简支钢混组合梁三种算法的经济性对比

简支钢混组合梁三种算法的经济性对比

一、简介

对于钢梁上铺混凝土楼板的工程，混凝土板目前工程常用做法为钢筋桁架楼承板，钢梁设计上来讲有三种算法，其一不考虑楼板组合作用，纯钢梁受力模式，其二钢梁与板考虑组合作用，采用弹性算法；其三为钢梁与板考虑组合作用， 采用塑性算法，实际工程中塑性算法也是规范推荐做法，应用较广，材料利用率高，以下主要从经济层面对比三种算法经济性。

二、钢梁截面宽厚比取值问题

钢梁截面板件宽厚比取值对经济性有较大影响，尤其是当截面较大时，腹板较高，厚度取值直接影响用钢量，所以对钢量截面板件合理构造取值是重要的一个方面。

按规范要求截面板件宽厚比根据塑性发展情况采用不同等级，分为S1~S5级；

1、对于一般受弯钢梁，不考虑组合作用，截面宽厚比可取S3级或者S4级，区别在于受压区域板件需要不要考虑一定的塑性开展，不考虑时直接取S4级即可，塑性发展系数取1.0；

2、对于采用弹性算法的组合梁，受压主要由砼承担，平时阶段通常不涉及钢构件受压问题，或者受压翼缘压力小，对承载力不起控制作用，不存在屈服情况，可不考虑，截面板件宽厚比可取S4级；

3、对于采用塑性算法的组合梁，由于考虑全截面塑性开展，对于受压板件根据规范应符合以下规定：

从规范条文上看，至少应采用S2级截面，即全截面达到塑性。对于受压翼缘宽度较窄，容易满足，即使不满足也有措施解决，此处不做过多讨论。对于腹板情况则相对复杂，其高厚比取值直接影响钢材用量，但结合实际情况，应具体分析，具体况有如下：

（1）对跨度不大的情况，一般钢梁截面较小，中性轴通常在钢梁上翼缘及以上，钢梁几乎处于全截面受拉，此种情况钢梁满足S4级要求即可；

（2）对于跨度较大，钢梁截面较大时，中性轴往往位于钢梁腹板范围，钢梁本身属于拉弯构件，关于拉弯构件规范未给出腹板相关宽厚比限值，如果直接采用受弯构件宽厚比要求则对于腹板而言太过保守。根据规范对于腹板局部屈曲控制原则，即取2倍受压区高度与厚度之比，

如截面为双轴对称H型即，说明腹板高厚比与此公式本质也是一致的，那按此原则，笔者认为，可对拉弯构件钢梁腹板按此原则，即取受压区域高度的2倍作为等效高度计算高厚比，塑性计算控制S2级时，腹板高厚比控制为72，腹板受压区高度，腹板最小厚度。为方便使用，现结合常见钢梁截面尺寸，总结出实际高度与等效高度之间关系，关于等效高度，现对于常用截面钢梁进行计算，对比列举如下：

由上表可知，对于常用高度钢梁腹板按以上原则通过列比，等效高最高也仅为腹板实际高度一半左右，而S2级和S4级腹板高厚比限值比例为72/124=0.58，即可得到，采用等效高度按S2级控制高厚比与采用实际腹板高度按S4级控制高厚比是相当的且一般情况下偏于保守的，故综上所述，对于一般工程采用塑性计算的组合梁，腹板高厚比建议直接按S4级控制即可。

三、案例

某简支梁廊桥跨度20m，梁间距2.5m，混凝土板厚度100mm，C30，附加面层荷载2.0kn/㎡，活荷载3.5kn/㎡，采用三种算法设计钢梁截面，材质为Q355B。为仅可能减小变量，钢梁高度一致，仅区分板件尺寸。

1、不考虑组合作用，钢梁截面H900x300x12x20

2、考虑组合作用，弹性算法，钢梁截面H900x200（250）x12x12（20）

3、考虑组合作用，塑性算法，钢梁截面H900x150（200）x12x12（16）

三种算法计算结果对比如下：

四、结论及建议

1、采用组合梁设计无论弹性算法或者塑性算法，钢梁腹板高厚比均可按S4控制；

2、考虑钢混组合作用经济性好很多，用钢量减少20%以上，塑性算法减少30%以上，对于一般楼面钢次梁推荐采用组合梁设计，可有效减少钢材用量；

3、组合梁塑性算法比弹性算法经济性更优异，不过通常情况下，由于塑性算法计算塑性极限承载力非常高，通常应力比也不会用的太高，否则梁截面过小，安全度降低，建议应力比控制在0.7以内，此时依然比弹性算法经济性要好，比纯钢梁用钢量节约在30%以上；

4、对于一般民用建筑楼盖次梁，建议考虑组合梁设计，并采用塑性算法以获得较好的经济性。