U形钢-混凝土组合梁具有普通组合梁承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、截面尺寸小和施工快速等优点,同时具有负弯矩作用下承载力高、抗火性能和建筑效果好等优点,因此在国内外已经得到一定的应用。但目前该类组合梁常采用栓钉作为连接件,存在施工成本高、施工过程中钢梁稳定性差等缺点,同时该类组合梁中钢梁外露,仍需进行抗火设计以满足建筑耐火极限要求,而现有规范和已有研究中尚缺乏该类组合梁的抗火设计方法,限制了此类组合梁的应用。为进一步推广此类组合梁的工程应用,本文将对不同形式剪力连接件的抗剪性能进行对比研究,提出适合U形钢-混凝土组合梁的剪力连接件形式,研究该类组合梁的抗弯性能和抗火性能,得到其常温及高温下的设计方法。具体研究内容包括:(1)进行了5种不同形式连接件抗剪性能推出试验,连接件形式包括角钢焊接于U形钢梁上翼缘、角钢焊接于U形钢梁腹板、栓钉焊接于U形钢梁上翼缘、双钢板焊接于U形钢梁腹板、角钢焊接于U形钢梁腹板与栓钉焊接于U形钢梁上翼缘共同工作。对比研究了不同连接件破坏模式、承载力、滑移能力、延性、刚度以及荷载-滑移关系曲线等,综合考虑连接件的抗剪性能和施工便利性,表明5种连接件中角钢焊接于钢梁腹板更适合用于U形钢-混凝土组合梁。在此基础上通过6个试件的推出试验对焊接于U形钢梁腹板的角钢连接件进行了深入分析,研究了角钢连接件的剪力传递机理。(2)采用ABAQUS有限元分析软件建立了焊接于U形钢梁腹板的角钢连接件推出试验有限元分析模型,模型中考虑了钢材的延性损伤、剪切损伤以及混凝土的拉压损伤。采用试验验证了有限元模型的可靠性,分析了角钢连接件受力机理,研究了钢材屈服强度、混凝土抗压强度、角钢连接件厚度、宽度和高度等参数对角钢连接件承载力、延性和荷载-滑移关系曲线的影响规律,在大量参数分析的基础上,提出了该角钢连接件荷载-滑移关系曲线的简化计算方法。(3)进行了4根采用焊接于钢梁腹板角钢连接件的U形钢-混凝土组合梁足尺抗弯试验,研究参数包括连接件类型和数量,分析了不同参数下各试件的破坏模式、承载力、梁端滑移以及特征点应变发展过程。对比验证了现有规范中完全剪力连接组合梁和部分剪力连接组合梁承载力计算方法,提出了组合梁受弯全过程弯矩-曲率简化计算方法。(4)进行了ISO 834标准火灾作用下4根U形钢-混凝土组合梁抗火性能试验,研究参数包括荷载比、防火涂料和配置纵向钢筋。实测了试件各测点位置的温度-时间关系曲线、挠度-时间关系曲线以及试件的耐火极限,并分析了试件的破坏模式,研究了荷载比、涂刷防火涂料及配置纵向抗火钢筋等对该组合梁抗火性能的影响规律。(5)采用ABAQUS有限元分析软件建立了U形钢-混凝土组合梁在ISO834标准火灾作用下温度场及耐火极限有限元分析模型,通过试验和已有研究结果验证了模型的可靠性,对比了U形钢-混凝土组合梁和箱形钢-混凝土组合梁的抗火性能;分析了组合梁截面尺寸、防火涂料厚度等参数对U形钢-混凝土组合梁温度场的影响规律;分析了材料强度、组合梁截面尺寸、防火涂料厚度、纵向抗火钢筋和荷载比等参数对组合梁耐火极限的影响规律。提出了U形钢梁温度、纵向钢筋温度和混凝土板温度场的简化计算方法,在此基础上考虑高温对各材料力学性能的影响,提出了火灾下U形钢-混凝土组合梁抗弯承载力简化计算方法。