装配式型钢部分包裹混凝土组合梁及其设计与施工方法与流程

本发明属于装配式钢-混组合梁，尤其涉及型钢部分包裹混凝土组合梁。

背景技术：

普通的h型钢梁跨中具有较高的结构弹性储备，甚至直至节点结构破坏，钢梁跨中仍然完好无损，从而造成较多的钢材浪费。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种装配式型钢部分包裹混凝土组合梁。

为此，本发明所提供的组合梁包括h型钢部分包裹混凝土梁，该h型钢部分包裹混凝土梁包括第一h型钢梁和部分包裹第一h型钢梁的混凝土，其特征在于，所述h型钢部分包裹混凝土梁两端固定连接有第二h型钢梁，所述第二h型钢梁与第一h型钢梁的材质相同或不同；所述第二h型钢梁与第一h型钢梁的高度和宽度相同，所述第二h型钢梁腹板的厚度与第一h型钢梁腹板厚度相同，所述第二h型钢梁翼缘的厚度大于第一h型钢梁翼缘的厚度。

可选的，所述第二h型钢梁通过梁-梁节点连接在第一h型钢梁两端，所述梁-梁节点包括第一h型钢梁和第二h型钢梁之间的焊缝。

可选的，所述第二h型钢梁通过梁-梁节点连接在第一h型钢梁两端，所述梁-梁节点包括第一h型钢梁和第二h型钢梁之间的焊缝、固定连接在第一h型钢梁和第二h型钢梁腹板两侧的连接板及连接螺栓，所述连接板位于第一h型钢梁腹板的部分被混凝土包裹。

可选的，所述连接板厚度较第一h型钢梁或第二h型钢梁腹板厚度大10mm-20mm。

可选的，第二h型钢梁的长度大于1.5倍的组合梁梁高，同时所述第一h型钢梁的长度大于等于2倍的第二h型钢梁的长度；所述第二h型钢梁的高宽比大于1.6、腹板厚度为8mm-12mm、翼缘厚度为12mm-16mm，所述第一h型钢梁的翼缘厚度为6mm-8mm。

可选的，所述第二h型钢梁与第一h型钢梁焊接端的翼缘有厚度渐变削弱，且削弱后第二h型钢梁翼缘的最小厚度与第一h型钢梁翼缘厚度相同。

同时，本发明还提供了上述装配式型钢部分包裹混凝土组合梁的设计方法。为此，本发明所提供的设计方法包括：

根据组合梁总长确定梁高和梁宽；根据梁高和梁宽确定第二h型钢梁的高度、宽度、长度及腹板和翼缘的厚度；并确定第一h型钢梁的长度；根据第二h型钢梁的高度、宽度及其腹板厚度和翼缘的厚度确定第一h型钢梁的高度、宽度及腹板厚度和翼缘的厚度。

进一步，所述设计方法包括：根据组合梁总长确定梁高和梁宽；根据梁高和梁宽确定第二h型钢梁的高度、宽度、长度及腹板和翼缘的厚度；并确定第一h型钢梁的长度；根据第二h型钢梁的高度、宽度及其腹板厚度和翼缘的厚度确定第一h型钢梁的高度、宽度及腹板厚度和翼缘的厚度；同时组合梁的力学性能满足条件a1和b1：

条件a1：第二型钢的抗弯承载力设计值m2等于0.9-1.1倍的组合梁跨中抗弯承载设计值m1,第二型钢的抗剪承载力设计值v2等于0.9-1.1倍的组合梁的抗剪承载力设计值v1；

m2＝w2fa2；v2＝hw2tw2fav2；

w2为第二h型钢梁的塑性净截面模量；

fa2为第二型钢梁钢材的抗拉强度设计值；

hw2,tw2分别为第二h型钢梁腹板的高度和厚度；

fav2为第二型钢钢材的抗剪强度设计值；

条件b1：梁-梁连接节点处抗弯承载设计值m3大于等于组合梁跨中的抗弯承载力设计值m1，梁-梁连接节点处抗剪承载力设计值v3大于等于组合梁的抗剪承载力设计值v1；其中：

m3＝w1fa1+m砼，v3＝hw2tw2fv^w

w1为第一h型钢梁的塑型净截面模量；

fa1为第一h型钢梁钢材的抗拉强度设计值；

fv^w为焊缝抗剪强度设计值；

m砼为组合梁中混凝土所受的抗弯承载力设计值。

另外一些方案中，所述设计方法包括：根据组合梁总长确定梁高和梁宽；根据梁高和梁宽确定第二h型钢梁的高度、宽度、长度及腹板和翼缘的厚度；根据第二h型钢梁的长度确定第一h型钢梁的长度；根据第二h型钢梁的高度、宽度及其腹板厚度和翼缘的厚度确定第一h型钢梁的高度、宽度及腹板厚度和翼缘的厚度；同时组合梁的力学性能满足条件a2和b2：

