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上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究 pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn书书书第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitec符等。

http:qkscqueducn书书书第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究李国强1a1b李 亮1a李现辉2司林军1a(1.同济大学a.土木工程学院b.土木工程防灾国家重点实验室上海2000922.河南徐辉建筑工程设计事务所郑州450008)收稿日期:20101016基金项目:国家科技支撑计划项目(2006BAJ01B02)作者简介:李国强(1963)男教授博士生导师主要从事多高层钢结构及钢结构抗火性能研究(Email)gqli@mail.tongji.edu.cn。摘 要:提出了一种新型腹板嵌入式钢混凝土组合梁并对该组合梁的整体抗弯性能和抗剪性能进行了研究。首先阐述了腹板嵌入式钢混凝土组合梁的构成、受力特点和主要优点然后介绍了该组合梁的抗弯承载力、钢梁与混凝土翼板之间的滑移以及挠度计算公式。通过竖向荷载作用下的静力加载试验对4个腹板嵌入式钢混凝土组合梁试件的抗弯承载力、滑移影响及破坏特征进行了足尺试验研究并利用有限元方法对4个试件的试验结果进行了对比最后将理论公式得到的腹板嵌入式钢混凝土组合梁的抗弯承载力、滑移及挠度计算结果与试验及有限元分析的结果进行比较验证了理论公式的可靠性。研究表明腹板嵌入式钢混凝土组合梁具有良好的整体抗弯性能及抗剪性能能够节约钢材。关键词:组合梁梯形连接件倒T型钢梁抗弯承载力中图分类号:TU375.1  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03000107犜犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犪狀犱犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犅犲狀犱犻狀犵犅犲犺犪狏犻狅狉狅犳犆狅犿狆狅狊犻狋犲犅犲犪犿狑犻狋犺犖狅狋犮犺犲犱犠犲犫犔犐犌狌狅狇犻犪狀犵1犪1犫犔犐犔犻犪狀犵1犪犔犐犡犻犪狀犺狌犻2犛犐犔犻狀犼狌狀1犪(1a.CollegeofCivilEngineering1b.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineeringTongjiUniversityShanghai200092P.R.China2HenanSunriseArchitecturalDesignInstituteZhengzhou450008P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Anewkindofsteelconcretecompositebeamwithnotchedwebisproposedandthebendandshearbehaviorsofthiscompositebeamareinvestigated.Firstofalltheconstitutionbearingcharacteristicsandmeritsofthesteelconcretecompositebeamwithnotchedwebareintroducedthenagroupofformulasaboutthebendingcapacityslipbetweenthesteelbeamandtheconcreteflangeandthedeflectionareintroducedafterthatthebendingbehaviorslipeffectandbearingcharacteristicofthesteelconcretecompositebeamwithnotchedwebarestudiedon4specimenswhicharetestedbyapplyingtwoconcretedverticalloadsonthetopofconcreteflange.Andthefiniteelementmodelisadoptedtoanalyzetheresultsofthe4specimensfinallythereliabilitiesoftheformulasareverifiedbycomparingtheresultsoftheoreticalformulastheresultsoftestsandthatoffiniteelementanalysis.Studyshowsthatthebendbehaviorandshearbehaviorarefineandthepopularizationofthisnewkindofcompositebeamwhichcanbebroadlyusedinbuildingengineeringwillsavetheconsumptionofsteel.犓犲狔狑狅狉犱狊:compositebeamsandgirdersnotchedwebinvertedTshapedsteelbeambendingcapacity  传统的钢混凝土组合梁利用H型钢梁来承受拉力依靠混凝土翼板来承受压力有效地发挥了钢http:qkscqueducn材和混凝土的优点在建筑工程中得到广泛应用[13]如图1(a)所示。由于H型钢梁上翼缘离截面中和轴较近在正弯矩作用下应力较小因此材料强度没有充分发挥。腹板嵌入式钢混凝土组合梁略去了钢梁的上翼缘用腹板顶部的梯形连接件代替栓钉不仅减小钢材用量而且避免了焊接工序降低了工程造价具有显著的经济效益如图1(b)所示。为了使腹板嵌入式组合梁在实际工程得到推广有必要对其抗弯性能和抗剪性能进行研究。图1 钢混凝土组合梁梯形连接件将楼板与钢梁连为一体对于保障混凝土楼板与钢梁协同工作具有重要意义。文献[4]对6个足尺腹板嵌入式组合梁试件连接件的抗剪性能进行了试验研究和参数分析试验结果表明梯形连接件具有较高的抗剪承载力易于在混凝土楼板与钢梁之间实现完全抗剪连接。文献[5]通过对6个组合梁试件的梯形连接件进行抗拔试验研究了连接件的抗拔性能及其影响因素试验结果表明连接件的抗拔承载力均远大于其抗剪承载力的10%能够保证混凝土板与钢梁之间具有足够的抗拔能力。由于钢梁为倒T形截面其侧向刚度低稳定性较差不利于施工阶段的受力因此文献[67]提出在钢梁下翼缘上部设置垫块和施工支撑的方法当倒T钢梁承受施工荷载时荷载作用点下移有利于提高钢梁的稳定性可满足施工阶段承受施工荷载的要求。该文首先介绍了腹板嵌入式组合梁抗弯承载力、滑移和挠度的计算公式。通过对4个足尺试件进行试验研究了组合梁的抗弯性能、滑移效应及破坏特征并利用有限元方法对4个试件的试验过程进行模拟。最后将理论公式计算得到的抗弯承载力、滑移及挠度与试验和有限元分析结果进行对比验证理论公式的可靠性。1 腹板嵌入式组合梁抗弯及滑移计算11 基本假定  采用塑性分析法计算腹板嵌入式组合梁的抗弯承载力。为此采用以下基本假定[810]:1)连接件能够保证钢梁与混凝土翼板协同工作且钢梁不会发生局部和整体失稳2)混凝土受压区应力均匀分布能达到抗压设计强度同时不考虑受拉混凝土开裂后性能3)钢梁的受拉区和受压区应力均匀分布且均能达到钢材的设计强度。12 抗弯承载力计算组合梁按塑性中和轴的位置可分为2类截面:第1类截面塑性中和轴位于混凝土翼板内第2类截面塑性中和轴位于钢梁腹板内如图2所示。图2 组合梁截面分类及应力分布1)第1类截面抗弯承载力计算公式第1类截面的塑性中和轴位于混凝土翼板内于是:犃犳犫e犺c犳c(1)由力矩的平衡条件可得:犕犫e狓犳c狔(2)由截面上力的平衡条件可得:狓=犃犳/(犫e犳c)(3)式中犃为钢梁的截面面积犳为钢材抗拉强度设计值犫e为混凝土翼板的有效宽度犺c为混凝土翼板的厚度犳c为混凝土抗压强度设计值犕为正弯矩设计值狓为混凝土受压区高度狔为钢梁截面形心与混凝土受压区截面应力合力的距离。2土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn2)第2类截面抗弯承载力计算公式第类截面是塑性中和轴位于钢梁腹板内于是:犃犳>犫e犺c犳c(4)根据截面上力的平衡条件可得犃c=0.5(犃-犫e犺c犳c/犳)(5)由截面上力矩的平衡条件可得犕犫e犺c犳c狔1+犃c犳狔2(6)式中犃c为钢梁受压区截面面积狔1为钢梁受拉区截面形心到混凝土翼板受压区截面形心的距离狔2为钢梁受拉区截面形心到钢梁受压区截面形心的距离。