外包角钢-混凝土组合梁正截面承载力试验研究.pdf

5 5 4 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 5卷第 6期 2 0 1 4年 6月 Vo 1 4 5 No 6 J u n 2 0 1 4 外包角钢一 混凝土组合梁正截面 承载力试验研究 陈宗平 ，张向冈 ，范 杰 ，薛建 阳2 ( 1 广西大学土木建筑工程学院 ， 5 3 0 0 0 4， 南宁； 2 西安建 筑科技 大学土木 工程学院 ， 7 1 0 0 5 5 ， 西安 ) 摘要 ： 为研究外包 角钢一 混凝土组合梁的受力性能，设计并制作了4 根外包 角钢一 混凝土组合梁试件 ， 进行 单调静载抗弯承载性能试验。 试验 实测了跨中挠度 、 混凝土应变 、 型钢应变 、 裂缝宽度等重要数据 ， 绘制出构件荷 载一 位移曲线 、 荷载一 应变曲线和应变沿截面高度分布 的曲线， 并对试验结果进行分析。 试验结果表明 ： 4 根组合 粱 试件破坏形态均 为弯曲破坏 ； 组合梁 有较优越的力学性能 ， 承载性能高 ， 延 性较好 ； 试件截面 平均应变 符合平截 面假定 。 关键词 ：外包角钢 ；组合梁 ；正截面 ；受力性能 ；弯曲破坏 中图分类号 ：T U 3 9 8 ； T U 7 4 6 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 5 5 4 0 3 EXPERI M ENTAL STUDY ON M ECHANI CAL BEHAVI OR OF S TEEL ENCAS ED CONCRETE COM POS I TE BEAM S CHEN Zo ng p i n g ，ZHANG Xi a ng g an g ，F AN J i e ，XUE Jian -y a n g f 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，Gu a n g x i Un i v e r s i t y ，53 0 0 0 4 ，Na n n i n g， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v il E n g i n e e r i n g ，X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ，7 1 0 0 5 5 ，X i a n，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y me c h a n i c a l b e h a v i o r o f s t e e l e n c a s e d c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms ，4 s p e c i me n s a r e d e s i g n e d a n d p r o d u c e d t o c a r r y o u t mo n o t o n i c s t a t i c fl e x u r a 1 l o a d i n g p e rfo r ma n c e t e s t Ba s e d o n t h e d a t a o t mi d s pa n d e fl e c t i o n ，s t r a i n o f c o n c r e t e a n d s t e e l ，c r a c k wi d t h ，t h e c u r v e s o f l o a d d e fle c t i o n，l o a ds t r a i n a n d s t r a i n d i s t r i b u t i o n a l o n g b e a m h e i g h t a r e d r a wn a n d a n a l y z e d I t i s c o n c l u d e d t h a t f a i l u r e mo d e s o f c o mp o s i t e b e a ms a r e a l l fle x u r a l f a i l u r e ；t h i s k i n d o f c o mp o s i t e b