负弯矩区钢-混凝土组合梁开洞试验及理论研究成果

1）钢-混凝土组合梁在国外的研究进展

（1）20世纪初期

针对钢-混凝土组合梁的研究开始出现，Andrews[1]提出了基于弹性理论的换算截面法，该方法假定混凝土和钢梁为理想的弹性体，二者之间连接可靠，变形一致，根据弹性模量比将两种材料换算为一种材料进行计算。这一方法被许多国家的设计规范采用，一直作为弹性分析和设计的基本方法。但由于混凝土并非理想的弹性体，而且混凝土和钢梁也不会完全共同工作，界面存在滑移和掀起，所以该方法的计算结果将偏于不安全。1922年，Maning等学者对外包混凝土钢梁进行了研究，发现在混凝土与钢梁的界面上存在黏结力，其可以产生一定的组合作用。

（2）20世纪30至50年代

组合梁开始逐步使用抗剪连接件，瑞士学者对钢-混凝土组合梁中的机械连接件进行了研究[2]。西方国家开始制订有关组合梁的技术规程，并大部分用于桥梁的设计。1944年，美国高速公路和交通运输协会首次将组合梁有关条文列入有关规范，1945年，德国也制订了与组合梁相关的规程。1951年，Newmark等[3]对不完全剪切连接的组合梁进行了试验研究和理论分析，提出了混凝土和钢梁交界面的纵向剪力微分方程求解方法。Viest[4]、Thurlimann[5]等通过推出试验方法对栓钉受力性能进行了较为全面的研究，提出了抗剪连接件临界承载力经验公式。Davies[6]进行了改变栓钉布置形式、数量和间距的推出试验研究，发现了栓钉布置形式与其抗剪承载力密切相关。

（3）20世纪60年代

塑性理论分析方法开始应用于组合梁。1960年，Viest[7]对已有试验结果进行了总结，并对不同的组合梁计算方法进行了分析对比，还概述了预应力组合梁的研究前景。Chapman[8]于1964年对17根简支组合梁进行了试验研究，试验中使用了不同的抗剪连接件及间距，还改变了梁的跨度和加载方式，得到了混凝土板压溃和栓钉破坏两种破坏模式，试验表明纵筋对组合梁的极限承载力计算影响不大，可以按极限平衡法设计栓钉连接件。1965年，Barnard[9]通过研究发现：抗剪连接件在荷载作用下发生变形，交界面一定会存在滑移，混凝土板与钢梁的弯曲刚度不同，必然会发生竖向掀起作用，因此组合梁按完全剪切连接计算得到的极限承载力比实测极限承载力要大。1968年，Adekola[10]对简支组合梁的混凝土翼板有效宽度进行了研究，得到了考虑剪力滞后效应以及截面尺寸和材料特性变化时的有效宽度计算法。1969年，Davies[11]对参数不同的简支组合梁进行了试验研究，在试验基础上得到了简支组合梁的纵向抗剪计算公式。

（4）20世纪70年代

1971年，Ollgaard等[12]根据推出试验结果，得到了栓钉承载力计算公式，该公式形式简单，适用性强，被各国规范广泛采用。1972年，Colville[13]对用于桥梁中的曲线组合梁进行了纯扭及弯扭试验；Johnson、Willmington对部分抗剪连接组合梁进行了试验研究；Yam、Chapman等[14]对两跨连续组合梁进行了试验研究。1977年，Singh、Mallick等[15]对工字型钢-混凝土组合梁进行了抗扭试验，结果表明钢梁对组合梁极限抗扭承载力的贡献较小。1978年，Ansourian等[16]对6根简支组合梁进行了试验，同时进行了弹性和弹塑性数值分析，分析中考虑了滑移和残余应力的影响。随着有限元理论的发展，数值分析方法也开始用于组合梁的研究领域。

