1概 述

钢-混凝土组合扁梁楼盖最早于20世纪80年代出现在欧洲北部的斯堪的纳维亚(Scandinavia)半岛地区，近些年来，这种楼盖在英国和北欧地区得到了越来越广泛的应用。国外钢结构公司开发了多种形式的组合扁梁，如英国Tata钢铁公司的Slimfloor®、Slimdek®，荷兰Slimline公司的Slimline®，德国Peikko公司的DELTA® Beam，瑞士H. Wetter AG公司的Topfloor integral®等，其研究与应用相对成熟。

国内对组合扁梁的研究与工程应用相对较少，清华大学、哈尔滨工业大学、苏州科技学院等高校较早开展了组合扁梁研究。他们针对SP预应力混凝土空心楼板和深肋压型钢板组合扁梁的静力性能和抗火性能进行了较为系统的研究。

国内研究较多的SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合扁梁用于钢结构住宅时，存在以下不足：1)钢梁下翼缘外露，需要进行防腐防火保护；2)深肋压型钢板组合扁梁下翼缘不平整需做吊顶，增加了成本和结构高度；3)SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合楼板均为单向板，导致楼盖厚度较大，且楼盖高度难以进一步降低等，制约了钢-混凝土组合扁梁楼盖在实际工程中的应用。

为此，本文提出了预制叠合密肋楼板和预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖的概念，预制叠合密肋楼板由预制带肋底板和现浇层组成，可实现双向传力，如图1所示。预制楼板肋间设置轻质填充材料，降低楼盖自重。

图1 预制叠合密肋楼板

预制叠合密肋楼板搁置在焊接不等翼缘H型钢梁下翼缘，钢梁腹板开孔或采用不等翼缘蜂窝梁。在钢梁腹板开孔中设置穿孔钢筋，穿孔钢筋起到搭接钢筋的作用，同时可以起到抗剪连接件的作用，提升楼盖整体性。预制叠合密肋楼板端部设置凹口，避免钢梁下翼缘外露，解决钢梁的防腐和防火问题，构造如图2所示。

图2 预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖构造

预制叠合密肋楼板组合楼盖与钢管混凝土柱或钢柱结合可以形成钢-混凝土板柱结构体系。通过不等翼缘钢梁与钢柱连接，解决了预制叠合密肋楼板与钢柱或钢管混凝土柱连接问题。通过不等翼缘钢梁支撑预制叠合密肋楼板实现了楼盖结构的装配化施工。通过穿孔钢筋的销栓作用(PBL剪力连接件)和栓钉设置实现楼板与钢梁的共同工作。预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖应用如图3所示。

图3 预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖的应用

由于该新型预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖区别于传统的SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合扁梁楼盖，为研究该新型组合扁梁楼盖预制叠合密肋楼板与钢梁协同工作性能及其设计方法，本文结合某高层钢结构住宅示范工程的设计，对该新型钢-混凝土组合扁梁的受弯性能进行了理论分析与试验研究。

2试验研究

2.1试件设计

设计2个预制叠合密肋楼板组合扁梁试验试件，试件参数如表1所示，主要变化参数为钢梁腹板开孔形式和剪力键设置方式。钢梁采用焊接不等翼缘钢梁，楼板采用预制叠合密肋楼板，预制板均不出筋。钢材牌号为Q345B，楼板混凝土强度等级为C35，钢筋为HRB400级。试件计算长度为3 800 mm，几何长度为4 000 mm。试件加工如图4所示。

表1 试件参数

a—试件1截面；b—试件1钢梁截面；c—试件1钢梁腹板开梯形孔；d—试件2截面；e—试件2钢梁截面；f—试件2钢梁腹板开圆孔；g—1—1 剖面(板顶钢筋布置)；h—2—2 剖面(穿孔钢筋及填充箱体布置)；i—预制底板配筋(缺口未示出)。

图4 试件加工

2.2材料性能

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求进行混凝土试块制作、养护、测试。依照GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》和GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行钢板及钢筋材性试样的制备和试验。实测的钢材和混凝土的材性见表2、表3。

表2 钢材性能

注：t、φ分别为钢板厚度和钢筋直径；fy和fu分别为钢材屈服强度和抗拉强度；A为钢材断后伸长率；E为钢材弹性模量。

表3 混凝土材料性能

注：fcu、fc分别为混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度；Ec为混凝土弹性模量。

2.3试验加载及测量方案

试验边界条件为两端简支，采用液压千斤顶加载，在千斤顶下设置压力传感器以量测加荷大小。采用两点对称加载，加载点间距800 mm。试验采用分级加载方式，试件屈服前每级加载50 kN，屈服后每级加载20 kN，直到试件破坏，每级荷载下持荷5 min后采集数据。试验在北京建筑大学结构工程试验室进行。

