1、 /12 /12對鋼-混凝土組合梁抗彎承載力的認(rèn)識西平鐵路后河村特大橋：有著亞洲鐵路“第一跨之稱的西平鐵路后河村特大橋80米鋼一混凝土組合桁架梁。鋼-混凝土組合梁由于能充分發(fā)揮鋼材和混凝土各自的材料特性,使其在橋梁結(jié)構(gòu)中大量被采用，成為第五大類結(jié)構(gòu)。鋼-混凝土組合梁最初的計算方法是基于彈性理論的換算截面法，即假設(shè)鋼材與混凝土均為理想彈性體，兩者連接可靠，完全共同變形，通過彈性模量比將兩種材料換算成一種材料進(jìn)行計算。然而，鋼材和混凝土都是彈塑性材料，需要考慮塑性發(fā)展帶來承載力的提高。我國現(xiàn)行的涉及組合梁計算的規(guī)范中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程規(guī)定，組合梁的計算可采用塑性設(shè)計方法，

2、考慮全截面的塑性發(fā)展，但都沒有考慮鋼梁與混凝土橋面板的相對滑移對承載能力的影響。鋼-混凝土組合梁的歐洲分類歐洲規(guī)范4根據(jù)截面的轉(zhuǎn)動能力將鋼-混凝土組合梁分為四類。第一類截面能夠形成塑性鉸，具有滿足塑性分析所需要的轉(zhuǎn)動能力，截面的最大承載力大于全塑性彎矩Mp1；第二類截面的最大承載力能夠達(dá)到全塑性彎矩Mp1,但塑性鉸的轉(zhuǎn)動會受到局部屈曲或者混凝土破壞的限制；第三類截面中，由于局部屈曲阻礙了截面塑性抗彎能力的發(fā)展，截面的最大抗彎能力僅能達(dá)到彈性彎矩Mel；第四類截面為鋼梁受壓截面提前發(fā)生屈曲，使其不能達(dá)到屈服強(qiáng)度，截面的最大承載力不能達(dá)到彈性彎矩Me1o四類截面的劃分情況詳見圖1。Mp1和Me1分

3、別為截面的塑性抗彎強(qiáng)度和彈性抗彎強(qiáng)度。0y梁雜志第一類截面”_產(chǎn)二二類截面嚴(yán)r第三類截面第四類截面圖1歐洲規(guī)范對四類截面的劃分剪力連接鍵是組合梁的關(guān)鍵部位。根據(jù)剪力連接鍵所能提供的抗力與組合梁達(dá)到完全塑性截面應(yīng)力分布時縱向剪力的關(guān)系，可將組合梁分為完全抗剪連接組合梁和部分抗剪連接組合梁。完全抗剪連接是指抗剪連接件的縱向水平抗剪承載力能夠保證最大彎矩截面上抗彎承載力得以充分發(fā)揮的連接，否則則為部分抗剪連接。從定義中可以看出，抗剪連接件的設(shè)計會影響到組合梁的抗彎承載力。因此在歐洲規(guī)范4中分別給出了完全抗剪連接和部分抗剪連接下組合梁的抗彎承載能力。對于完全抗剪連接組合梁，在承載能力極限狀態(tài)，抗剪連接

4、件能夠有效傳遞鋼梁和混凝土板之間的剪力。部分抗剪連接組合梁在承載能力極限狀態(tài)時，最大彎矩截面混凝土板中的壓力NCT取決于結(jié)合面上剪力連接件所能提供的縱向抗剪能力IPRdo組合梁抗彎承載能力計算在國家標(biāo)準(zhǔn)鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范中，明確給出了組合梁抗彎承載能力的兩種計算方法：塑性設(shè)計方法和彈性設(shè)計方法。當(dāng)符合板件寬厚比的要求時，即在截面達(dá)到全塑性抗彎能力之前不會發(fā)生局部屈曲時，可采用塑形設(shè)計方法計算抗彎承載力；不符合時，則應(yīng)采用彈性設(shè)計方法進(jìn)行計算。同時規(guī)定，計算時應(yīng)計入施工順序，以及混凝土的徐變、收縮與溫度等作用的影響。其中，塑性設(shè)計方法適用的范圍對應(yīng)于歐洲規(guī)范4中的第一類和第二類截面，彈性