（5）20世纪80年代

1980年Baus等[17]对弯扭作用下的组合梁进行了试验研究。1982年，Akao等[18]进行了栓钉推出疲劳试验，试验发现栓钉高度不会影响疲劳强度，在试验基础上进行了可靠性分析，并提出了重复荷载作用下栓钉的疲劳承载力计算公式；Ansourian等[19]分别对6根连续组合梁和4根正弯矩区组合梁的转动能力进行了试验研究，给出了计算钢梁破坏时最小非弹性转动及变形的计算公式，试验发现，当组合梁采用密实截面钢梁并具有足够的抗剪连接件时，即使对塑性铰转动能力有较高的要求，按塑性整体分析方法和塑性抗弯承载力进行设计也有足够的可靠性。1984年，Hawkins、Mitchell[20]对13个试件进行了单调加载试验，对10个试件进行了循环加载推出试验，试验变化参数为是否使用压型钢板以及压型钢板的形状和方向等，试验观察到了4种破坏类型：连接件剪切破坏、混凝土受拉破坏、板肋剪切破坏和板肋冲切破坏。1986年，Oehlers等[21]研究了受单向循环和反向循环加载的大量推出试验结果，得到了每次疲劳循环加载引起的残余滑移变形量。1987年，Basu等[22]对两跨部分预应力连续梁进行了试验研究，在组合梁的负弯矩区施加了预应力，对负弯矩区组合梁的力学性能进行了分析。

（6）20世纪90年代

1990年，Wright[23]对8根部分抗剪连接的简支钢-压型钢板混凝土组合梁进行了试验，结果表明：组合梁中抗剪连接件的刚度要大于推出试件中抗剪连接件的刚度，在抗剪连接程度较低的情况下，需要考虑抗剪连接件的非线性特性，并提出了一种考虑组合梁非线性滑移特征的分析模型。Crisinel[24]对3根采用栓接角钢抗剪连接件的钢-压型钢板混凝土简支组合梁进行了试验研究，结果表明：栓接角钢抗剪连接件是有效的抗剪连接形式，同时提出了一种对截面进行折减的方法以考虑部分抗剪连接对组合梁承载力的影响。Hiragi等[25]在总结了179个静力和145个疲劳试验数据的基础上，使用回归分析的方法得到了栓钉疲劳强度计算公式。1991年，Bradford等[26]对4根简支组合梁进行了试验研究，对其中两根试件施加均布荷载，另两根则在自重下持荷200天以观察混凝土板的收缩和徐变，得到了一致性较好的结果。1992年，Bradford等[27]对钢-混凝土简支组合梁的长期性能进行了研究分析，发现滑移应变随混凝土的收缩徐变而逐渐增大，并提出了一种计算钢-混凝土组合梁长期效应的简化方法。1994年，Porco等[28]使用有限元方法对钢-混凝土组合梁进行了参数分析，在有限元模型中考虑了混凝土裂缝的影响。1995年，Kemp等[29]对7根连续组合梁的非弹性性能进行了试验研究，研究发现组合梁的转动能力与钢梁的截面受压高度和负弯矩区的横向长细比有很大关系。1996年，Gattesco等[30]对栓钉连接件在双向循环荷载作用下的性能进行了研究，发现在双循环荷载作用下栓钉可能超过弹性范围而进入屈服状态。1997年，Taplin等[31]对对称循环加载和单向循环加载作用下的栓钉累计滑移进行了研究，提出了循环加载水平与每个加载循环滑移增长率的关系式；同年，Yen等[32]对44根钢-混凝土简支组合梁在静力和疲劳荷载下的试验结果进行汇总并得出结论：组合梁在疲劳荷载作用下混凝土翼板首先开裂并出现裂缝，裂缝开展最终导致了试件破坏，疲劳试验中组合梁的抗弯刚度会逐渐下降。1998年，Wang等[33]对部分抗剪连接的组合梁挠度进行了分析研究，提出了通过抗剪连接件的刚度来计算部分抗剪连接组合梁最大挠度的计算方法。1999年，Fabbrocino等[34]通过对钢-混凝土组合梁进行非线性分析，分析发现抗剪连接件对组合梁的整体工作性能有很大影响，模拟过程中剪切连接件的选择非常关键，并且给出了抗剪连接件的受力和相对滑移曲线关系式；同年，Thevendran等[35]使用有限元软件ABAQUS建立了简支曲线型组合梁的三维有限元计算模型，分析发现曲线型组合梁的抗弯承载力随着梁跨度与曲线半径比的增加而减小；同年，Manfredi等[36]通过试验发现组合梁的负弯矩区在很低的应力下就会表现出较强的非线性性能。

