组合梁的发展

组合梁的发展以钢－混凝土组合梁为基本构件的钢－混凝土组合结构，兼有钢结构和钢筋混凝土结构的优点，并且能够发挥刚才的抗拉强度高、混凝土抗压强度高的材料特性。因此，钢－混凝土组合结构是一种较为理想的新型结构体系。钢－混凝土组合梁从开始出现到现在，其应用范围不断扩大：从桥梁结构上的大跨桥面梁、工业建筑上的重荷载平台梁和吊车梁，到要求所用梁截面高度小、自重轻的民用建筑中的组合楼层，都有广泛的应用，它的应用大致可以分为四个阶段：（1）钢－混凝土组合梁大约出现于20世纪20年代，随后，在30年代中期出现了在钢梁和混凝土板之间加入各种各样连接件的构造方法。（2）从20世纪40年代到60年代可认为是组合梁发展的第二阶段。这一阶段，对组合梁开始深入、细致的实验研究。许多技术先进的国家都制定了有关组合梁设计的规范或者规程。最早的组合梁设计的规范或者规程大多针对桥梁结构：美国颁布于1944年，德国颁布于1945年，日本制定于1959年。各国应用和研究钢－混凝土组合梁几乎都是从桥梁结构开始的。（3）从20世纪60年代到80年代可认为是组合梁发展的第三阶段。本阶段在总结以前研究和应用成果的基础上，进一步改进了有关组合梁的设计规发和规程。60年代开始，结合梁的设计理论逐步从弹性的转化为塑性。（4）从20世纪80年代初至今，为组合结构应用和发展的第四阶段。进入80年代，相继出现了预制装配式钢－混凝土组合梁、预应力钢－混凝土组合梁和用压型钢板作为楼层混凝土板底模的组合梁等多种形式的组合梁。组合梁的受力性能研究概况最早对组合梁进行研究的是加拿大Gillespie等人，于1922年对组合梁进行了实验工作。英国学者E.S.Andreus首次提出了给予弹性理论的换算截面法，这标志着对钢－混凝土组合梁开始进行了定量化的研究。但是由于换算截面法没有考虑钢与混凝土交界面相对滑移的影响，后来一些学者提出了考虑钢与混凝土交界面相对滑移的分析法。1951年美国的N.M.Newmark等人提出了求解组合梁交界面剪力的微分方程解法。这种方法假设材料均为弹性、剪力连接件的“荷载－滑移”关系为线性关系，通过求解微分方程，最终求出挠曲线。之后，英国R.P.Johnson和L.C.P.Yam都从不同的角度出发导出类似的微分方程。根据钢为弹性材料、混凝土为非线性材料的世纪特点，R.I.Malamery等人提出了计算部分剪力连接组合梁的非线性简化迭代法，次法考虑了滑移和掀起的影响，给出了表示位移函数的基本平衡以及协调方程。国内外对部分剪力连接组合梁的研究表明：当连接件的数量达到完全剪力连接时，连接件的数量的增加对钢－混凝土组合梁极限强度几乎没有影响；当连接件的数量少到一定程度以后，钢－混凝土组合梁的极限强度开始降低，直到最后只有钢梁本身的承载能力。1965年R.G.Slutter与G.C.Driscoll建立了部分剪力连接的极限强度理论。1975年R.P.Johnson根据前人的研究提出了简化的分析方法，认为部分剪力连接的极限抗弯强度是根据完全剪力连接和纯钢梁的极限抗弯强度按连接件数进行线性插值而确定的。1978年以来，原郑州工学院、清华大学、原哈尔滨建筑工程学院、山西省电力勘测设计院和华北电力设计院等单位对采用栓钉剪力连接件的钢－混凝土结合梁进行了深入的试验研究和理论分析，包括抗剪承载力、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结合梁截面刚度和抗弯强度的简化实用计算公式。由于连接件是应用和研究中首先需要解决的课题，郑州工业大学先后对槽钢连接件、栓钉连接件进行了试验研究，对《钢结构设计规范》中的栓钉连接件的抗剪承载力计算公式提出了修正意见；哈尔滨建筑大学等单位对弯筋连接件进行了理论分析以及推出试验，发现弯筋处于拉－剪复杂受力状态，钢梁和混凝土板之间的摩擦作用不能忽略，其承载力超过钢筋的极限抗拉强度。接着，又对压型钢板组合梁的栓钉连接件进行了研究，发现了压型钢板组合梁栓钉连接问题实质上为混凝土肋参与工作时，肋与栓钉构成的整体受力问题，并对国际通用的计算公式进行了评论和验证；清华大学也对剪力连接件在组合梁中的实际承载力进行了深入的试验研究及理论分析，给出了《钢－混凝土组合结构设计规程》（1997修订稿）有关公式的修正。“规程”根据新的科研成果和工程应用经验，对钢－混凝土结合梁结构的技术内容作了如下：(1)修订了栓钉抗剪连接件抗剪承载力的限值；(2)考虑滑移效应对刚度的折减，修订了组合梁变形验算的原则；(3)增加了连续组合梁中间支座弯矩的调幅限值；(4)增加了连续组合梁中跨梁的一般变形计算公式；(5)增加了对栓钉的材质要求。工程中大部分组合梁在荷载作用下都存在程度不同的滑移。1950年，N.M.Newmark等人分析了部分剪力连接件组合梁的滑移和荷载的关系，并给出了滑移沿梁长的分布图。1964年J.C.Chapmann和S.B.Richnan在诸多假定的基础上，给出了滑移的计算式。20实际80年代，郑州工业大学也对滑移进行了进一步研究，找出了影响滑移的主要因素。国内外一些学者曾提出了考虑滑移效应的挠曲线微分方程，但是公式复杂，不便于应用。清华大学聂建国等在对滑移效应进行了试验及理论分析后指出：滑移效应不能忽视，它会引起曲率、挠度和转角增大，弹性抗弯强度低，用未考虑滑移效应的换算截面法计算组合梁的变形值比试验值偏小，后提出了用折减刚度法计算组合梁的变形，精度高，公式简单，实用性强。M.A.Bradford在研究了徐变和收缩对组合梁的影响规律后，编制了分析程序，并计算了六个截面的持时挠度变形。R.Lawther曾采用“徐变率法”分析了组合梁的挠度滑移，精度较高。1994年，L.Dezi等人研究了收缩对部分剪力连接件组合梁的变形及受力影响，给出了有关的计算公式。随着有限元理论的发展，有限元被用于钢－混凝土组合梁的研究。1988年，南京工学院施耀忠提出采用偏心板单元计算组合梁问题。1997年，清华大学余洲亮采用八节点等参单元及六节点界面单元，将荷载－滑移关系假定为二折线弹塑性模型，对钢－混凝土组合梁在低周期反复荷载作用下的工作性能进行了电算，结果较为满意。美国的W.C.Mccartgthy和国内朱聘儒等人均做了这方面的尝试，但他们采用了线性应力－应变关系和小变形的假定，与组合梁的非线性应力－应变关系不相符合，因此结果不理想。