e a ms h a s s u p e rio r me c h a n i c a l c h a r a c t e r s ，h i g h b e a r i n g p r o p e r t i e s a n d e x c e l l e n t d u c t i l i t y ；Av e r a g e s t r a i n o f s e c t i o n c o n f o rm s p l a n e s e c t i o n a s s u mp t i o n Ke y wo r ds ：a n g l e s t e e l ；c o mp o s i t e b e a ms ；n o r ma l s e c t i o n ；me c h a n i c a l b e h a v i o r ；fl e x u r a l f a i l u r e 外包角钢一 混凝土组合结构是外部配置角钢的钢一 混凝土组合结构。已有试验证明口 - 3 ， 这种组合结构具有 承载能力高 、 延性好 、 构造简单 、 使用灵活 、 稳定性好和 综合效益高等优点 ， 有很好的应用前景和推广价值。目 前 国 内对 于钢 一 混凝 土组 合梁 主要 研 究类 型有 两种 ： 一 种是由混凝土翼缘扳和钢梁以及两者之间的剪力连 接件 组成 的普 通组 合梁 ；另一 种是型 钢被 包 裹在 混凝 土里面的型钢混凝土组合梁。尽管这两种组合梁受力 性能良好 ， 但 工程实践表明其在某些方面存在缺陷 7 】 ， 如混凝土与型钢之间的连接不易解决 ，两者之间的粘 结滑移和掀起不容忽视等 。 为丰富钢与混凝土组合结构内容 ，在课题组前期 研究的基础一 i 8 _ _ o l ， 本文研究了一种外包角钢的混凝土 组合粱。通过试验揭示其受力机理 ， 研究其抗弯性能。 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 一 O 1 3 1 基金项 目 ： 国家 自然科学基 金( 5 0 9 0 8 0 5 7 ，5 1 2 6 8 0 0 4 ) ； 广西科 学基金 ( 桂 科青0 8 3 2 0 0 4 ) 作者 简介 ： 陈宗平 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 广西玉林 人 ， 教授 ， 博士 生导师 ， 博 士 ， e - ma i h z p c h e n g x u e du e l 1 1 试验概 况 1 1 试 件设 计与 制作 本次试验共设计了4 根外包 角钢空间骨架 的混凝 土组合梁 ， 角钢骨架均为焊接而成 ， 混凝土采用强制式 混凝土搅拌机搅拌 。 混凝 土浇筑过程中 ， 预留立方体和 棱柱体标准试件 ， 并与试件同条件 自然养护 ， 试件 的截 面尺寸及其具体设计参数见表1 。在 表1 中， A = a h， a ) 9 左 支 座到 左加 载 点之 间 的距 离 ； p = v vv ， V 为缀 件 间 距范围内缀件的体积 ， 为缀件间距范围内填 充混凝 土 的体 积 ； p = + A ) ( b h ) ， A ， A 分别 为 受 拉 、受压 角钢 的截面面积。 表1 试件设计基本参数 试件 混凝土 截面尺寸 缀件体积 纵 向角钢 剪跨 比 编号 强度等级 b x h mm 配钢 - p j 配钢 率p A S ECB一1 C3 0 l 8 0 2 5 0 1 8 2 9 0 6 2 4 S ECB一 2 C5 0 1 8 0 x2 5 0 0 9 l 9 O 6 2 4 S ECB一 3 C3 0 1 6 0 x2 3 0 1 O 0 I 】 1 4 2 6 S ECB一 4 C5 0 1 8 0 x 2 5 0 1 8 2 9 O 6 2 I 4 2 0 1 4年 6月 陈宗平 ， 等 ： 外包角钢一 混凝土组合梁正截面承载力试验研究 5 5 5 1 2加 载装 置 本试验 采用单调对称集 中加载方式 ，荷 载 由手 动 千斤顶进行施加 ， 并通过力传感器进行数值控制 。 千斤顶位于分配梁和 反力架之 间 ，反力架 、力传感 器 、 干斤 顶 、 分配梁竖 向轴线 需保 持一致 ， 且 支座 的 轴线须与支墩的轴线重合 ，以保证试件安装 的精确 性 。 