型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算理论的对比分析_邵永健

西安建筑科技大学学报(自然科学版)J.Xi’anUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)

Vol.38　No.3Jun.2006

型钢混凝土梁正截面受弯承载力

计算理论的对比分析

邵永健

1,2

,赵鸿铁

1

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.苏州科技学院土木工程系,江苏苏州215011)摘　要:文章在介绍型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算理论的基础上,阐述了我国两部型钢混凝土结构设计规程中有关型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算理论,并结合型钢混凝土梁正截面受弯承载力的试验数据和工程实例对两部规程中的型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算方法和计算结果进行了对比分析.基于对比分析结果,提出了工程应用时两部规程的选用原则及其适用范围.在两部规程没有按现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)的要求进行修订之前,基于该统一标准对结构可靠度的要求,提出了现阶段使用两部规程时的具体措施.

关键词:型钢混凝土梁;设计规程;受弯承载力;计算理论

中图分类号:TU398　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1006-7930(2006)03-0374-04　

*

型钢混凝土结构(SRC)与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结作用远小于钢筋(尤其是变形钢筋)与混凝土的粘结作用.国内外的试验研究表明,型钢与混凝土的粘结作用大约只相当于光圆钢筋与混凝土的粘结作用的45%.因此在型钢混凝土结构中,粘结滑移的存在将直接影响到构件的承载能力、破坏形态等力学性能.而正是由于对型钢与混凝土间粘结滑移的不同的考虑,形成了目前型钢混凝土结构计算的三种主要理论:一是基于钢结构的计算方法,并考虑外围混凝土的作用;二是基于钢筋混凝土结构的计算方法,认为型钢和混凝土是共同工作的;三是认为型钢混凝土结构的承载力是型钢部分的承载力和钢筋混凝土部分的承载力的叠加.各国的型钢混凝土结构规范由于采用的计算理论不同而存在着较大的差异.

日本规范《鉄骨鉄筋コンクリート構造計算規準 同解説》(AIJ-SRC)是在不考虑型钢与混凝土粘结的基础上,以强度叠加作为理论基础.计算结果偏于保守.

前苏联规范《劲性钢筋混凝土结构设计指南》(СИ3-78).认为,型钢与混凝土完全协同工作,因此采用基于钢筋混凝土结构的设计方法,计算结果偏于不安全.

美国在混凝土结构设计规范(ACI规范)将型钢视为等值钢筋,然后采用基于钢筋混凝土结构的计算方法进行设计计算.而AISC-LRFD规范[2]则根据型钢混凝土结构的试验结果,将钢筋混凝土转换为等值型钢后,采用基于钢结构的计算方法.

欧洲国家关于SRC结构的计算大多是在试验研究的基础上,然后应用数值计算拟合试验结果得出计算公式.EUROCODE4中关于组合柱简易设计方法的计算公式就是这样建立的.

[3]

[1]

1　我国两部规程采用的计算理论

我国从20世纪80年代开始对型钢混凝土结构进行了较为系统的研究,并应用于工程实践.1998

[4]年冶金工业部颁布了国内第一部型钢混凝土结构行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082-97)

(以下简称《钢骨规程》);2002年建设部颁布了国内第二部型钢混凝土结构行业标准《型钢混凝土组合

*收稿日期:2006-01-24

基金项目:江苏省建设系统科技计划项目(JS20042)

作者简介:邵永健(1963-),男,浙江湖州人,副教授,博士研究生,主要从事钢筋混凝土结构及组合结构研究.

第3期　　　　邵永健等:型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算理论的对比分析

[5]

375

结构技术规程》(JGJ138-2001)(以下简称《型钢规程》).两部规程的颁布推进了我国工程结构领域的

技术进步与应用.但由于两部规程所采用的计算理论不同,因此在计算公式、计算过程、构造措施和计算结果等方面均有差异.这给工程应用带来一定的困难.本文从两部规程的计算理论入手,通过试验结果和工程实例的对比分析,来说明如何更好地选用规程,供工程技术人员参考.1.1　《钢骨规程》的计算理论

《钢骨规程》采用强度叠加理论.对于型钢为对称配置的SRC梁(图1a),钢骨规程将其分为S部分(钢结构部分)和RC部分(钢筋混凝土结构部分),然后按“钢结构的计算方法”和“混凝土

图1　SRC梁的截面型式

Fig.1　SectiontypeofSRCbeams

结构的计算方法”分别计算S部分和

RC部分的受弯承载力,最后采用简单叠加方法,认为型钢混凝土梁的承载力是型钢和钢筋混凝土两者承载力的叠加,即按式(1)进行叠加.由于计算时忽略了型钢和混凝土之间的粘结作用,因此设计计算简单、工程应用方便,但设计结果偏于保守,容易造成不经济,且不适合于型钢为非对称配置的SRC梁.对于型钢受拉翼缘大于受压翼缘的非对称型钢混凝土梁(图1b),规程在其条文说明中建议将受拉翼缘大于受压翼缘的面积作为受拉钢筋考虑后,按型钢为对称配置的SRC梁计算.对于型钢偏置在受拉区的非对称型钢混凝土梁(图1c、d),规程在其条文说明中建议按钢与混凝土组合梁的设计方法进行计算.

