陈 琦 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

型钢混凝土结构是在钢结构和钢筋混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，具体做法是在钢筋混凝骨架中放置型钢。混凝土、钢筋、型钢一起承受外部负荷，型钢混凝土结构具备钢结构延性好、自重低、截面尺寸小等特点的同时也表现出如钢筋混凝土结构一般的优异承载力和防腐防火性能。

型钢混凝土结构在美国、日本等发达国家起步较早、应用广泛。日本学者早在1967 年就对型钢混凝土节点的破坏形式进行了研究，其主要研究的变量是型钢腹板的厚度和混凝土强度。美国学者对15 个组合结构矩形梁柱节点进行了静力与拟静力试验，结果表明矩形截面的型钢混凝土梁柱节点具有更高的承载能力[1-3]。我国对型钢混凝土结构的研究起步较晚，型钢混凝土组合结构最早是通过引进国外技术和经验进入中国的，主要用于一些特殊工程，如桥梁和高层建筑。随着国内建筑领域的不断发展，中国的工程师和研究人员逐渐积累了型钢混凝土组合结构设计与应用方面的经验，并进行了改进和本土化研究，包括材料性能、构造细节和设计规范的本土化调整。2001 年，我国颁布了《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）[9]，在该规程中，型钢混凝土组合结构被定义为嵌入混凝土并配有一定数量的受力筋或箍筋的独立结构形式。自2016 年起正式实施的《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）被确立为行业标准[10]。21 世纪以来，型钢混凝土组合结构开始在我国建筑领域得到广泛应用。许多高层建筑、大跨度桥梁、地铁站等项目均采用该种结构类型，并取得了显著成就。由于型钢混凝土结构具有增强结构的抗震特性、增加建筑物的可利用空间等特点，因此其成为了结构体系中一个重要的发展方向，符合我国基本建设的国情[4-6]。国内多所大学对型钢混凝土结构体系进行了广泛而深入的试验和理论研究[7-8]。随着中国城市化进程的不断推进和建筑业的快速发展，型钢混凝土组合结构在未来有望继续得到广泛应用。它将在更多领域（包括住宅、商业和工业建筑）中发挥重要作用。

本文将以安徽省池州市某职业技术教育中心新建报告厅项目中的大跨度型钢混凝土梁为例，对型钢混凝土梁的受力分析展开进一步研究。

1 工程概况

本工程为安徽省池州市某职教中心新建的实训基地项目，建筑占地面积1793.37m2，建筑总面积5539.25m2。本工程分为南北两部分，北侧实训楼部分为框架结构，南侧报告厅中间有3 跨大跨度结构，该报告厅的建筑平面布置示意图如图1 所示[11]，根据每个房间建筑功能的不同进行楼面恒、活荷载的设计，梁、墙柱节点及楼面荷载（活荷载）如图2 所示。报告厅中间有3 跨大跨度结构，拟使用型钢混凝土组合结构形式。其中大跨度横梁混凝土部分的截面尺寸为650mm×1300mm，保护层厚度为25mm，拟使用C30 标号的混凝土。梁内部型钢尺寸为H300mm×1000mm×22mm×30mm，材质为Q235 钢，梁的计算跨度为21.8m。纵筋使用直径28mm 的HRB400 钢筋，箍筋和拉筋使用直径8mm 的HRB400 钢筋，间距为300mm，布置方式如图3 所示，截面配筋率约为1.5%。

图1 建筑平面布置示意图（单位：mm）

图2 梁墙柱节点及楼面荷载（活荷载）平面图（单位：kN/m2）

图3 钢筋布置方式（单位：mm）

依据设计要求和型钢混凝土梁的尺寸，抽取其中1 跨型钢混凝土梁建立数值模型，依据有限元分析结果说明设计方案的可行性。此外，为直观展现型钢混凝土组合结构的优越性，下文补充了钢筋混凝土梁与型钢混凝土组合梁的有限元分析结果对比。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文使用ABAQUS 有限元分析软件建立型钢混凝土梁的有限元模型，混凝土及其内置型钢使用C3D8R 实体单元模拟，钢筋使用T3D2 桁架单元模拟。为提高运算速度，混凝土梁网格的近似全局尺寸设为0.2，沿长度方向布置50个单元，累计1344 个单元，型钢与钢筋笼网格的近似全局尺寸设为0.05，累计57984个单元。

模型中，各部件相互作用关系主要有：型钢及钢筋笼内置于混凝土中；实际工程中，拉筋焊接在型钢梁腹板上，因此将拉筋端部与型钢腹板的接触设定为绑定；在梁的两端截面形心位置分别设置参考点，将梁两端整个截面分别与参考点耦合，耦合类型为运动耦合。

荷载及边界条件主要有：在梁两端的参考点位置分别施加完全约束与铰接约束；对整个模型施加重力荷载；同时根据工程概况及楼面荷载（活荷载）平面图，计算得出当型钢混凝土梁上表面承受132kPa 的压强是符合实际工况的。建立的有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

