鋼混凝土合成梁，是指利用鋼材和混凝土材料的物理和力學性能特點，取長補短，組合兩種材料形成的橋樑結構。
基本介紹
- 中文名：鋼混凝土合成梁
- 外文名：Steel concrete composite beam
- 定義：鋼材和混凝土材料組合形成的橋樑
- 時間：20世紀初期
- 套用：橋樑工程
- 學科：土木工程
概述,套用類型,普通工字鋼組合梁,箱形組合梁,蜂窩式組合梁,銅桁架式組合梁,基本設計規定,特點,
概述
鋼混凝土合成梁，是指利用鋼材和混凝土材料的物理和力學性能特點，取長補短，組合兩種材料形成的橋樑結構。一般認為，組合結構最早產生於20世紀初期，當時主要出於提高鋼樑抗火的需要，在其外側包裹混凝土形成型鋼混凝土梁。20世紀50年代前後，歐美及日本的研究者分別提出了不同形式的鋼混凝土組合結構，並開始發展研究組合結構橋樑，隨之陸續制定了一些組合結構的設計指南或規範，如1959年，日本制定了關於公路橋的組合梁設計施工規範。
20世紀60年代，由於第二次世界大戰後大量的橋樑重建，對建築原材料的巨大需求導致鋼材短缺，又由於組合結構橋樑可以充分發揮兩種材料各自的優勢從而大幅節約鋼材、施工方便快捷及結構整體性能良好等優點，而廣泛套用於中小跨徑橋樑中。隨後的幾十年內，隨著組合結構基礎理論研究及試驗的深入開展，一些新的設計思想方法及施工工藝也逐步出現和發展，組合結構橋樑基本設計理論及方法逐步發展完善，歐美及日本的主要國家均制定了較為完善的組合結構橋樑設計施工相關規範，為推動組合結構橋樑的進一步發展和套用，奠定了良好的理論基礎。
目前，組合結構橋樑在歐美及日本等已開發國家的橋樑工程領域套用較為廣泛。在組合梁橋方面，德國於20世紀80年代前後，分別建造了大跨度的維拉（Werra）河谷公路及鐵路橋、Neuotting橋等，其跨度均在100m及以上。在組合梁斜拉橋方面，最具開創性意義的方案為德國著名橋樑專家萊昂哈特於1982年為美國日照橋（Sunshine Skyway）提出的主跨366m組合梁斜拉橋方案，在該橋方案中萊昂哈特教授首次提出採用密索體系以降低主梁高度、採用開口斷面、預製混凝土橋面板等設計思想，為現代組合梁斜拉橋設計奠定了基礎；該方案雖然最終未能在美國日照橋中獲得實施，但設計思想被之後的英國新港橋（主跨152m）、加拿大安納西斯橋（主跨465m）、中國上海南浦大橋（主跨423m）等多座大跨斜拉橋採用。
近20年來，組合結構橋樑在我國取得快速發展。由於施工速度快、施工成本低且橋面具有良好的整體性，組合梁橋於20世紀90年代開始逐步套用於城市橋樑及跨線橋樑中。在組合梁斜拉橋方面，1991年我國建成第一座鋼．混凝土組合梁斜拉橋——上海南浦大橋，該橋主跨423m，採用與萊昂哈特教授美國日照橋方案相近的開口斷面主梁截面形式；隨後，上海楊浦大橋（主跨602m）、福建青州閩江大橋（主跨605m）、重慶觀音岩長江大橋（主跨436m）等相繼落成，這些大橋均採用與上海楊浦大橋相似的結構形式，其跨度已位列世界同類型橋樑之最。
套用類型
鋼與混凝土組合梁適用於橋樑結構、樓蓋結構或平台結構，其套用類型如下。
普通工字鋼組合梁
普通工字鋼組合梁具有以下幾種形式：①工字鋼；②工字鋼下翼緣再焊接一塊鋼板，用以增大抗拉強度、加大下翼緣，而形成的焊接工字鋼；③將上翼緣伸入混凝土板中，而不需要抗剪連線件的工字鋼。普通工字鋼組合粱主要用於樓蓋、平台結構中，其上部混凝土板可採用現澆混凝土板、預製混凝土板、疊合混凝土板。
1.現澆混凝土板：整體性好，布置靈活，能滿足各種建築平面形狀的布置要求，但現澆混凝土板需要現場支模，濕作業工作量大，適用於樓蓋結構或平台結構。
2.預製混凝土板：可減少現場混凝土的濕作業工作量，施工快，但要求預製混凝土板端在有栓釘處預留槽口，後澆築槽口與板縫。這是保證混凝土板和鋼樑共同工作的關鍵，其澆築質量區接影響到混凝土板和鋼樑的整體工作性能。預製混凝土板組合粱的整體性差，傳遞水平力的能力差，現已很少採用。