M≤Mby+Mbu

1.2　《型钢规程》的计算理论

《型钢规程》采用基于钢筋混凝土结构的计算理论,采用极限状态设计法设计.该规程的主要依据是我国近20年来的试验研究成果.与钢筋混凝土梁的计算类似,在作了截面应变保持平面等基本假定的基础上,将型钢翼缘视为纵向钢筋的一部分,同时考虑到加载后期粘结滑移的客观存在,取混凝土的极限压应变为0.003,从而建立了型钢混凝土梁正截面受弯承载力的计算公式(2)、(3).可见该规程计算理论的依据充分、考虑因素全面,因此计算结果准确,但计算公式和计算过程较为复杂.

由于该规程主要针对的是抗震设计,因此给出的是充满型对称配置实腹型钢的SRC梁(图1a、b),对于非充满型实腹型钢的SRC梁(图1c、d),规程没有给出计算方法.

M≤fcbx(h0-0.5x)+f′yA′s(h0-a′s)+f′aA′af(h0-a′a)+Maw

fcbx+f′yA′s+f′aA′af-fyAs-faAaf+Naw=0

(2)(3)

ss

rc

(1)

2　与试验结果的对比分析

Y

根据文献[6]提供的试验数据,分别用《型钢规程》和《钢骨规程》计算试验梁的极限承载力MJu、Mu.

计算时,材料强度取实测值,计算得到的极限承载力Mu、Mu,以及两者与试验实测值Mu的比较见表1.表1中Mu、Mu和Mu的单位均为kN m.

5]

表1　两部规程[4-的计算值与试验实测值的对比分析

JY0

JY0

Tab.1Comparativetestdatawiththevalueoftwospecificationsfrocalculation

SouthChina

TestunitsUniversityof

TechnologyNumberofspecimens

SL-1

Xi'anUniv.ofArch.&Tech.

BI-1

SoutheastUniversity

BI-2

BII-1

BII-2

Average---1.087

-1.469

Variationfactor

---0.131-0.176

SR(C)SRC(B)SRC(B)SRC(B)SRC(B)-1-1a-2b-3c-4c

47.18

42.561.10931.291.508

47.3242.561.11231.291.513

75.1863.471.18540.351.863

71.9163.471.13340.351.782

M0102.30149.00uJMu79.28114.560J

Mu/Mu1.2901.301MY60.7792.71u0Y

Mu/Mu1.6831.607

106.30112.60120.00104.10119.12118.53118.83117.570.8920.9501.0100.88594.0494.0493.1593.151.1301.1971.2881.118

376　　　　　　西　安　建　筑　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　　　　　　　　第38卷

0

J

　　分析表1可知,试验实测值Mu与《型钢规程》的计算值Mu的比值的平均值为1.087,变异系数为0.131,可见两者吻合程度较好,离散性较小.试验实测值Mu与《钢骨规程》的计算值Mu的比值的平均值为1.469,变异系数为0.176,可见《钢骨规程》的计算结果较为保守.需要指出的是,若采用《钢骨规

程》6.2.1条的条文说明中的一般叠加法进行计算,其计算结果与《型钢规程》的计算结果较为接近.

0

Y

3　工程实例的对比分析

实例:某框架梁为SRC梁,其截面布置如图2所示,混凝土强度等级为C40,型钢采用Q345钢,纵筋采用HRB335级钢筋,梁截面纵筋的配筋量As=3436mm2(7Υ25),A′s=1964mm2(4Υ25),试计算梁截面的抗弯承载能力Mu.3.1　按《型钢规程》计算

(1)确定材料的强度指标及有关计算参数

由文献[7]和文献[8]分别查得混凝土、钢筋和型钢的强度设计值为:

　　fc=19.1N/mm2,fy=f′y=300N/mm2,fa=f′a=295N/mm2

1、δ2和h0的概念可得:由δ

1h0=2h0=　　δ275mm;δ1225mm

300×1460+13750×295×1237.5=　　h0=3436×1282.59mm

3436×300+13750×295　　δ1=275/1282.59=0.214;δ2=1225/1282.59=0.955(2)求x

由《型钢规程》公式(5.1.2-5)可以得到:　　Naw=[2.5ξ-(δ1+δ2)]twh0fa

=[2.5ξ-(0.214+0.955)]×18×1282.59×295=1.703×10ξ-7.962×10

7

6

(4)