（7）21世纪至今

2000年，Thevendran等[37]对5根简支曲线组合梁进行了试验研究，试验结果与有限元结果吻合良好。2001年，Salari等[38]对钢-混凝土组合梁的非线性混合有限元模型进行了分析研究，研究发现，对单调和循环荷载作用下的部分剪切连接组合梁，使用内力和滑移相对独立的混合模型可以准确地反映混凝土板和钢梁之间的相对滑移。2002年，Baskar等[39]使用三维有限元模型对负弯矩作用下的钢-混凝土组合梁进行了非线性分析，其可以较好地反映组合梁在极限荷载下的受力特性；同年，Amadio等[40]使用ABAQUS软件对钢-混凝土组合梁的混凝土翼板有效宽度进行了弹性分析和弹塑性分析。分析表明，弹性分析时翼板有效宽度受抗剪连接件刚度的影响较大，弹塑性分析时，翼板有效宽度受塑性重分布的影响会有所增加。2003年，Faella等[41]使用参数分析方法对简支组合梁的挠度进行了非线性分析，找出了多个对组合梁挠度影响较大的非线性参数。2004年，Loh等[42]对负弯矩作用下的部分抗剪连接组合梁的受力性能进行了研究，研究表明，组合梁的极限承载力并没有随着抗剪连接程度的降低而明显下降，其延性却有了一定的提高，同时针对实际应用提出了修正的刚-塑性方法；同年，Fragiacomo等[43]使用改进后的切线刚度法对混凝土板和钢梁的非线性性能进行了分析，研究了材料的非线性特性对组合梁的影响程度。2011年，Zona等[44]通过对比分析建立了较为精确的模型，并在此基础上分析了部分交互力作用下的钢-混凝土组合梁在弯曲及剪力共同作用下的力学性能。2013年，Lin等[45]对8根组合梁进行了试验，研究了组合梁在疲劳及负弯矩作用下的力学性能，同时分析了不同加载方式、剪切连接件、橡胶涂层及钢纤维混凝土等多种因素对组合梁力学性能的影响。(https://www.xing528.com)

2）钢-混凝土组合梁在国内的研究进展

组合梁在我国的应用与研究起步相对较晚。20世纪50年代，国内开始将组合梁用于桥梁工程，在1957年建成的武汉长江大桥，其上层公路桥的纵梁就使用了组合梁，但是当时仅仅将其作为强度储备以及施工方便，并没有考虑混凝土与钢梁之间的组合作用。此后，组合梁还在电力、冶金、煤矿、交通等工程中有所应用，如唐山陡河电厂、太原第一热电厂工程中的组合楼层采用了叠合板组合梁；承德钢厂使用了18 m跨度的钢-混凝土组合吊车梁，比纯钢吊车梁节省了20%的钢材；沈阳煤矿设计院在1963年将组合梁结构用于煤矿井塔结构；我国铁道部还编制了公路及铁路组合梁桥梁的标准图集。近20年来，随着我国经济的迅猛发展，组合梁的应用越来越广泛，应用领域和规模都有较大变化。很多超高层建筑都使用了组合结构，如上海环球金融中心（492 m）、深圳赛格广场（355.8 m）等。此外，组合梁在桥梁工程方面的应用也较为广泛，如1993年建成的北京国贸桥，其主跨采用了钢-混凝土叠合板连续组合梁；跨度423 m的上海南浦大桥和跨度602 m的杨浦大桥均为采用了钢-混凝土组合梁的斜拉桥；2001年在北京机场高速苇沟桥的加固改造中使用了钢-混凝土叠合板；2013年建成的跨兰西高速公路特大桥是国内首次采用的1联（80 m+168 m+80 m）的连续梁-钢桁组合结构。大量的工程实践证明，钢-混凝土组合梁具有很好的经济效益和社会效益，符合我国国情，具有广阔的应用前景。