在跨中及加载点位置处布置位移计d1～d3记录试件在加载过程中的挠度变化，在梁端布置位移计d6、d7对支座沉降进行量测；在左右梁端布置位移计d4、d5量测端部混凝土与钢梁之间的滑移，在加载位置处布置位移计d8、d9测量混凝土楼板边缘位置处的位移，位移计布置见图5a。在跨中截面A—A(纯弯段)和1/4跨截面B—B(剪跨段)布置应变测点，量测钢梁、钢筋和混凝土应变情况(图5b、5c)。在板顶钢筋上布置应变片RT1～RT13，在穿孔钢筋上布置应变片RB1～RB9，如图4g、4h所示。

a—试验加载装置及位移计布置；b—跨中(A—A)截面应变测点布置；c—1/4跨(B—B)截面应变测点布置。图5 试验加载装置及测点布置

2.4试验结果及分析

试件1、试件2的试验现象类似，故试验现象描述以试件1为例。加载至30 kN左右时，跨中纯弯段受拉区出现第一条肉眼可见裂缝，板底两侧裂缝和板侧裂缝同时出现。加载至50 kN左右时，在两侧弯剪区出现受拉裂缝，随着荷载的加大，剪跨区不断有新的弯曲裂缝出现，纯弯段新裂缝出现缓慢。

随着荷载的加大，裂缝逐渐由侧面向板中心扩展，最终贯通预制板底。加载至165 kN左右时，裂缝逐渐扩展至聚苯板高度，聚苯板开裂发出轻微的噼啪声。加载至约429 kN时，位移发展速度加快，新裂缝出现变缓，原有裂缝逐渐向上发展，宽度逐渐增大，荷载平缓增长。跨中位移约82 mm时，受压区混凝土出现纵向受压裂缝，跨中位移约88 mm时，受压区表面混凝土出现起皮、掉渣现象。随着加载的继续，受压区混凝土出现压溃、剥落现象，荷载-位移曲线仍呈线性增长趋势。最终跨中位移达到约120 mm(挠跨比达到1/31.5)时，由于接近位移计量程终止试验。试件破坏现象如图6所示。

a—板侧；b—板顶；c—板底。图6 试件1破坏现象

试件受拉区混凝土裂缝间距分布均匀，裂缝扩展至受压区混凝土，贯穿轻质填充体；受压区混凝土局部压溃剥落；钢梁两端与混凝土楼板之间未观察到明显的滑移现象。

试验结束后，将试件2加载点附近包裹穿孔钢筋的混凝土凿除，查看PBL剪力连接件工作状态，如图7所示。可见，PBL剪力连接件无明显的变形；PBL剪力连接件与混凝土之间无明显的滑移现象；穿孔钢筋与钢梁腹板空隙间混凝土无挤压破坏现象。

图7 试件2 PBL剪力连接件试验后照片

试件1和试件2的荷载-跨中挠度曲线如图8所示。可见，试件荷载-跨中挠度曲线可以分为四个工作阶段：弹性工作阶段(OA阶段)、带裂缝工作阶段(AB阶段)、塑性强化工作阶段(BC阶段)和塑性软化工作阶段(CD阶段)。弹性工作阶段(OA阶段)：试件荷载-跨中挠度曲线呈线性变化，此时试件处于弹性工作阶段，试件无明显试验现象，达到A点时(1.8 mm，57.4 kN)，试件跨中纯弯段受拉区混凝土开裂，试件刚度下降；之后，试件进入带裂缝工作阶段(AB阶段)，此时随着荷载的增大，纯弯段的裂缝数量逐渐增多，剪跨段裂缝逐渐由加载点向支座端发展；随着荷载的增大，试件的中和轴逐渐上移，受拉区混凝土裂缝逐渐向上发展，裂缝宽度缓慢增大；达到B点时(试件1：27.9 mm，429.2 kN；试件2：23.4 mm，422.2 kN)，钢梁下翼缘边缘受拉屈服，试件进入塑性阶段(BC阶段)，位移增速加快，受拉区裂缝宽度加速发展，随着荷载的增大，受压区混凝土逐渐出现起皮和纵向裂缝，直至混凝土压溃、剥落，荷载-跨中挠度曲线近似呈线性发展，略有强化；达到C点时试件达到峰值承载力(试件1：74.2 mm，449.0 kN；试件2：51.9 mm，472.3 kN)，试件进入塑性软化工作阶段(CD段)。此后，试件受压区混凝土出现受压裂缝、起皮、剥落、压溃现象，试件承载力缓慢下降。试件1和试件2分别加载至跨中位移为120.5 mm和126.7 mm时(挠跨比达到1/33)，荷载-跨中挠度曲线仍未出现下降趋势，此时已接近位移计最大量程，为保证试验仪器安全,终止试验。