5、設(shè)計方法適用的范圍對應(yīng)于歐洲規(guī)范4中的第三類截面，而對于歐洲規(guī)范4中的第四類截面在本規(guī)范中不建議采用。對于橋梁結(jié)構(gòu)，由于跨度較大，不希望在正常使用時組合梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，因此在規(guī)范中規(guī)定只采用完全抗剪連接形式。彈性設(shè)計方法鋼-混凝土組合梁的彈性設(shè)計方法是基于以下幾點(diǎn)假定：鋼材和混凝土均為理想彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系；鋼梁與混凝 /12土橋面板連接可靠，相對滑移較小，可以忽略不計；組合梁的截面變形符合平截面假定；不考慮受拉區(qū)混凝土參與工作。在以上假定的基礎(chǔ)上，可以采用材料力學(xué)公式計算鋼梁和混凝土橋面板的應(yīng)力。材料力學(xué)已建立的計算公式原則上只適用于單一的均質(zhì)彈性體，對于由鋼材和混凝土兩種不

6、同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，計算時應(yīng)首先將其換算成同一材料的截面。設(shè)混凝土單元的截面面積為Ac，彈性模量為Ec，在應(yīng)力oc作用下，其應(yīng)變?yōu)閑c=oc/Ec，將其等效換算為鋼材。所謂等效換算，即換算后單元承受的合力不變，且應(yīng)變相等。獲得換算截面的特性后，即可按照材料力學(xué)方法計算組合截面的應(yīng)力。需要注意的是，彈性設(shè)計方法與鋼-混凝土組合梁的施工順序有關(guān)。不同的施工方法，計算截面應(yīng)力的表達(dá)式有所不同。鋼-混凝土組合梁的施工方法大致可以分為三類：鋼梁下設(shè)置臨時支撐，混凝土橋面板澆筑完成后，拆除臨時支撐；該種施工方法下，組合梁共同受力不涉及分階段計算。鋼梁下不設(shè)置臨時支撐，利用鋼梁作為施工支撐澆筑混凝土橋面板

7、；該種施工方法下，需要分階段進(jìn)行組合梁的受力計算。鋼梁預(yù)彎承受反拱荷載且設(shè)置支撐，然后澆筑混凝土橋面板。當(dāng)設(shè)置臨時支撐時，鋼-混凝土組合梁以組合截面受力，可以采用材料力學(xué)方法直接進(jìn)行求解。當(dāng)不設(shè)置臨時支撐時，鋼-混凝土組合梁的受力狀態(tài)分兩個階段。第一階段受力狀態(tài)為施工階段，此時橋面板混凝土尚未硬化，由鋼梁單獨(dú)承受施工荷載，包括鋼梁及其連接系的重力、混凝土橋面板的重力、施工荷載等。第二階段受力狀態(tài)為使用階段，此時橋面板混凝土已經(jīng)硬化，鋼梁和混凝土橋面形成了組合截面共同承擔(dān)后續(xù)施加的荷載，包括橋面鋪裝、護(hù)欄等恒載以及活彳荷載等。當(dāng)鋼梁設(shè)置預(yù)拱度承受反拱荷載且設(shè)置支撐時，鋼-混凝土組合梁的受力狀態(tài)也

8、分為兩個階段。第一階段受力狀態(tài)為設(shè)置預(yù)拱度階段,此時混凝土橋面板尚未開始澆筑，鋼梁單獨(dú)承受反拱荷載。第二階段受力狀態(tài)為使用階段，此時混凝土橋面板澆筑完成，組合梁形成組合截面共同受力。每種施工方法采用的混凝土橋面板，既可以采用現(xiàn)澆方式，也可以采用預(yù)制拼裝的后結(jié)合方式。對于預(yù)制的混凝土橋面板，規(guī)范還根據(jù)不同的加載齡期，以表格的形式給出了混凝土徐變系數(shù)和收縮折減系數(shù)，便于設(shè)計人員使用。值得注意的是，與公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用的容許應(yīng)力設(shè)計方法不同，鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范采用的是以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，因此計算時應(yīng)采用與公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范一致的荷載組合，強(qiáng)度設(shè)計值應(yīng)采用根據(jù)

