组合梁的工作机理及界面滑移分析

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1、组合梁的工作机理及界面滑移分析赵正银李美摘要：通过对组合梁的工作机理的理论分析，提出了一种依梁的挠曲形态布置抗剪连接件的全新思路。对组合梁的滑移产生机理做了较为细致的分析，得出滑移与挠曲线形态有关的结论。分析抗剪连接程度对滑移的影响，并简要阐述滑移对组合梁性能的影响。关键词：组合梁机理组合界面滑移滑移抗力挠曲线1.概述钢■混凝土组合梁(以下称组合梁)因为其充分发挥了钢材和钢筋混凝土各自的优点,使得组合梁具有承载力高、刚度大、抗震性能好、施工快速等优越性。组合梁已经广泛的用于建筑结构和桥梁结构等领域，发挥了显箸的技术经济效

2、益和社会效益。如今对组合梁的研究已经取得长足进展，比如：钢一混凝土组合梁极限承载力方面进行了较多的试验与理论分析，并已相对成熟，剪力连接件的抗剪能力等问题研究也相对完善。但对于组合梁的许多问题的认识仍不够深入，比如：关于组合梁变形的研究还不甚完善，并且大多研究仅在试验的基础上给出一些方便应用的，但理论性较为薄弱的近似公式和经验回归公式。2.钢•混凝土组合梁的工作机理为了简要直观的说明组合梁的工作机理，选取两根相同的匀质材料矩形截面(bXh)梁在弹性范围内来做理论分析，截面和荷载如图1所示。qLq(b)(c)图1组合梁工作

3、机理假定图（b）中两根梁的交界面为完全光滑的，只传递压力；若图（C）为将两根梁完全粘结，使J-Tff3其界面无滑移，即可看做是一根整体受力的梁。很容易推导出组合梁（b）的抗弯刚度为一;组合6梁（c）的抗弯刚度为丝竺_,即为完全滑移组合梁的4倍。组合梁（C）跨中界面最大正应力3为：空巫丄h=，跨中挠度为心宝亠生竺^二'忙「由此可182bh3I6bh2384E/384SEbh3256Eblf以推算出（b）梁的跨中挠度为卑匚，根据结构力学图乘法f=^JLds=求得跨64EbhJEl22中最大弯矩（即荷载弯矩图面积血对应的最大

4、h值）M樂,正应力°旦=匹。16IShh2对组合梁（b）的两根梁进行分离受力分析，而梁受竖向均布荷载q的作用和组合界面的法向压力作用。法向压力的水平分力对在中截面出的弯矩为M出,竖向分力与q16平衡。底梁虽然边界条件与而梁不同，法向压力及支座处的外力使得其变形与面梁一致,因此具有相同的内力分布情况。梁（b）组合界面上的法向压力的水平分力在中截面处最小，为零；在两端达到最大值，具体的数值由两端的挠曲曲率K和q来共同决定，而曲率K由梁承受的荷载q、梁截面的儿何特性I和梁本身的材料性能E决定。对比（b）和（c）两条组合梁的截面

5、情况，可知在同样荷载q作用下（c）梁的截面最大拉应力和挠度分别为（b）梁的1/2和1/4。结合以上受力模型的分析可以得出结论：限制滑移可以大大增强组合梁的抗弯刚度，减小挠度，提高承载力。1.滑移的产生机理滑移是因为轴向剪力的作用产生的，轴向剪力产生的根木原因是因为上梁底面与下梁顶面在荷载的作用下突破的变形协调限制而产生的。这个变形协调就是因为梁挠曲后上下梁界面相对的轴向压缩和拉仲而将产生的错动，也就是发生界面的滑移。组合梁界面滑移抗力（粘结力、抗剪连接件的抗力以及摩擦力等）的存在，平衡了部分或全部法向压力的水平分力，使得

6、组合梁截而承受弯矩下降、正应力减小，刚度提高、挠度减小。从而可以提高梁的极限承载能力。在组合梁中，两个或多个独立的梁体通过摩擦力、粘结力和连接件抗力的共同作用，而传递轴向荷载形成一个整体，因此本人认为组合梁界面的抗滑移能力是组合梁优点发挥的根本。综上述可以得出结论：（对于水平安装的织合梁）竖向荷载作用下组合界面的轴向剪力是由于组合梁的挠曲产生的，因此可以从组合梁的挠曲线形态上定性的判断轴向剪力沿纵轴的分布情况。我国现行钢结构设计规范用换算截面法计算法考虑滑移效应进行刚度折减计算组合梁的挠度。梁的挠曲线近似微分方程:曲率K

7、d2(o丄M(x)=士dx2_EI由此方程结合边界条件即可积分求出梁的挠曲线方程忒乂）。挠曲线的斜率k=^的大小dx反映了滑移抗力的大小（光滑界面是特殊情况，需要除外）。光滑界面的滑移抗力为零和零滑移量界面的滑移抗力最大是组合梁抗剪连接的两种极限情况。(a)(b)图2简支梁和连续梁的不同挠曲线形态从图上可以看出，简支梁(a)的挠曲线在两端的k值最大，屮间最小为零。连续梁(b)在两端和中间的k值都为零，曲线宁外两个拐点A和B处的k值最大。由上面的分析知道简支组合梁(a)组合界面在对称荷载作用下两端的轴向剪力最大，中间最小为

8、零，连续梁(b)的轴向剪力在两端和中间都为零，A,B两点最大，这与聂建国等编著的高校教材《钢■混凝土组合结构第45页的组合梁两端轴向剪力最大的结论不一致。在按照弹性方法设计抗剪连接件时，可以根据组合梁的大致挠曲形态划分区域，合理的布置抗剪连接件的数目和位置，本人认为钢结构设计规范GB50017-2003按照弯矩图的弯