模型中，型钢与钢筋采用双折线模型，密度为7580kg/m3，杨氏模量206GPa，泊松比0.3，屈服应力为235MPa 与370MPa，对应塑性应变分别为0 与0.032。针对混凝土部件，除输入混凝土密度1950kg/m3、杨氏模量2950MPa 与泊松比0.2 等常规参数之外，还引入了混凝土的损伤塑性模型，主要参数为膨胀角38、偏心率0.1、fb0/fc0=1.16、K=0.667、粘性参数1e-5。同时考虑了混凝土压缩与拉伸的损伤，在受压行为栏中输入屈服应力与非弹性应变的关系曲线。子选项压缩损伤中，输入损伤参数与非弹性应变参数，拉伸恢复设定为0，具体数值见表1。按照同样的方式进行拉伸损伤相关参数的设置，压缩复原设定为1[12]，其余数值见表2。

表1 混凝土压缩损伤行为的参数设置

表2 混凝土拉伸损伤行为的参数设置

2.2 分析结果

图5是型钢混凝土梁在该设计要求下的位移云图，由图可知，当楼面荷载、活荷载以及梁自重施加在模型上时，梁的最大挠度仅为30mm，梁底部跨中位置的挠度最大，但其值远低于《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中l0/300 的要求。按照已有的型钢梁截面尺寸、配筋方案进行组合结构的设计完全合理，能够满足建筑的使用要求。

图5 型钢混凝土梁位移云图（单位：m）

图6（a）、图6（b）分别为梁的内部型钢与钢筋笼的应力云图，由图可知，钢筋与型钢承受的最大应力分别为240MPa、180MPa，位置处于梁固定端端上表面处，型钢与钢筋笼仍处于安全工作状态。为直观反映型钢与钢筋的受力情况，输出其等效塑性应变云图如图6（c）所示，等效塑性应变可直观反映各部件是否屈服、是否已产生塑性变形。由图可知，最大塑性应变仅为5.1e-5，型钢梁及钢筋基本无塑性变形，型钢及钢筋仍处于弹性变形阶段，整个结构受力合理，基本无损伤风险。

图6 内部型钢与钢筋应力应变云图

为反映型钢混凝土梁外部混凝土的损伤情况，将混凝土的受拉损伤与受压损伤云图导出，如图7、图8 所示。损伤因子可用于表征材料的损伤程度，其值介于0与1之间，0表示结构无损伤，1表示结构完全损伤。由图可知，混凝土受拉有损伤，损伤因子最大为0.91，损伤位置发生在固定约束端上部混凝土处，损伤位置不大；梁跨中混凝土下部也有损伤，虽区域较广，但观察梁跨中位置横截面的损伤云图可以发现，混凝土仅有局部损伤，而且结合混凝土抗压承载能力远超其抗拉承载能力的受力特点，可以判断出该损伤对结构承载力的影响十分有限。

图7 混凝土拉伸损伤云图

图8 混凝土压缩损伤云图

混凝土受压有极其轻微的损伤，损伤因子最大为0.06，损伤程度极小。损伤云图及梁跨中位置横截面的损伤云图如图8所示。

在前文的有限元计算中，未必能直观地感受到型钢混凝土组合结构的优越性，因此补充了关于钢筋混凝土梁的有限元分析结果。取出型钢保持其他参数不变，钢筋混凝土梁在该荷载条件下会破坏导致计算中断。故在原混凝土梁尺寸及内部配筋不变、约束不变的情况下，分别计算仅受重力荷载时，采用型钢混凝土和钢筋混凝土两种结构形式的梁的受力与变形情况，对比结果如图9所示。

图9 型钢梁与混凝土梁计算结果对比

由图可知，型钢混凝土梁内部型钢能有效地提高结构的承载能力，减小结构变形；型钢混凝土结构受力更加合理，型钢的存在可极大程度地降低结构内部钢筋所受应力，杜绝纵筋被拉断的风险。

3 结论

本文基于安徽池州某报告厅项目，使用ABAQUS 通用有限元分析软件建立21.8m的型钢混凝土梁有限元分析模型，分析了在原定设计方案下型钢混凝土梁的受力与变形情况，得出以下三个结论。

①报告厅设计项目中，使用型钢混凝土梁作为21.8m 的大跨度梁是合理的，该尺寸下的型钢混凝土梁内部钢筋型钢无塑性变形，外部混凝土有部分会产生拉伸损伤，但并不影响结构安全，梁的最大挠度仅为30mm，完全符合规范要求。

②和普通的钢筋混凝土梁相比，型钢混凝土梁具备更高的结构抗弯承载能力，尤其适用于大跨度梁的设计与建造。

③在设计型钢混凝土梁时，除跨中位置需关注外，梁柱节点处的约束方式也同样值得深入研究。本文梁端的约束方式为一端固定、一端铰接，梁固定端受力特征是符合圣维南原理的，梁端局部受力较大，在设计时要充分考虑。