条件a2：第二型钢的抗弯承载力设计值m2等于0.9-1.1倍的组合梁跨中抗弯承载设计值m1,第二型钢的抗剪承载力设计值v2等于0.9-1.1倍的组合梁的抗剪承载力设计值v1；

m2＝w2fa2；v2＝hw2tw2fav2；

w2为第二h型钢梁的塑性净截面模量；

fa2为第二型钢钢材的抗拉强度设计值；

hw2,tw2分别为第二h型钢梁梁腹板的高度和厚度；

fav2为第二型钢钢材的抗剪强度设计值；

条件b2：梁-梁连接节点处抗弯承载设计值m3大于等于组合梁跨中的抗弯承载力设计值m1，梁-梁连接节点处抗剪承载力设计值v3大于等于组合梁的抗剪承载力设计值v1；

m3＝85％w1fa1+m砼+2wlfa1

w1为第一h型钢梁梁截面的塑型模量；

fa1为第一型钢钢材的抗拉强度设计值；

wl为梁-梁节点处连接板的塑性净截面模量；

m砼为组合梁中钢筋混凝土所受的抗弯承载力设计值；

fv^w为焊缝抗剪强度设计值；

n为高强螺栓数目，n≥2；

为单个高强螺栓抗剪设计值。

优选的，本发明的组合梁施工方法包括：步骤一，组装第一h型钢梁和第二h型钢梁；步骤二，在第一h型钢梁腹板两侧浇筑混凝土。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的组合梁在钢结构梁体系的基础上，中间段h型钢梁替换为翼缘较薄的部分包裹混凝土组合结构，及混凝土部分代替h型钢梁，承担了钢-混组合梁的部分承载力及刚度，亦提高了组合梁的抗屈曲能力，并且在不增加梁高的情况下，提高组合梁的承载力和刚度，其亦降低了大量钢材的使用。

并且，本发明的三段式结构组合梁可在工厂批量生产加工，在装配式领域有较为广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明装配式型钢部分包裹混凝土组合梁的结构示意图；

图2为本发明装配式型钢部分包裹混凝土组合梁的拆分结构示意图；

图3为组合梁中部分包裹混凝土梁的断面剖面图；

图4为本发明组合梁的梁-梁节点结构示意图；

图5是本发明实施例1的组合梁的加载机制示意图；

图6是本发明实施例1的组合梁的应力云图；

图7是本发明实施例1的组合梁中钢材部分(无钢筋)应力云图；

图8是本发明实施例1的组合梁混凝土部分(无钢筋)应力云图；

图9是本发明实施例1的组合梁中钢筋及纵筋的应力云图；

图10是本发明实施例1的组合梁的滞回曲线示意图。

具体实施方式

除非另有说明，本文中的术语根据本领域技术人员常规认识理解。

在本发明的描述中，需要解释的是，术语“端部”、“长度”、“高度”、“宽度”、“厚度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明所述的h型钢梁(包括第一h型钢梁和第二h型钢梁)由腹板及设置于上下端的翼缘构成。具体可选用型钢、钢板焊接、以及型钢与钢板焊接等方式制作，宜优先采用型钢。