图8 试件荷载-跨中挠度曲线

从图8可见，试件呈延性破坏，具有非常好的延性性能，混凝土压溃后试件承载力略有下降。试件1(钢梁腹板开蜂窝孔)和试件2(钢梁腹板开圆孔)的初始刚度相同，试件2的后期刚度略大。

以试件1为例，钢梁、板顶受压钢筋、穿孔钢筋、混凝土板应变随荷载变化曲线及不同位移下沿截面高度应变分布曲线如图9所示。

a—荷载-钢梁跨中应变关系曲线；b—荷载-板顶受压钢筋应变关系曲线；c—荷载-PBL钢筋应变关系曲线；d—荷载-混凝土板跨中应变曲线；e—不同位移下沿截面高度应变分布曲线(考虑S3～S5测点)；f—不同位移下沿截面高度应变分布曲线(不考虑S3～S5测点)。图9 试件1应变测量结果

从图9a可见，试件钢梁下翼缘受拉屈服(S7和S8测点)、上翼缘受压屈服(S1和S2测点)时，试件达到屈服荷载，随着荷载的增大，腹板逐渐屈服(S6、S5、S4和S3测点)。

从图9b可见，试件板顶受压钢筋屈服时，试件达到屈服荷载。屈服荷载之前，试件板顶受压钢筋处于弹性工作阶段。

从图9c可见，PBL穿孔钢筋应变较小，穿孔钢筋均处于弹性工作阶段。离孔壁较近位置处穿孔钢筋应变较大，远离孔壁位置穿孔钢筋应变迅速衰减。

从图9d可见，试件屈服前受压区混凝土应变呈线性分布，试件屈服后受压区混凝土应变发展速度加快，在受压区混凝土应变达到极限压应变时，试件达到峰值荷载；受拉区混凝土应变在达到混凝土极限拉应变之后混凝土应变片失效，受拉应变数据失真。

从图9e可见，S3～S5测点的应变较小，其原因可能是由于S3～S5测点位于跨中两混凝土榫之间，传力中断。不考虑S3～S5测点后的截面高度应变分布曲线如图9f所示，可见，钢梁的应变沿高度呈线性分布，符合平截面假定。

综上，对应于试件达到屈服状态和极限状态时，钢梁、钢筋和混凝土的工作状态如表4所示。

表4 不同极限状态下钢梁、钢筋和混凝土工作状态

对应于开裂状态、屈服状态和极限状态的特征值如表5所示。

表5 各试件特征值

注：表中屈服位移和屈服弯矩按照钢梁下翼缘边缘纤维受拉屈服时计算;百分比=(试件2特征值-试件1特征值)/试件2特征值。

3抗弯承载力计算

结合试验研究结果，预制叠合密肋楼板组合扁梁抗弯极限承载力计算可采用以下简化假定：1)截面保持平面；2)纵向钢筋应力达到屈服强度；3)型钢全截面屈服，忽略开孔部分型钢腹板的贡献；4)受拉区混凝土开裂退出工作，忽略受拉区混凝土对抗弯承载力的贡献；5)受压区混凝土达到设计抗压强度，将截面混凝土的压应力分布等效为矩形；6)钢梁上下翼缘和混凝土板纵向应力沿板宽方向均匀分布，所有混凝土板在其宽度范围内有效，并且在受压区均匀受压，破坏时达到抗压强度。

根据中和轴位置的不同，试件的抗弯承载力可按以下3种情况进行分析。图10为抗弯承载力计算简图。

图10 抗弯承载力计算简图

1)中和轴位于混凝土翼缘板中且高于型钢上翼缘。

当混凝土受压区高度x小于型钢翼缘保护层厚度h1时，中和轴位于型钢上翼缘上部混凝土中。可以认为型钢全截面处于受拉区，且达到受拉屈服强度。此时，试件的抗弯承载力可按式(1)进行计算。