9、極限狀態(tài)下可靠度指標(biāo)要求的、含分項系數(shù)的設(shè)計計算值，即鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范中給出的強(qiáng)度設(shè)計值。塑性設(shè)計方法雖然彈性設(shè)計方法是鋼-混凝土組合梁最初的計算方法，國內(nèi)外多本規(guī)范中都采用了彈性設(shè)計方法，但混凝土和鋼材都并非理想彈性材料。當(dāng)混凝土壓應(yīng)力達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的50%以上時，混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。組合梁的截面彈性分析只有當(dāng)混凝土的最大壓應(yīng)力小于0.5倍軸心抗壓設(shè)計強(qiáng)度，且鋼材的最大拉應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度時，才是正確的。因此，彈性分析方法適用于計算鋼-混凝土組合橋梁的正常使用極限狀態(tài)，而在確定承載能力極限狀態(tài)時，由于未計入塑性變形發(fā)展帶來的強(qiáng)度提高，計算結(jié)果偏于保守，也不符合實(shí)

10、際的工作情況。國內(nèi)外眾多簡支組合梁試驗研究表明，組合梁下翼緣鋼板屈服之后，截面抗彎承載力仍有較大幅度提高，極限彎矩與屈服彎矩之比可達(dá)到1.5以上。因此，鋼混凝土組合梁的極限承載能力應(yīng)考慮鋼材和混凝土的塑性特性，采用塑性分析方法確定。國外更早地開展了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的塑性分析方法研究。20世紀(jì)中期，歐洲國家已開始將塑性理論用于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。英國早在1965年制定的compositeconstructioninstructuralsteelandconcrete.simplysupportedbeamsinbuilding(CP11711965)的附錄A中，就列入了塑性分析方法。我國200

11、3年頒布的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB500172003)將塑性分析方法獨(dú)立成章,并在“鋼與混凝土組合梁章節(jié)中，采用塑性分析方法對組合梁的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定。鋼-混凝土組合梁截面塑性抗彎承載能力計算基于以下假定：在承載能力極限狀態(tài)，混凝土橋面板與鋼梁之間有可靠的連接，能夠保證抗彎能力的充分發(fā)揮；混凝土受拉區(qū)開裂，忽略受拉混凝土的作用；混凝土受壓區(qū)受力均勻，達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；鋼梁的受壓區(qū)和受拉區(qū)均進(jìn)入塑性狀態(tài)且受力均勻，分別達(dá)到鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。應(yīng)力計算作為強(qiáng)度計算的補(bǔ)充，在持久狀況下，鋼-混凝土組合梁中混凝土構(gòu)件正截面的最大壓應(yīng)力不宜大于0.50fck；鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力不應(yīng)大于0.

12、75倍的強(qiáng)度設(shè)計值，且應(yīng)滿足穩(wěn)定的要求。其中fck為混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。承載能力的影響因素施工方法的影響采用彈性分析方法計算截面承載能力時，需要考慮不同施工方法對承載能力的影響，可采用應(yīng)力疊加原則將各階段的應(yīng)力值進(jìn)行疊加,并將最終獲得的應(yīng)力值作為控制目標(biāo)。與彈性分析方法相比，塑性分析方法計算的截面極限承載能力與施工方法無關(guān)。值得注意的是，雖然施工方法不會對極限承載能力產(chǎn)生影響，但會對組合梁的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。組合梁的施工方法主要有：無支架施工、有支架施工和有支架且鋼梁預(yù)壓存在預(yù)拱度施工三種。不同的施工方法會影響到組合梁的受力狀態(tài)。圖2給出了采用不同施工方法時，簡支組合梁跨中彎矩與曲率的關(guān)系

13、。從圖中可以看出，施工方法對組合梁的塑性抗彎強(qiáng)度沒有影響，但會影響組合梁的變形以及進(jìn)入塑性狀態(tài)的時間。1設(shè)置臨時支撐情況設(shè)置臨時支撐的施工方法，當(dāng)混凝土橋面板硬化后拆除臨時支撐,組合梁始終是以組合截面的形式共同受力。組合截面能承受的塑性極 /12 /12限彎矩能達(dá)到Mp1，對應(yīng)的曲率為K1；從M-K曲線中可以看出，曲率從0增長到曲率K1開始階段，M-K的變化規(guī)律呈線性關(guān)系，斜率為M-K；隨著K的進(jìn)一步增大，混凝土橋面板和鋼梁相繼進(jìn)入塑性狀態(tài)，M-k的變化規(guī)律表現(xiàn)為非線性，且斜率逐漸減小至0,最終達(dá)到塑性極限彎矩Mpl。2不設(shè)置臨時支撐情況當(dāng)不采用臨時支撐施工時，鋼-混凝土組合梁的受力分兩個階段