7

6

将式(4)代入《型钢规程》公式(5.1.2-2)可以得到:

　　19.1×700×ξ×1282.59-441600+1.703×10ξ-7.962×10=0由式(5)解得ξ=0.246,所以x=ξh0=315.52mm

(3)判别x的适用条件

　　δ1h0=275mm<1.25x=394.4mm　　　δ2h0=1225mm>1.25x=394.4mm

a+　　x=315.52mm>a′tf=287.5mm

(5)

0.8又因为ξb==0.543　所以x≤ξbh0=696.45mm.可见,x满足所有的适用条件.

fy+fa

1+2×0.003Es(4)求型钢混凝土梁的受弯承载力Mu

由《型钢规程》公式(5.1.2-6)可得Maw=-1484.87kN m将求得的x、Maw代入《型钢规程》公式(5.1.2-1)可得:

yAs(h0-as)+f′aAaf(h0-aa)+　　Mu=fcbx(h0-x/2)+f′′′′′Maw=8129.85kN m

3.2　按《钢骨规程》计算

(1)求型钢部分的受弯承载力Mby

由型钢的截面尺寸可得型钢截面的抵抗矩Wss=1.56×107mm3,将Wss代入《钢骨规程》计算公式(6.2.2-1)得到:Mssby=1.05×1.56×107×295=4832.10kN m

(2)求钢筋混凝土部分的受弯承载力Mbu

由《钢骨规程》计算公式(6.2.3-1)和文献[9]的相关公式可得:Mrcbu=1463.74kN m

(3)求型钢混凝土梁的受弯承载力Mu∶Mu=Mby+Mbu=6295.84kN m比较《型钢规程》和《钢骨规程》的计算过程和计算结果可知:按《型钢规程》计算时,考虑的因素较ss

rc

rc

ss

第3期　　　　邵永健等:型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算理论的对比分析

377

多,计算过程复杂;而按《钢骨规程》计算时,计算简单;《型钢规程》的计算结果为8129.85kN m,而

《钢骨规程》为6295.84kN m,两者相差29.13%,可见两部规程的计算结果差别较大.试验结果的对比分析和工程实例计算结果的对比分析均表明,《型钢规程》的计算结果较为准确,而《钢骨规程》的计算结果相对保守.与试验结果分析时相同,若采用《钢骨规程》6.2.1条的条文说明中的一般叠加法进行计算,其计算结果与《型钢规程》的计算结果也较为接近.

4　结论与建议

5]

首先鉴于两部规程[4-在计算理论、计算过程和计算结果方面的差异,在具体选用时,应根据工程结

构的重要性,按照“安全、经济”的原则进行选择.具体有以下4点建议:

(1)对于安全等级高、重要性大的工程结构或受力复杂的工程结构,建议使用《钢骨规程》来计算,因

为《钢骨规程》的计算结果保守,且偏于安全,有利于保证工程结构的安全性.对于安全等及重要性一般的大部分工程结构,可采用《型钢规程》来计算,因为采用《型钢规程》比采用《钢骨规程》经济.

(2)对于非地震区和一般区,可使用《型钢规程》来设计计算.但对于烈度大于8度的地区或直接承受动力荷载的结构,为安全起见宜采用《钢骨规程》来设计计算.这是由于在地震荷载或动力荷载的往返作用下,型钢与混凝土间的粘结遭到不同程度的破坏,此时梁的工作状态与《钢骨规程》不考虑型钢与混凝土之间的粘结的假定相符.

(3)对于设置了剪力连接件的型钢混凝土梁,宜采用《型钢规程》来计算.因为剪力连接件可有效地保证型钢和混凝土之间的共同工作,尤其是在承载力的后期,这与《型钢规程》中的计算理论相符.(4)对于(1)—(3)中宜采用《型钢规程》来计算的SRC梁,在初步设计阶段,可选用《钢骨规程》来初估截面尺寸和型钢规格等,这可发挥《钢骨规程》计算过程简单的优势.在施工图设计阶段,仍采用《型钢规程》来进行截面设计或强度校核.

