王　勇　（安徽省第一建筑工程有限公司，安徽　合肥　230031）

混凝土翼缘板及板托对组合梁抗剪能力的影响

王勇（安徽省第一建筑工程有限公司，安徽合肥230031）

抗剪能力是组合梁很主要的一个力学性能，现行有关组合结构的设计规范和教材中往往只考虑钢梁腹板的抗剪作用，忽略了混凝土翼缘的作用，得出的计算公式虽然简便但是无形中安全储备过大，使得钢梁的设计强度远大于所需的强度。通过分析所做的组合梁抗剪试验，并对比分析两种通过试验拟合得出的计算公式，得出组合梁的抗剪承载力为各国规范计算值的1.06～2.88倍，为同剪跨比纯钢梁的1.26～1.72倍

钢混凝土组合梁；组合抗剪性能；混凝土翼板；托板；剪跨比

1　概述

依据当今我国的经济发展水平，尤其是在抗震设防地区，型钢混凝土组合结构在众多结构形式中具有很强的竞争力，在多、高层建筑的各种结构体系中可以全部采用型钢混凝土组合结构构件，混凝土和钢材共同作用，发挥他们各自的特点，但是两种材料的性质差别很大，所以采用何种计算方法计算一直是我们不断探讨的问题。在早期的钢混组合结构的承载力设计中一直以弹性理论为基础，但是混凝土属于弹塑性材料，而钢材是理想的弹性-塑性材料。因此弹性分析方法仅仅用来计算使用阶段的组合截面应力及刚度时才是可信的，在决定构件的承载力方面，由于未曾考虑塑性变形发展带来的强度潜力，计算结果偏于保守，而且也不符合实际情况，所以我们按照塑性理论计算组合梁的抗剪承载力。

2　公式分析

2.1抗剪承载力通用公式

根据规范计算受剪承载力时一般都做如下要求：假定组合梁截面上的全部剪力仅由钢梁腹板承受，也就是忽略了上部混凝土翼缘板及板托对抗剪承载力的影响，在考虑塑性承载力时，截面的抗剪承载力按下面公式计算。

式中fy为钢材的屈服强度。

2.2翼缘板和板托分析

混凝土板一般不计算斜截面抗剪，原因是板件的受弯破坏往往先于剪切破坏，但在组合梁中，由于计算截面形式与混凝土梯形梁相似，故与钢梁的组合混凝土翼板可发挥一定的抗剪作用。

粗略估计翼缘板的抗剪能力：如图所示的混凝土翼缘板和板托将板托的面积与翼缘板合并，计算该构件能承受的最大剪力。

换算截面高度为h=80+20=100

斜截面受剪承载力：Vu=0.7βhftbho=0.7×1.1×1300× 80=80.1kN

这一数值只是粗略的计算只有混凝土参与抗剪的抗剪能力增加值，没有考虑协同工作，当考虑协同工作时这一值还会有提高，但是这样至少说明了组合梁的抗剪能力绝对远远不只现行规范这么低，它的提高程度还是很可观的，但是在现行规范中忽略了这一部分的承载力而仅仅作为结构的安全度储备考虑，因此提出更合理的抗剪承载力公式很具有研究意义。

3　组合梁翼板研究进展

3.1试验基础

通过对16根密实截面钢-混凝土组合梁的组合抗剪性能进行试验研究，组合梁抗剪承载力试验结果与现行有关规范及纯钢梁抗剪承载力进行比较，得出组合梁的抗剪承载力为各国规范计算值的1.06～2.88倍，为同剪跨比纯钢梁的1.26～1.72倍 （当剪跨比为1.0和2.0时）。利用弹塑性理论的数值方法，根据对2根纯钢梁的应力分析验证，得出如下的结论：当剪跨比为1.0和2.0时，组合梁腹板的复合应力状态仅进入流动状态；当剪跨比为3.0和4.0时，组合梁腹板的复合应力状态为刚进入屈服状态或未进入屈服状态。这样就可以计算出钢梁所承担的剪力，从而证明组合梁的抗剪能力大于腹板的抗剪能力是由于组合梁的混凝土翼板承担了部分剪力，即由于组合梁的组合抗剪作用所致，并非由于腹板的强化所致。由此可见，翼板对组合梁抗剪承载力有明显的贡献。