13 滑移及挠度计算公式1.3.1 滑移的计算公式 在竖向荷载作用下钢梁与混凝土翼板之间会产生剪力并伴随着滑移发生。通过求解平衡微分方程得到简支腹板嵌入式组合梁交界面上滑移的微分方程为[812]:d2狊d狓2-α2狊=β犞(7)式中α2=犽狌(1犈犐犺2+1犈犃)β=犺犈犐犈犐=犈s犐s+犈c犐c1犈犃=1犈s犃s+1犈c犃c犞为组合梁截面剪力犽为连接件的滑移刚度狌为连接件间距犺为组合梁的截面高度犈s犈c分别为钢材和混凝土弹性模量犐s犐c分别为钢材和混凝土截面惯性矩。在均布荷载下滑移沿梁长的分布函数为:狊=狇β(eα狓-e-α狓)α3(e0.5犾α+αe-0.5犾α)-β狇狓α2(8)式中狇为均布荷载狓为滑移计算位置相距梁左端的长度犾为简支梁的跨度。在对称集中荷载作用下滑移沿梁长的分布函数为:狊=β犘(eα犪+e-α犪)2α2(1+e-犾α)(eα犪-α犾+e-α狓)-β犘α2狓[0犪](9)狊=β犘(eα犪-α犾-e-α犪)2α2(1+e-犾α)(eα狓-e-α狓)狓[犪犾/2](10)式中犘为集中荷载犪为竖向荷载作用点相距梁左端的长度。1.3.2 考虑滑移效应时组合梁挠度计算公式 根据叠加原理钢混凝土组合梁总挠度为:δ=δe+Δδ(11)式中δe为根据弹性换算截面法得到的挠度Δδ为滑移效应引起的附加挠度。在均布荷载下由滑移效应引起的简支梁附加挠度为[1113]:Δδ1=β狇犺犾28-1α()2(12)在两点集中荷载下由滑移效应引起的简支梁附加挠度为:Δδ2=β犘2犺犾2-犫-e-α犫()α(13)式中犫为集中荷载到跨中的距离。2 腹板嵌入式组合梁抗弯性能试验研究21 试件介绍  设计了4根腹板嵌入式组合梁试件来研究竖向荷载作用下组合梁的抗弯性能、滑移效应和破坏机理同时研究混凝土强度、组合梁截面高度、梯形连接件尺寸和横向配筋率等参数的影响试件尺寸如图3所示具体参数详见表1。图3 试件犈犆犅1犈犆犅2(犈犆犅3犈犆犅4)尺寸详图表1 试件主要参数表试件编号混凝土等级梁长/mm组合梁高/mm槽钉上宽/mm槽钉下宽/mm槽钉高度/mm槽钉距/mm槽钉斜率/mm纵向钢筋横向钢筋ECB1C20348032016080702401.76Φ8@100Φ10@100/200ECB2C30348032016080702401.76Φ8@100Φ10@100/200ECB3C203750380200100803001.6Φ8@100Φ8@80/160ECB4C303750380200100803001.6Φ8@100Φ8@80/160  注:槽钉斜率是指开槽的等腰梯形斜边的斜率。3第3期李国强等:腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究http:qkscqueducn  钢梁采用Q235级钢由材性试验得到钢材的屈服强度为300MPa弹性模量为2105MPa混凝土抗压强度根据边长为150mm的立方体试件标准试验方法测得C20的抗压强度为24.47N/mm2C30的抗压强度为30.86N/mm2。22 加载方案试验在同济大学结构试验室完成。所有组合梁试件两端均采用铰接其中固定铰接支座用固定钢棒来实现而滑动铰接支座采用可滑动钢棒来实现。通过2根钢梁(型号为I20a)将竖向荷载均匀地传递到混凝土翼板上如图4所示。图4 试件加载方案加载方案是先加载0.2犘u(犘u为预计的极限承载力)并保持一段时间(目的是为了观察位移计和应变计读数是否正常)然后完全卸载后再重新单调加载至试件破坏。23 测量方案4个试件测量方案完全相同。每个试件设置10个位移计对组合梁不同部位的位移和滑移进行量测:1)位移计犱1犱3是为了测量组合梁跨中和加载点处挠度2)位移计犱4犱7是为了对组合梁两端侧向位移及支座沉降进行量测3)在半跨均匀布置的位移计犱8犱10以测量混凝土翼板和倒T形钢梁之间的滑移如图5(a)所示。每个试件上设置17个应变片对组合梁对称轴上不同部位的应变进行了量测:1)在混凝土翼板侧面、钢梁腹板侧面以及翼缘底面共布置8个应变片来测量跨中不同梁高部位的应变如图6(a)所示2)在混凝土翼板顶面沿对称轴均匀布置9个应变片来测量混凝土翼板的压应变如图6(b)所示。