本发明所述装配式型钢部分包裹混凝土组合梁的跨中抗弯承载设计值m1与抗剪承载力设计值v1根据规范《部分填充钢-混凝土结构技术规程》计算。示例：

v1＝hw1tw1fav；

α1—受压区混凝土压应力影响系数，当混凝土强度等级不超过c50时，α1取1.0，当混凝土强度等级为c80时，α1取0.94，其间按线性内插法确定；

fcw为混凝土抗压强度设计值；

bf—第一h型钢梁宽度(mm)；

tw1—第一h型钢梁腹板厚度(mm)；

x—组合梁截面中和轴至混凝土受压边缘的距离(mm)；

fy,fy′—分别为混凝土中钢筋的抗拉、抗压强度设计值(n/mm²)；

as,a′s—分别为混凝土中受拉、受压钢筋截面面积(mm²)；

ha—有效截面高度，即组合梁高度(mm)；

f′a,fa—梁主钢件抗拉、抗压强度设计值；本发明的梁主钢件为第一h型钢梁(n/mm²)；

ac,aac—组合梁主钢件全截面、梁主钢件受压区截面面积(mm²)；

tf—第一h型钢梁翼缘厚度(mm)；

as,as′—受拉区钢筋合力点至混凝土受拉边缘的距离，受压区钢筋合力点至混凝土受压边缘的距离(mm)；

sat,sac—受拉区梁主钢件截面、受压区梁主钢件截面对组合截面塑性中和轴的面积矩(mm³)；

hw1—第一h型钢梁腹板高度(mm)；

fav—梁柱钢件抗剪强度设计值(n/mm²)。

参考图1-图2，本发明的的装配式型钢部分包裹混凝土组合梁包括一根型钢部分包裹混凝土粱1和位于两端的两根第二h型钢梁2，其中部分包裹混凝土梁1由第一h型钢梁3和及上下翼缘内侧(腹板两侧)填充的混凝土8构成；其中，第二h型钢梁2与第一h型钢梁3高度和宽度相同，第二h型钢梁2腹板的厚度与第一h型钢梁3腹板厚度相同，第二h型钢梁2翼缘的厚度大于第一h型钢梁3翼缘的厚度；在选材上，所述第二h型钢梁2和第一h型钢梁3的材质相同或不同，例如，均可选用高强钢。

所述的第二h型钢梁2与第一h型钢梁3两端的连接方式可选择等级可靠的焊接。进一步，参考图1-3，可在焊缝处设置连接板13和连接螺栓11，且连接板13位于第一h型钢梁的部分被混凝土8覆盖或包裹。优选的方案中，连接板13的板厚宜比第二h型钢梁2腹板厚度厚10mm-20mm，梁上合计共4块板，皆可选用与母材第一h型钢梁同等强度的材料。连接螺栓可选用摩擦型高强螺栓，其个数可根据组合梁的力学需求设计。

进一步优选的方案中，所述第二h型钢梁2与第一h型钢梁3焊接端4的翼缘有厚度渐变削弱，即削弱存在过渡区，削弱后第二h型钢梁2翼缘的最小厚度与第一h型钢梁3翼缘厚度相等。削弱后，第一h型钢梁2焊接端腹板及翼缘与型钢部分包裹混凝土组合段内h型钢梁3对应的腹板及翼缘采用对接焊接，焊接采用电弧焊，且焊缝质量优选二级以上。优选的，削弱过渡区的坡度θ根据抗动力荷载的需求设计，一般小于

具体实施方案中，混凝土8根据组合梁整体性能要求选取合适结构或/和等级，例如，混凝土8可选用高强混凝土或高强灌浆料；进一步，混凝土8内可设箍筋5、纵筋6、抗剪连接件7、连杆等钢配件；安装本领常规施工工艺，箍筋5、纵筋6都选取合适尺寸的光圆钢筋，施工前做去锈处理，抗剪连接件7按规范选取。

本发明的组合梁设计时，可采用现有设计方法，根据组合梁的尺寸和力学要求确定第二h型钢梁的相关尺寸，之后再确定第一h型钢梁的相关尺寸。

基于上述方案，结合现有的工程现状及要求，一种优选的组合梁，该组合梁确保所产生的塑性铰区位于第二h型钢梁2上，在上述方案基础上，第二h型钢梁2长度a大于1.5倍的梁高h1，第一h型钢梁4长度b宜取b≥2a；第二h型钢梁2高宽比h1/b1大于1.6倍为宜，腹板厚度tw1取8mm-12mm，翼缘厚度tf1取12mm-16mm，第一h型钢梁3的高宽比h2/b2与第二h型钢梁梁2高宽比h1/b1一致，第一h型钢梁3翼缘厚度tf2＝tf1-δ，δ根据所选截面取8mm-12mm为宜。具体示例如下：

实施例1：

该具体示例组合梁总长为4400mm，根据总梁长，根据钢结构设计原理，确定组合梁梁高为400mm，梁宽为250mm；

第二h型钢梁的高度和宽度分别取组合梁的梁高和梁宽；该实施例中第二h型钢梁的长度取1.7倍多的组合梁梁高h，即第二h型钢梁2长度700mm；第一h型钢梁的长度b为3000mm；

根据总梁高和梁宽，采用现有钢结构设计原理采取常用尺寸，确定第二h型钢梁的腹板厚度为10mm、翼缘厚度为14mm，其截面尺寸h2×b2×tw2×tf2为400mm×250mm×10mm×14mm；

第一h型钢梁的翼缘厚度取8mm，截面尺寸h1×b1×tw1×tf1为400mm×250mm×10mm×8mm；

第二h型钢梁焊接端翼缘削弱过渡区坡度tanθ＝4，即翼缘过渡区长度为24mm；

第二h型钢梁和第一h型钢梁4选取q345(b)型钢材料；第一h型钢的抗拉强度设计值fa1和第二型钢钢材的抗拉强度设计值fa2均为310n/mm²；第一h型钢梁的抗剪强度设计值fav1和第二h型钢梁的抗剪强度设计值fav2均为180n/mm²；