3.2公式拟合

上述试验表明组合梁的破坏形态不仅仅与组合梁的剪跨比有关，而且与钢梁的剪跨比有关。承载力提高的幅度比较大，可以不仅仅作为安全储备而列入公式考虑。

所以抗剪承载力可以加上一项：Vs≤twhwfv+V′

V′计算可以分为两个部分：无剪力连接的组合梁竖向抗剪强度和剪力连接程度对抗剪强度的影响。

3.2.1无剪力连接的组合梁竖向抗剪强度

通过改变组合梁混凝土翼板截面尺寸得出一组抗剪强度，与规范的公式进行比较，得出的结论是：混凝土翼板的抗剪作用显著，即使不考虑组合作用，组合梁的抗剪强度也远大于钢梁自身的抗剪能力；组合梁的抗剪强度随混凝土板厚度的增加而增大，但不随混凝土板宽度单调增加，在某一区间内，可能会出现bc增大，而组合梁抗剪承载力略减小的情况。这种现象可部分解释为：混凝土板宽增加，一方面确实增加了混凝土的有效抗剪面积，但另一方面也增加了混凝土翼板的横向外伸长度，横向弯矩增大，甚至会出现混凝土板横向弯曲破坏的情况。这两种作用相互影响，使组合梁抗剪强度与混凝土板宽的关系变得不明确起来。关于混凝土板横向弯矩与组合梁竖向抗剪强度的关系还有待进一步研究。

以有限元结果为基础，对无剪力连接的组合梁竖向抗剪强度进行了回归分析。组合梁的抗剪作用主要由钢梁和混凝土翼板来提供，因此组合梁的抗剪强度可写成如下形式。

式中：Vc为混凝土翼板的抗剪贡献；λc为混凝土翼板的剪跨比。

3.2.2剪力连接程度对抗剪强度的影响

钢梁和混凝土翼板通过栓钉连接件连成整体共同工作，剪力连接程度的提高不仅有利于发挥组合梁的抗弯性能，而且有利于提高组合梁的抗剪性能。为了反映剪力连接程度对组合梁抗剪能力的增大作用，在第二部分对于有抗剪连接件的构件，为了确定剪力连接程度r的影响，笔者又做了一组试验分别改变r的值来分析承载力的变化，最后也回归分析出一个公式

剪力连接程度r的定义：r=nr/nf

式中：nr为完全剪力连接设计需要的剪力连接件数量；nf为实际配置的剪力连接件数量。

当完全刚性连接时组合梁在无剪力连接的基础上又提高了89%，这说明在正弯矩区段，组合梁抗剪承载力相对于钢梁腹板抗剪名义值的提高，不仅来源于混凝土翼板的抗剪作用，组合作用的贡献也很显著。

4　不同拟合公式的比较

可以看到文献［2］的两种公式计算式比较复杂，参考文献［3］中提出了另外的不同的两个式子。

对比两组式子我们可以看出文献［2］提出的公式形式比较复杂，而文献［3］提出的公式形式简洁。笔者带入了几组数据进行简单的验算，得出的结论是文献［3］的结果比文献［2］低20%左右，但是笔者认为一个公式的运用不能单独只追求精确，计算的简便也是很重要的，所以采用文献［3］的公式会比较方便，20%的承载力可以作为安全储备，不加以考虑。

5　结　论

①混凝土翼缘板和板托对截面抗剪有一定影响，增加混凝土部分的截面尺寸，可以有效的提高组合梁的竖向抗剪强度。

②增加混凝土翼板截面尺寸，可以有效提高组合梁的竖向抗剪强度，但应注意混凝土板横向弯矩对组合梁竖向抗剪可能产生的不利影响。

③由于混凝土板横向弯矩对组合梁竖向抗剪可能产生不利影响，所以保持截面有效宽度be不变，增加截面高度的方法所产生的横向弯矩不利影响将会较小，但是这样会使楼层的净高降低，于是可以考虑增加板托的截面尺寸（板托的构造要求为：高度不宜超过混凝土翼板厚度的1.5倍，顶面宽度不宜小于板托高度的1.5倍，板托外轮廓线应在连接件根部起的45度角线的界限以外，由此可见板托的截面面积可调整范围比较大）。

④组合梁的组合作用在提高承载力方面也有不容忽视的作用，剪力连接程度的大小对承载力有直接影响，建议采用文献［3］提出的公式。

［1］聂建国，陈林，肖岩.钢-混凝土组合梁正弯矩区截面的组合抗剪性能［J］.清华大学学报（自然科学版），2002（6）.

［2］聂建国，唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度I：受正弯矩作用的组合梁［J］.土木工程学报，2008（3）.

［3］liang Q Q，UyB，Bradford M A，et al.Strength analysis of steel-concrete composite beams in combined bending and shear［J］.J Struct Eng，2005.

［4］林宗凡.钢-混凝土组合结构［M］.上海：同济大学出版社，2004.

［5］聂建国，余志武.钢混凝土组合梁在我国的研究及应用［J］.土木工程学报，1999（2）.

［6］曹阅，王庆利，吴献，等.钢混凝土组合梁抗剪承载力计算［J］.哈尔滨建筑大学学报，1999（3）.

［7］吴振声，李勇，高向东.组合梁负弯矩区截面竖向抗剪强度试验研究［J］.哈尔滨建筑工程学院学报，1993（1）.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0121-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.048

王勇（1971-），男，安徽枞阳人，工程师，国家注册一级建造师。