图5 组合梁上位移计布置图6 组合梁上应变片布置示意图24 试验现象及破坏特征在垂直于钢梁方向通过对4个试件的数据进行汇总可知当荷载低于0.2~0.4犘u时混凝土翼板没有出现裂缝整个构件处于弹性状态当荷载达到0.6~0.7犘u时在混凝土翼板侧面加载梁的位置分别出现一条竖向裂缝如图7(a)所示当荷载达到0.7~0.8犘u时加载梁之间的纯弯段混凝土翼板侧面出现多道竖向裂缝且分布均匀如图7(b)所示当荷载达到0.8~0.9犘u时混凝土翼板中的裂缝宽度进一步增大混凝土翼板下部出现开裂和剥落现象且倒T形钢梁下翼缘钢材应变达到屈服值如图7(c)所示当荷载达到极限荷载时加载梁处混凝土裂缝宽度增大并相互贯通混凝土严重剥落组合梁弯曲变形明显并达到极限状态如图74土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn(d)所示。图7 混凝土板裂缝发展过程(垂直于钢梁轴线方向)在沿着钢梁轴线方向当荷载低于0.2~0.4犘u时钢梁和混凝土翼板之间没有明显的滑移当荷载达到0.4~0.6犘u时混凝土翼板和钢梁之间检测到微小的滑移但沿着钢梁轴线方向在混凝土翼板上尚未观测到裂缝当荷载达到0.7~0.8犘u时钢梁和混凝土翼板之间发生明显滑移同时在混凝土翼板上沿着梯形连接件的方向出现裂缝如图8(a)所示当荷载达到极限荷载时混凝土翼板上的裂缝开裂非常明显且裂缝致使混凝土翼板局部部位出现隆起现象而破坏严重如图8(b)所示。图8 混凝土板裂缝发展过程(沿钢梁轴线方向)25 试验结果及分析对试验数据进行整理得到4根腹板嵌入式组合梁的荷载跨中挠度关系曲线如图9(a)所示。当荷载低于0.6~0.7犘u时荷载跨中挠度曲线都呈线性发展构件处于弹性状态当荷载为0.8~0.9犘u时组合梁的刚度明显下降荷载跨中挠度关系曲线的非线性特征越来越显著构件处于弹塑性阶段当荷载达到大约0.95犘u时荷载基本不变而挠度迅速增大荷载跨中挠度曲线接近水平组合梁的挠度发展迅速试件很快发生破坏。将位移计测得的滑移数据进行比较可知位移计犱9测得的滑移最大考虑到加载梁宽度的影响可确定最大滑移发生在集中荷载作用点处。各试件荷载最大滑移曲线如图9(b)所示当荷载低于0.6~0.7犘u时基本没有滑移当荷载为0.8~0.9犘u时滑移迅速增大当荷载达到大约0.95犘u时荷载基本不变而滑移迅速增大荷载滑移曲线接近水平。分析表明试件ECB1和ECB2(ECB3和ECB4)除了混凝土强度等级不同以外其它参数完全一致而其荷载跨中挠度曲线和荷载最大滑移曲线基本一致。因此对于中和轴位于混凝土板内的腹板嵌入式钢混凝土组合梁混凝土强度等级对构件的承载力和延性影响不显著。图9 嵌入式组合梁试验曲线5第3期李国强等:腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究http:qkscqueducn3 抗弯性能有限元分析31 模型介绍  为了将有限元分析结果与试验结果进行对比对4个试验试件进行了竖向荷载作用下的有限元分析划分单元后的有限元模型如图10所示具体介绍如下:图10 单元划分后的组合梁有限元模型1)钢梁采用4节点三维shell181壳单元来模拟该单元能考虑钢材塑性和大变形的影响。2)混凝土翼板采用8节点solid65实体单元模拟该单元通过定义混凝土材料的Willam&Warnke5参数破坏准则和弹塑性本构关系来考虑混凝土开裂、压碎、塑性变形和蠕变影响[14]从而得到混凝土的开裂情况钢筋采用弥散式配筋模型通过定义配筋率来模拟分散在混凝土中的钢筋网。3)混凝土翼板与钢梁之间的连接滑移效应采用非线性弹簧单元Combin39来模拟弹簧单元的力-变形曲线根据文献[4]的推出试验结果得到。  钢材采用材性试验的数据σ-ε关系取双线性随动强化模型混凝土采用C20和C30由《混凝土结构设计规范》得到抗拉强度分别1.68MPa和2.57MPaσ-ε关系采用E.Hognestad模型。32 分析结果通过对腹板嵌入式组合梁的有限元模型进行分析得到了在竖向荷载作用下混凝土楼板的纵向裂缝分布情况如图12所示。将有限元结果与试验结果进行对比可知在竖向荷载作用下有限元模型中混凝土翼板顶部裂缝走向(如图11)与试验得到的裂缝走向(如图8)符合良好。