根据塑性截面模量公式计算第二h型钢梁的塑性净截面模量w2为1696960mm³，第一h型钢梁截面的塑性模量w1为1402612.9mm³；

箍筋5选取φ6@150的光圆钢筋，两个方向长度为324mm×90mm；

纵筋6选取φ8的光圆钢筋，其长度为3000mm；纵筋的抗拉强度设计值fy为300n/mm²；

抗剪栓钉7(抗剪连接件)按照规范选取长hs为90mm，直径d为14mm；

混凝土8选取c60的高强混凝土；

根据混凝土抗弯承载力计算公式确定该实施例中组合梁中混凝土所受的抗弯承载力设计值m砼为54.84kn·m；

并且相关尺寸或力学参数同时满足约束条件：m2≈m1<m3；v2≈v1<v3；

计算可得：

m2＝w2fa2＝1696960mm³×310kn/mm＝526.06kn·m；

v1＝hw1tw1fav＝384mm·10mm·180kn/mm²·10^-3＝691.2kn；

v2＝hw2tw2fav2＝384mm·10mm·180kn/mm²·0.001＝691.2kn；

焊缝为三级焊缝，焊缝的抗剪强度取相关标准值。

图5为本发明实施例1的组合梁循环往复加载机制示意图；图6是本发明实施例1的组合梁的应力云图；该图显示组合梁受力情况良好，梁在极限荷载作用下两端产生塑性铰；图7显示钢材在循环往复加载中受力情况良好；图8显示钢材在循环往复加载中受力情况良好；图9显示钢筋在循环往复加载中受力情况良好；图10为组合梁跨中的滞回曲线，试验模拟实际工况受力，通过拟静力试验得出；该图说明滞回曲线饱满，抗震性能良好。

实施例2：

与上述实施例1不同的是，该实施例2中的组合梁的梁-梁连接节点采用二级焊缝，不采用及梁-梁处的连接板和高强螺栓，其设计满足如下条件：

v1＝hw1tw1fav＝384mm·10mm·180kn/mm²·0.001＝691.2kn；

m2＝w2fa2＝526.06kn·m；

v2＝hw2tw2fav2＝384mm·10mm·180kn/mm²·0.001＝691.2kn；

m3＝w1fa1+m砼＝1402612.9mm³·310n/mm²×10^-6+54.84kn·m＝489.62kn；

v3＝hw2tw2fv^w＝(384mm×10mm×180n/mm²)×10^-3＝691.2kn。

对比例1：

与实施例1及2不同的是，此对比例构件由一根4400mm的梁构成，型钢选取q345(b)型钢材料，长度4400mm,其截面尺寸取第一h型钢梁的相应尺寸h1×b1×tw1×tf1为400mm×250mm×10mm×8mm；

此根梁相同对应于实施例1，实施例2处的m1,m2,m3均相等，即m1＝m2＝m3＝526.06kn·m；且v1,v2,v3也均相等，即v1＝v2＝v3＝691.2kn；

经钢材计算，实施例1与对比例1相比节省5％的钢材，实施例2与对比例1相比节省18.32％的钢材；

实施例1及实施例2均采用混凝土替代的方法，在满足强度要求的情况下，节省钢材。

本发明的组合梁施工时，优选的施工工艺是混凝土8的浇筑应晚于第一h型钢梁和第二h型钢梁的组装，其余施工工艺采取本领域常规方法。具体实施方法示例：

步骤一：根据需求选择合适长度尺寸的两根h型钢梁2、一根h型钢梁3，连接夹板13；

步骤二：预制组合梁所需的箍筋5，纵筋6，抗剪连接件7；

步骤三：就位固定第二h型钢梁2，在第二h型钢梁2一端的翼缘切割削弱过渡区，切削部位位于翼缘内侧，并根据所选连接夹板13尺寸在焊接端腹板就位打孔，就位固定第一h型钢梁3，沿梁长度方向焊接箍筋5，固定焊接抗剪连接件7，并绑扎纵筋6；

在焊接端腹板就位打孔，采用电弧焊，对接焊接第二h型钢梁2和第一h型钢梁3的腹板及翼缘，翼缘外侧对齐，焊接前做喷砂处理；在连接夹板13上做打孔处理，并使用摩擦型高强螺栓连接固定第二h型钢梁2和第一h型钢梁3的腹板；

步骤四：支模板，分两次浇筑混凝土，一侧的混凝土待初凝后进行另一侧浇筑，待其另一侧初凝后，将组合梁立起来做两侧的养护。