当x≤h1时：

其中

式中：x为混凝土受压区高度；bc为梁翼缘宽度；h0为梁顶部距受拉纵筋界面中心 的距离；h1为梁顶部距型钢上翼缘的距离；为受压纵筋保护层厚度；As为受拉纵筋面积；为受压纵筋面积；tf为型钢翼缘厚度；hw为型钢腹板高度；Auf为型钢上翼缘面积；Abf为型钢下翼缘面积；Aw为型钢腹板面积；fy为受拉纵筋抗拉强度设计值；fa为型钢抗拉强度设计值；fc为混凝土抗压强度设计值。

2)中和轴位于混凝土翼缘板中且通过型钢腹板。

当混凝土受压区高度x大于型钢翼缘保护层厚度h1、小于混凝土翼缘板厚度hc时，可以认为型钢上翼缘与中和轴上部型钢腹板受压屈服，型钢下翼缘与中和轴下部型钢腹板受拉区屈服。此时，试件的抗弯承载力可按下列公式进行计算。

当h1≤x≤hc时：

其中

式中：为中和轴上部型钢腹板面积。

3)中和轴位于混凝土翼缘板中且通过型钢腹板。

当混凝土受压区高度x大于混凝土翼缘板厚度hc时，可以认为型钢上翼缘与中和轴上部型钢腹板受压屈服，型钢下翼缘与中和轴下部型钢腹板受拉区屈服。此时，试件的抗弯承载力可按下列公式进行计算。

当hc≤x≤h1+hw时：

其中

式中：hc为上部翼缘板厚度;b为梁腹板宽度。

根据上述计算方法计算的试件1和试件2的抗弯承载力与试验结果比较见表6。

表6 抗弯承载能力理论值与试验值比较

注：1)试件1型钢腹板开蜂窝孔，计算时考虑了腹板蜂窝孔的影响；2)试件2型钢腹板开圆孔(直径36 mm)，计算时未考虑腹板开孔的影响。

从表6可见，抗弯承载力理论值与试验结果吻合良好，且偏于安全，试件1计算值比试验值小3%，试件2计算值比试验值小6%。

4结 论

1)预制叠合密肋楼板组合扁梁具有优良的承载能力和延性性能。试件挠跨比达到1/32时，试件承载力仍未有明显下降，试件呈延性破坏特征。

2)在钢梁下翼缘边缘和受拉钢筋屈服时，试件达到屈服承载力；在钢梁全截面屈服、受拉和受压钢筋屈服、受压区混凝土压溃时，试件达到极限承载力。在峰值荷载之前，混凝土和钢梁截面应变分布近似呈线性分布，可以采用平截面假定。

3)基于破坏强度理论提出的预制叠合密肋楼板组合扁梁的抗弯承载力计算公式，与试验结果吻合良好，且偏于安全。

中英文全文下载链接

1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20051201（注册登录免费获取）

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202006002?db=STMJTEMP

作者简介

侯兆新

全国工程勘察设计大师

中冶建筑研究总院有限公司 副总工程师

中国钢结构协会专家委员会 副主任

《钢结构（中英文）》编委会 委员

《工业建筑》编委会 委员

从事设计、咨询30多年，形成了“钢结构、主题公园、海外工程”三大技术特色。在“高强度螺栓连接、金属屋面、国产钢材走出去以及钢结构建筑产业化”等四个领域做出了突出贡献。主持国家级科研项目7项。编制标准超过20项，其中主编国家和行业标准4项，参编国家标准10项。获得省部级以上成果超过10项，其中包括国家技术发明奖1项、国家科技进步奖2项、新加坡政府奖1项；发表SCI、EI论文15篇；出版专著7部；获授权发明专利28项。

龚 超

博士

教授级高工

一级注册结构工程师

主要从事钢结构、组合结构、装配式结构等方面的科研、设计和检测鉴定工作，致力于结构工程领域的新技术研发和推广应用。主持和参与科研项目18项，其中国家级项目8项。发表学术论文30余篇，主编和参编技术标准10余部，获授权专利72件，其中发明专利12件；获得中国专利奖优秀奖、中冶集团科技进步奖特等奖、中国钢结构协会科学技术奖一等奖、冶金建设行业工程设计优秀成果奖等科技奖励。

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融媒体编辑：张白雪

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关于期刊

中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。

期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。

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