝土结构、钢结构、高层建筑的研究开发工作。通讯地址：

１０００８４北京市清华大学土木系

余志武教授，长期从事预应力混凝土结构和钢一混凝土组合结构的科研、教学工作。

《土木工程学报》连续十年人选为

中国科技论文统计源刊

中国科技信息研究所受原国家科委委托，从１９８８年起将我国国内公开出版的数千种自然科学科技期刊

中，发表科技论文数量较多，学（技）术水平较高、编辑质量较优，且能够反映有关专业（学科）最新的科技成果和前沿动态，并受到有关专业读者特别关注的约１２００种优秀期刊，选列为中国科技论文统计源刊。到１９９７年为止，《土木工程学报＞已连续十年入选为土建工程类专业的统计源刊。这类刊物中的大多数也是国内图书文献和文摘索引部门选刊的核心期刊。

中国科技信息研究所每年对统计源刊上发表的科技论文，按不同专业（学科），第一作者所在的机构和地

区，受各项基金资助的情况等进行统计和分析，并按论文数量、分类进行排序后，于每年第４季度向全国公布上年度的统计结果，成为衡量一个地区、单位和科技人员在科技成就和贡献方面的一项重要度量，并可从一个侧面看出各学科的发展趋势、科技水平、新兴领域的潜力、科技人员的成长、能力分布以及在社会中的地位等，在国内引起了强烈的反响。使统计结果成为科研管理和人事部门作为定量评价的有力工具，有些部门还将凡是在统计源刊上发表论文的作者给予奖励，并作为个人提职、评奖、申请科学基金和科研项目及各种荣誉的重要依据。促使广大科技人员更积极主动地将高水平的科技论文向统计源刊投送发表，同时也进一步促进了这类刊物质量的提高。（范文田供稿）

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被引用次数：聂建国， 余志武， NIE Jianguo， YU Zhiwu聂建国,NIE Jianguo(清华大学)， 余志武,YU Zhiwu(长沙铁道学院)土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL1999,32(2)190次

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本文读者也读过(1条)

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187.张勇 南京长江第三大桥桥塔钢混结合段结构特性研究[学位论文]硕士 2005

188.徐海峰 船闸人字门空间结构分析及安全评价研究[学位论文]硕士 2007

189.易海波 钢-混凝土组合梁翼板有效宽度的试验与分析[学位论文]硕士 2005

190.贺明卫 高层建筑中大跨度钢桁架转换层的试验研究与理论分析[学位论文]博士 2004

191.邵新妍 轻型钢结构基本构件抗力统计及可靠度分析[学位论文]硕士 2005

192.刘红梁 混合交错桁架结构性能与可靠性研究[学位论文]博士 2005

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