3.疊合混凝土板：構造簡單，施工方便，受力性能好。預製混凝土板在施工階段作為模板，在使用階段則作為組合梁混凝土翼板的一部分參與受力，可用於非抗震區的樓蓋。
在鋼結構建築中常採用壓型鋼板組合樓層。壓型鋼板可作為板中配筋承重，也可作為永久性模板不參與承重，適用於多高層鋼結構樓蓋結構。
箱形組合梁
箱形組合梁主要用於公路及鐵路橋樑，美國於1968年建成了跨度為80m的公路大橋
蜂窩式組合梁
蜂窩式組合梁用於跨度較大、荷載較小的多層建築，為提高型鋼樑的高度，將工字鋼的腹板縱向切割成鋸齒形的兩半，然後錯開，將凸出部分對頭焊接，形成了腹板有六角形開孔的蜂窩式梁。與頂部混凝土板組合成整體後，其較單一的鋼蜂窩梁增加了梁的強度和剛度。
銅桁架式組合梁
鋼桁架式組合梁由鋼筋混凝土板與普通鋼桁架或輕鋼桁架組成。桁架的上弦節點板或桁架上弦桿向上伸入到混凝土板中，作為桁架和混凝土板之間的連線件，形成組合結構，以減小上弦桿件的截面尺寸。
前蘇聯設計的鋼桁架式組合梁，鋼桁架採用跨度為30m和36m，與跨度為6～12m的RC板組合上弦桿節省鋼材30%～40%，全桁架節省鋼材15%，上弦桿上每隔0.1～1m焊接一個角鋼連線件，考慮RC板的連續性可減小質量20%～30%（板）（取消了上弦桿，RC板為上弦桿）。
基本設計規定
（1）組合梁的設計應符合現行極限狀態設計原則，考慮荷載作用的基本組合、短期效應組合和準永久組合，分別考慮施工階段和使用階段兩種工況。其承載力（強度和連線）極限狀態設計一般採用塑性設計方法，正常使用（撓度）極限狀態設計則採用考慮組合梁滑移的彈性設計方法，還應按現行國家標準《混凝土結構設計規範》（GB 50010）的規定驗算負彎矩區段混凝土的最大裂縫寬度
。在組合梁的承載力、撓度和裂縫計算中，可不考慮板托截面。
（2）組合梁混凝土翼板的有效寬度
應按式確定：
式中，
——板托頂部的寬度，當板托傾角
，時，應按計算板托頂部的寬度；當無板托時，則取鋼樑上翼緣的寬度；
（3）組合梁施工時，若鋼樑下無臨時支承，則混凝土硬結前的材料重量和施工荷載應由鋼樑承受，鋼樑應計算其強度、穩定性和變形。施工完成後的使用階段，組合梁承受的續加荷載產生的變形應與施工階段鋼樑的變形相疊加。
（4）在強度（承載力）和變形滿足的條件下，組合梁交界面上抗剪連線件的縱向水平抗剪能力不能保證最大正彎矩截面上抗彎承載力充分發揮時可以按照部分抗剪連線進行設計。用壓型鋼板做混凝土底模的組合梁，宜按照部分抗剪連線組合梁設計。部分抗剪連線只能用於跨度不超過20m的等截面組合梁。
（5）當考慮全截麵塑性發展進行組合梁的強度（承載力）計算時，鋼樑鋼材的強度設計值廠應按相關規定採用，當組成板件的厚度不同時，可統一取用較厚板件的強度設計值。組合梁負彎矩區段所配負彎矩鋼筋的強度設計值按現行國家標準《混凝土結構設計規範》（GB 50010）的有關規定採用。連續組合梁採用彈性分析方法計算內力時，考慮塑性發展的內力調幅係數不宜超過15%。
組合梁中鋼樑的受壓區，其板件的寬厚比應滿足《鋼結構設計規範》（GB 50017）的要求。
特點
與鋼樑和混凝土梁相比，組合梁具有以下主要優點。
②組合梁承受正彎矩時，混凝土處於受壓區，鋼樑主要處於受拉區，兩種材料的強度能得到充分發揮，受力合理，節約材料。
③處於受壓區的鋼筋混凝土板剛度較大，對避免鋼樑的整體和局部失穩有明顯的作用，使鋼樑用於防止失穩方面的材料大大節省。
④與鋼樑相比，組合梁用於吊車梁及橋樑等結構時，抗疲勞睦能及抗衝擊性能有所改善。
由於考慮組合作用，鋼樑上必須焊接一定數量的抗剪連線件，不僅消耗一部分鋼材，也增加了許多焊接工作量。然而，進行栓焊的專用機具使焊接工作變得較為簡單，因而組合梁在國內外也越來越廣泛地被採用。