图11 有限元模型(混凝土纵向裂缝分布)将有限元分析得到的组合梁荷载跨中挠度曲线与试验结果进行对比可知有限元分析得到的构件初始刚度与试验结果符合较好有限元分析得到的极限承载力略高于试验结果基本上符合较好如图12所示。同时有限元分析也表明腹板嵌入式组合梁具有较高的抗弯承载能力和良好的延性性能。图12 有限元分析与试验研究结果对比(荷载挠度曲线)6土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn4 各种结果对比41 抗弯承载力公式验证  为了验证腹板嵌入式钢混凝土组合梁抗弯承载力计算公式的可靠性将理论公式得到的抗弯承载力与试验值和有限元分析值进行对比可知理论公式计算得到的抗弯承载力与试验和有限元方法得到的抗弯承载力吻合较好如表2所示。因此在工程实际中利用塑性计算方法估计腹板嵌入式钢混凝土组合梁的抗弯承载力是可靠的。表2 不同方法所得抗弯承载力比较试件ECB1ECB2ECB3ECB4实测值/kN142.5150.2228.6235.4有限元法/kN155.4164.3231.0260.1公式法/kN133.6136.6238.4244.9有限元法误差/%9.29.31.110.5公式法误差/%-6.3-9.34.64.242 滑移及其对挠度的影响在正常使用状态时将竖向荷载为0.6犘u时腹板嵌入组合梁滑移的测量值与理论公式的计算值进行对比可知理论公式得到的滑移大于实测滑移见表3。表3 滑移实测值与计算值的比较试件编号ECB1ECB2ECB3ECB4荷载水平/kN84.590.1137.2141.2实测滑移犛e/mm0.2450.2370.4440.405计算滑移犛c/mm0.3460.3210.6830.617比值犛e/犛c0.7080.7880.6600.666根据提出的挠度计算公式来研究滑移效应对挠度的影响对比发现不考虑滑移影响时挠度和考虑滑移影响时挠度比值的平均值为0.958可见不考虑滑移影响所带来的挠度误差小于5%满足工程精度要求如表4所示。因此计算腹板嵌入式组合梁在正常使用状态下的挠度时可忽略滑移效应的影响。表4 考虑和不考虑滑移效应时的挠度的比较试件编号ECB1ECB2ECB3ECB4竖向荷载/kN84.590.1137.2141.2无滑移效应挠度值δ1/mm3.753.765.795.80有滑移效应挠度值δ2/mm3.913.886.265.93比值δ1/δ20.960.970.920.985 结 论通过对倒T型腹板嵌入式组合梁的抗弯性能、滑移效应和破坏特征进行理论分析、试验及有限元研究可以得出以下结论:1)腹板嵌入式组合梁不仅能够节约钢材具有显著的经济效益而且具有较高的抗弯承载力和良好的延性应用前景非常广泛。2)塑性理论公式得到的组合梁抗弯承载力与试验和有限元方法得到的计算结果符合良好该理论公式可用于工程实际。3)由滑移效应引起的腹板嵌入式组合梁附加挠度很小计算正常使用状态下组合梁的挠度可忽略滑移效的影响。参考文献:[1]NEWMARKNMSIESSCPVIESTIM.Testandanalysisofcompositebeamswithincompleteinteraction[J].ExperimentalStressAnalysis19519(6):896901.[2]HIGGINSCMITCHELLH.Behaviorofcompositebridgedeckswithalternativeshearconnectors[J].JournalofBridgeEngineer20016(1):1722.[3]LIGUOQIANGLIXIANHUI.Studyonanovelsteelconcretecompositebeam[C]//ICASS′09/IJSSD/IStructEAsiaPacificForumSixthInternationalConferenceonAdvancesinSteelStructures.2009.[4]李现辉李国强.腹板嵌入式组合梁中抗剪连接件推出试验[J].建筑结构学报2009.30(4):7884.  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