组合梁的工作机理及界面滑移分析

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，发挥了显著的技术经济效益和社会效益。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（b×h） 梁在弹性范围内来做理论分析，截面和荷载如图

1 所示。

q

q

q

(

)

(

)

( )

图 1 组合梁工作机理

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

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

Ebh3

；组合

6

3梁（ c）的抗弯刚度为 2Ebh ，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 3

3

My

qL2

为：

h3qL2

5qL4 384EI

，根据结构力学图乘法

5q 12 L4 384 8Ebh 3

5qL4

I 8 2bh

16bh 2 ，跨中挠度为

256Ebh 3 ，由此可

以推算出（ b）梁的跨中挠度为

5qL

4

_

f

M M p

ds

yc 求得跨

64 Ebh3

EI

中最大弯矩（即荷载弯矩图面积

对应的最大 h 值） M

qL ，正应力 16

2

My

I

3qL2 。

8bh2

对组合梁（ b）的两根梁进行分离受力分析，面梁受竖向均布荷载

M

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

qL4 ，竖向分力与 q 16

平衡。底梁虽然边界条件与面梁不同，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、梁截面的几何特性 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。

3. 滑移的产生机理

滑移是因为轴向剪力的作用产生的，轴向剪力产生的根本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伸而将产生的错动，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，使得组合梁截面承受弯矩下降、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：（对于水平安装的组合梁）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

d 2 dx2

M (x) EI

由此方程结合边界条件即可积分求出梁的挠曲线方程

(x) 。挠曲线的斜率 k

dy 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。

F F

A

B

(b)

(a)

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，中间最小为零。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

的弯矩绝对值最大点和零弯矩值点划分成若干个剪跨区进行计算布置，会造成较大浪费，

且此方法缺乏足够的理论依据。如：在挠曲线的驻点附近的一段区域类，从上面的分析

可知就并不需要布置抗剪连接件（抗掀起作用的连接件不在此列）

。

4. 影响滑移的因素

从变形上看，组合梁的滑移是连接件本身的变形和连接件周围的混凝土压缩变形积 累所致。显然连接件的数量和形式（即抗剪连接程度，分完全和部分抗剪连接）肯定会

对滑移有影响；组合截面间的粘接力也会对滑移有影响；界面间的摩擦力也会对滑移产

生影响。试验表明滑移是绝对的，即使是完全抗剪连接的组合梁，理论计算的挠度也总

是小于实测值。在轴向剪力未达到界面间的极限粘结强度时，抗剪连接件和摩擦力的作

用很小，没有产生滑移，可以认为当粘结被破坏后滑移就产生了，此时抗剪连接件、摩

擦力、残余粘结力共同提供滑移抗力，连接件未屈服前抗力值随着滑移量的增加而增大，

当抗力与剪力达到平衡的时候滑移即告停止。抗剪连接件的布置应该考虑滑移产生后的，

抗剪连接件的抗力会随着滑移的产生而进行重分布，使得整个界面的滑移量趋于均匀。

这就是为什么实际最大滑移量的位置并不是按弹性理论分析所得滑移抗力最大位置的原

因。抗剪连接程度较低的组合梁更容易达到这种重分布状态，滑移也就更加均匀。试验

结果也验证了这一点。

5. 滑移对组合梁工作性能的影响

滑移对组合梁的工作性能的不利影响归根到底都是对抗弯刚度的削弱。具体表现在 降低了组合梁的抗弯承载力且增了大梁的挠度。从光滑界面组合梁（抗剪连接程度最低）

到零滑移量组合梁（完全抗剪连接） ，随着梁的抗弯刚度的不断提高，截面最大正应力不

断降低，最大挠度不断减小。

滑移也有其有利的一面，滑移的产生可以有效的利用界面的摩擦力和粘结力来提供

部分滑移抗力，使得可以人为的使用粘接剂来替代部分抗剪连接件。上面提到的抗剪连

接程度较低的组合梁滑移更容易达到剪力重分布状态，也即滑移使得可以充分发挥抗剪

连接件的作用，也使设计时依挠曲形态分段均匀布置抗剪连接件成为可能。

6. 结论

通过分析可以得出：

① 梁的挠曲是滑移产生的根本原因， 依挠曲形态进行抗剪连接件的布置这条新思路是

合理可行的。

② 可以考虑突破目前以强度控制、挠度和裂缝验算的设计方法，以挠度来进行控制，

依刚度要求来进行组合梁的截面设计和连接件设计的新思路。

③组合梁的界面滑移变形试验和理论计算方面还有更深入的研究工作可做。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准 . 钢结构设计规范 (GB50017--2003). 中国计划出版社 ,2003

[2] 聂建国 , 刘明 , 叶列平 . 钢 -- 混凝土组合结构 . 中国建筑工业出版社 ,2005 [3]

聂建国 , 王洪泉 .

钢 混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究

. 建筑结构学报 , 第 18 卷第 2 期 ,1997 年 4 月

[4] 孙文彬 . 部分剪力连接钢一混凝土简支组合梁滑移性能研究 . 中国优秀硕士学位论文全文数据库

[5] 许伟 , 王坤 , 许峰 , 王连广 . 钢与高强混凝土连续组合梁连接件的布置方式

. 东北大学学报

(自然科学版 ), 第 26卷第 9期,2005 年 9 月

[6] 阎石 , 刘学东 . 钢-- 混凝土组合梁连接件的综合评述

. 沈阳建筑工程学院学报 ,1996 年 4 月, 第

12卷第 2期

[7] 付果 . 考虑界面滑移及掀起影响的钢一混凝土组合梁试验与理论研究

. 西安建筑科技大学博

士论文 , 中国优秀博士学位论文全文数据库