其次鉴于《混凝土结构设计规范》和《钢结构设计规范》均进行了相应的修订,并已颁布实施.而目前国内的两部型钢混凝土结构设计规程

[11]

[4-5]

原则上均是与原来的规范

[9-10]

配套使用,这已不能满足《建筑

[12]

结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)的要求.与原来的统一标准订时的原则之一是“可靠度适当提高一点”,具体反映在现行统一标准了原标准

[12]

[11]

相比,现行统一标准

[11]

修

表3.0.11中的可靠指标取消

[11]

“可作不超过±0.25幅度调整”的规定.而且明确现行统一标准表3.0.11中的规定的β

[11]

值是各类材料设计规范应采用的最低值.本文遵照各种结构型式的可靠度应符合现行统一标准的要

5]

求,且应基本一致的原则,在国内两部规程[4-没有按现行统一标准[11]的要求进行修订之前,在使用时,建议采取下列措施:

(1)若应用《钢骨规程》进行设计计算,可按《钢骨规程》规定的计算方法、计算公式和材料强度指标进

10]

行设计计算,即仍然可与原来的规范[9-配套使用.这是因为《钢骨规程》的计算结果偏于保守,可靠度不需

要再提高.若与现行的规范料强度指标应按现行规范

[7-8]

配套使用,这将使可靠度进一步提高,计算结果更加保守,反而不合理.

[7-8]

(2)若应用《型钢规程》进行设计计算,应与现行的规范

[7-8]

配套使用.对于混凝土、钢筋和型钢的材

的规定取值.随着混凝土强度等级的提高,建议《型钢规程》第5.1.2条的

计算公式应引入文献[7]第7.1.3条的系数α1.考虑到型钢混凝土受弯构件中混凝土的极限压应变εcu

cu,因此在设计计算时,宜对《小于钢筋混凝土受弯构件中混凝土的极限压应变ε型钢规程》第5.1.2条

计算公式中的fc乘以0.9的折减系数.采取上述措施后,方可满足现行统一标准

[11]

修订时“可靠度适

当提高一点”的原则,也才能与现行规范[7]正截面受弯承载力计算公式的可靠度趋于一致.参考文献　References

[1]　赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2001.

ZHAOHong-tie.SteelandConcreteCompositeStructures[M].Beijing:SciencePress,2001.

[2]　AISC.LoadandResistanceFactorDesignSpecificationsforStructuralSteelBuildings[S].Chicago,1993.

[3]　EUROCODENo.4,CommonUnifiedRulesforCompositeSteelandConcreteStructures[S].CommissionofEuro-378　　　　　　西　安　建　筑　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　　　　　　　　第38卷

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[4]　YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程[S].北京:冶金工业出版社,1998.

YB9082-97SpecificationforDesignofSteelReinforcedConcreteStructure[S].Beijing:ChinaMetallurgicalIndus-tryPress,1998.

[5]　JGJ138-2001/J130-2001型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

JGJ138-2001/J130-2001TechnicalSpecificationforSteelReinforcedConcreteCompositeStructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2002.

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ChinaAcademyofBuildingResearch.Selectedworks3ofreinforcedconcretestructureresearch[M].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,1994.

[7]　GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

GB50010-2002CodefordesignofconcreteStructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2002.16-20.[8]　GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

GB50017-2003Codefordesignofsteelstructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2003.[9]　GBJ10-89混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1989.

GBJ10-89CodefordesignofconcreteStructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,1989.[10]　GBJ17-88钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1988.

GBJ17-88Codefordesignofsteelstructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,1988.

[11]　GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社.2001.

GB50068-2001UnifiedStandardforReliabilityDesignofBuildingStructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2001.

[12]　GBJ68-84建筑结构设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1994.

GBJ68-84UnifiedStandardforDesignofBuildingStructures[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,1994.

(编辑　白茂瑞)

Comparativestudyonthecalculationtheoryfortheflexuralcapacity

ofsteelreinforcedconcretebeams

SHAOYong-jian1,2,ZHAOHong-tie1

(1.SchoolofCivilEng.,Xi'anUniv.ofArch.&Tech.,Xi'an710055,China;2.DepartmentofCivilEngineering,UniversityofScienceandTechnologyofSuzhou,Suzhou215011,China)

Abstract:Thecalculationtheoriesadoptedfortwospecificationsinthedesignofsteelreinforcedconcretestructuresinourcountrywereexpoundedafterthreecalculationtheoriesoftheflexuralcapacityofsteelreinforcedconcretebeamswerein-troduced.Andthecomparisonandanalysisofthecalculationmethodandcalculationresultswitkthetwospecificationsweremadebymeansofexperimentaldataofsteelreinforcedconcretebeamsandengineeringproject.Accordingtothere-sultsofthecomparativeanalysis,principleschosenandsuitablescopesoftwospecificationswerepresentedforengineeringapplication.WithregardtothedemandofUnifiedStandardforReliabilityDesignofBuildingStructures(GB50068-2001),theparticularmeasuresofapplyingtwospecificationswereputforwardbeforerevisioninthelightofthedemandoftheu-nifiedstandard.

Keywords:steelreinforcedconcretebeams;designspecification;flexuralcapacity;calculationtheory*

*Biography:SHAOYong-jian,AssociateProfessor,CandidateforPh.D.,Suzhou215011,P.R.China,Tel:0086-512-68255425,

E-mail:shaoyong@mail.usts.edu.cn