14、。施工階段時，由鋼梁單獨(dú)承受荷載，包括鋼梁及其連接系的重力、混凝土橋面板的重力、施工荷載等。施工完成后，施工荷載卸載，僅作用有鋼梁和混凝土橋面板的重力，此時彎矩為Mgl,鋼梁（尚未形成組合梁）的曲率為k21,該變形單獨(dú)由鋼梁產(chǎn)生，即斜率為Esls；使用階段時，混凝土橋面板已經(jīng)硬化，形成組合截面共同受力，組合截面能承受的塑性極限彎矩能達(dá)到Mpl,對應(yīng)的曲率為k22；從曲率k21增長到k22的開始過程，M-k的變化規(guī)律呈線性關(guān)系，斜率為E0I0；隨著k的進(jìn)一步增大，混凝土橋面板和鋼梁相繼進(jìn)入塑性狀態(tài)M-k的變化規(guī)律表現(xiàn)為非線性，且斜率逐漸減小至0,最終達(dá)到塑性極限彎矩Mpl。3設(shè)預(yù)拱度且有臨時支撐

15、對于設(shè)置預(yù)拱度且有臨時支撐的施工情況，澆筑混凝土橋面板前,鋼梁產(chǎn)生反拱已具有一定的變形，此時鋼梁單獨(dú)受力，如圖2所示。Mp為鋼梁反拱引起的彎矩對應(yīng)的曲率為負(fù)值k31。隨著混凝土橋面板的硬化后拆除臨時支撐，組合截面共同受力，在受力的開始階段M-k的變化規(guī)律呈線性關(guān)系，斜率為EOIO。隨著荷載提高，曲率的進(jìn)一步增加，組合梁達(dá)到塑性極限承載能力狀態(tài)，此時塑性極限彎矩能達(dá)到Mp1，對應(yīng)的曲率為k32。M無支架施工轎翹雜蠱製預(yù)拱支架施工有支架施工圖2不同施工方法對組合梁受力狀態(tài)的影響連接度的影響當(dāng)鋼-混凝土組合梁實(shí)際配置的連接件能夠抵抗控制截面達(dá)到全塑性極限狀態(tài)時所產(chǎn)生的縱向剪力，即實(shí)際配置的連接件數(shù)目

16、n大于等于保證最大彎矩截面塑性抗彎能力充分發(fā)揮所需要的連接件數(shù)目時，該組合梁的連接稱為完全抗剪連接。反之，當(dāng)鋼-混凝土組合梁實(shí)際配置的連接件較少，不能夠抵抗控制截面達(dá)到全塑性極限狀態(tài)時所產(chǎn)生的縱向剪力，即實(shí)際配置的連接件數(shù)目n小于保證控制截面塑性抗彎能力充分發(fā)揮所需要的連接件數(shù)目時，該組合梁的連接稱為部分抗剪連接。試驗和分析表明，極限抗彎承載力隨抗剪連接程度的降低而減小。連接度對組合梁抗彎承載能力的影響如圖3所示。當(dāng)連接度=0時，組合梁極限抗彎承載力的下限即為鋼梁的塑性極限彎矩；當(dāng)連接度𗸝時，即為完全抗剪連接，組合梁極限抗彎承載能力為組合斷面的塑性極限彎矩。圖3連接度對組合梁抗彎承

17、載能力的影響彎剪的相互影響在彎矩和剪力的共同作用下，剪力對組合梁的受彎承載力有不利的影響。對于均布荷載作用下的簡支組合梁而言，最大彎矩與最大剪力并不在同一截面，在支座截面彎矩為零而剪力最大，在跨中截面剪力為零而彎矩最大。因此，均布作用下的簡支組合梁可以不考慮彎剪相互影響問題。對于集中力作用下的簡支組合梁，緊貼集中力作用點(diǎn)一側(cè)的截面內(nèi)彎矩與剪力同時最大，需要考慮彎剪相互影響。對于連續(xù)組合梁，在支座截面內(nèi)負(fù)彎矩與剪力同時為最大，在緊貼第一內(nèi)支座外側(cè)的截面內(nèi)，剪力比同樣情況的簡支梁的支座剪力還大（均布荷載作用時大約大20%），需要考慮彎剪的相互影響。歐洲規(guī)范4在考慮彎剪的相互影響時，是以歐洲規(guī)范3的彎剪相關(guān)曲線為基礎(chǔ)的。如果豎向剪力的設(shè)計值不大于0.5倍的豎向抗剪承載力，則豎向剪力對抗彎承載力的不利影響可以忽略。若豎向剪力的設(shè)計值等于豎向抗剪承