我国对组合梁的系统研究开始于20世纪80年代，原郑州工学院、哈尔滨建筑工程学院、山西省电力勘测设计院、华北电力设计院以及清华大学等单位研究者先后对钢-混凝土组合梁进行了研究，取得了大量有理论意义和实用价值的研究成果[46]。这一时期国内对组合梁的研究以试验及理论分析为主，内容包括：组合梁的破坏形态和极限承载力、剪切连接件的工作性能、刚度和滑移对组合梁受力性能的影响、组合梁的抗弯承载力；对于连续组合梁性能的研究也开始出现，如连续组合梁的内力重分布、负弯矩区承载力及裂缝问题等。

在20世纪90年代组合梁研究在我国进入了关键的发展阶段。从1991年开始，聂建国等对组合梁进行了大量的研究工作[47-50]：1991年，通过试验研究了剪力连接件的工作性能，提出了计算剪力连接件实际承载力的计算方法；1995年，提出用折减刚度法来分析滑移效应对组合梁变形的影响，得到了实用计算公式；1997年，对混凝土翼板的纵向抗剪性能进行了试验研究，建立了纵向抗剪计算模型和公式，分析了影响纵向开裂的因素。1998年，对叠合板组合梁进行了抗震研究，并提出了组合梁的延性指标和刚度折减系数。1999年，对组合梁的恢复力模型进行了分析研究，同年对高强混凝土组合梁的栓钉连接件的设计计算进行了研究。

1995年，王连广等[51]对钢-轻骨料混凝土组合梁和火山渣混凝土组合梁进行了研究，得到了不同类型的抗剪连接件的荷载-滑移方程。

进入21世纪以来，我国在钢-混凝土组合梁方面的研究范围更广，获得的成果也比较多。目前，大部分研究人员对组合梁的研究内容主要包括钢-混凝土组合梁负弯矩区受力性能的研究、预应力组合梁工作性能的研究、高强混凝土组合梁工作性能研究以及与组合梁理论研究有关的新方法等，简要阐述如下。

（1）负弯矩区钢-混凝土组合梁的研究

聂建国、樊健生等[52，53]对负弯矩区组合梁的刚度及承载力进行了研究，分析了负弯矩作用下组合梁的钢梁与混凝土板之间的滑移效应以及混凝土与纵向钢筋间的黏结滑移对刚度的影响，提出了对应的计算模型和计算方法；薛建阳[54]、付果[55]等对组合梁抗剪性能进行了试验研究，结果表明：组合梁负弯矩区的界面滑移规律与正弯矩区的不同，同时发现，无论组合梁翼板处于受压区还是受拉区，其对抗剪承载力都有明显的贡献，目前规程中仅考虑钢梁抗剪是偏于保守的；张彦玲，李运生等[56]计算了组合梁负弯矩区的有效翼缘宽度，将计算结果与试验结果进行了对比，并分析了组合梁负弯矩区混凝土开裂对剪力滞效应和有效翼缘宽度的影响。

（2）预应力组合梁工作性能的研究

郑则群等[57]通过编制非线性有限元程序对预应力钢-混凝土组合梁受力全过程的力学性能进行了研究分析，能较精确地预见和分析加载受力过程中预应力增量、界面相对滑移、组合梁极限承载力等受力性能；余志武、郭风琪等[58]对负弯矩作用下部分预应力钢-混凝土组合梁进行了试验研究，分析了裂缝的产生及发展规律；聂建国、陶慕轩等[59]对预应力钢-混凝土连续组合梁的变形计算进行了分析，提出混凝土支座开裂区长度以及预应力筋内力增量的计算公式，为工程设计提供了参考。

（3）高强混凝土组合梁工作性能研究

许伟、王连广等[60]通过对钢与高强混凝土组合梁进行试验，对其变形性能进行了分析，推导了不同荷载作用下的钢与高强混凝土组合梁的变形计算公式；聂建国等[61]通过试验研究了钢-高强混凝土组合梁在静载作用下的抗弯性能，并对现行规范中关于组合梁正截面受弯承载力计算公式进行了修正。

（4）理论研究有关的新方法

聂建国等[62]研究了横向荷载作用下单向简支组合梁-板体系在翼缘板中存的剪力滞后现象，通过拟合得到了有效宽度的简化计算公式。周东华等[63]提出了钢-混凝土组合梁挠度计算的新方法，即有效刚度法，该方法力学概念清晰、形式简单，计算精度较高。