其加载装置如 图l 所示 ， 试件截面的配钢 图如 图2 所 示 一 1 角钢 1 分 配 梁 1 I I I l l l i L 一 一 l 丌 图l 加载装置示意 角L 5 0 5 扁 钢缀件 25 42 0o 图2试件截面 配钢示意 1 3加载 方式 加载方式采用荷载和位移联合控制的方法 。 首先 ， 对试件预载一次 ， 保证各部分接触 良好 ， 各测量仪器工 作正常 ， 然后 ， 采用荷载增量控制的方法 ， 进入正式加 载阶段 ， 3 0 k N为一级 ， 试件屈服之后 ， 采用等幅位移控 制 ， 以多于上一级加载跨 中竖向位移3 m m为级差进行 加载 。在每一级加载完成之后预留l 2 rai n ， 读取应变 、 挠度等全部测点数据 ， 并描取裂缝 、 测量宽度 、 记录试 验现象。 2 试 验结果及分析 2 1试件 的破 坏形 态 4 根组合梁配箍 率较高 ， 斜截面抗剪承载力得到明 显提高。 构件破坏时， 组合梁受拉角钢 已全部屈服， 型钢 与混凝土之间未发生纵向水平剪切破坏和粘结滑移破 坏 。 钢与混凝土协同工作性能良好。加载末期， 纯弯段 底部型钢全部受拉屈服 ， 顶部混凝土基本被压碎 ， 故构 件 的破坏 形式 为典 型 弯曲破 坏 。 具体 的破坏 形态 如 图3 所 示 。 2 2荷载一 挠度 曲线 试验实测的荷载一 跨中挠度曲线如图4 所示。 由图4 可见 ， 组合梁 的变形随荷载的增加表现为三 个工作阶段 ： ( 1 ) 弹性阶段 ， 组合梁 的角钢和混凝土共 同工作 ， 其变形随荷载增加呈线性增大 ， 混凝土没有开 裂 ， 梁的抗 弯刚度基本保持不变 ； ( 2 ) 正常使用阶段 ， 组 合梁开裂时 ， 曲线稍有转折 ， 一直到使 用阶段后期 ， 型 图3 试件破坏形态 5 1 0 1 5 2O 2 5 3 0 35 跨 中 挠 度 m m 图4 跨 中截面荷载一 挠度 曲线 钢开始屈服 ， 曲线都没有太大的转折 ， 组合梁 的抗弯刚 度因裂缝的产生和发展而略有降低 ； ( 3 )破坏阶段 ， 组 合梁的使用阶段后期至破坏 ， 由于下部型钢屈服 ， 使得 变形急剧增大 ， 曲线开始明显弯曲， 试件的抗弯刚度随 之不断减小 ， 但 由于上部型钢仍未 屈服 ， 所以构件 的承 载力随挠度的增大而稍微增加 ，直至构件最后因受压 区混凝土压碎而最终破坏。 2 - 3 荷 载一 应变 曲线 试验实测的跨 中底部型钢荷载一 应变曲线如图5 所 示。 由图5 可看出，4 根试件破坏时底部型钢早已屈服 ， 部分试件型钢的塑性性能充分发挥 ， 承载能力较大 ， 说 明型钢与混凝土协 同工作性能良好 ，且具有明显的屈 服台阶 不过构件的屈强比较小。 应 变s 1 O 图5 跨 中底部 角钢荷载一 应变 曲线 一口 。 L 5 5 6 建筑技术 第 4 5卷第 6期 2 4 应变沿截面高度变化 曲线 试验实测的应变沿截面高度变化曲线如图6 所示。 应 变 e l O ( b) 一4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 一 J 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 60 0 0 应 变 s l O ( d) 图6 应变沿截面高度变化 曲线 ( a ) S E C B - 1 ； ( h ) S E C B 一 2 ； ( c ) S E C B 一 3 ； ( d ) S E C B 一 4 从图6 可看出 ， 组合粱截面 的平均应变基本 符合 平截面假定 ，为下一步计算正截面极限抗弯承载力 奠定了基础。 3 施工 工艺 按 照 设 计 方 案 制 作 角 钢 骨 架 ， 制 作 骨 架 前 需 打磨 型钢表面 ， 且进 行除锈和粗 糙处理 ， 保 证 型钢 与混 凝土界面接 触 良好 ，焊接缀件 时应 紧贴 角钢 表面 。 角 钢 骨 架 制 作 完毕 之 后 ， 进 行 内 部 混 凝 士 的 浇筑 。利 用角钢 骨架 ， 并在 骨架底面 、 两 侧面 沿 角 钢 底边在缀 条处用工程 胶粘贴 木模板 ，这样 可 危 分 利用角钢 的模 板作业 ，又可使 各个部位 混凝 充 分浇筑 。 粘 贴工程胶之 前 ， 木模板 应徐刷薄薄 的 脱模剂 。最 后 ， 完成养 护 、 拆 模 等 工作 ， 并 对 混凝 土 表 面 浮 层 进 行 打 磨 处 理 。 4结束 语 4 根外包 角钢 一 混凝 土组合 梁 的破坏 形态 为典 型的弯曲破坏 ， 在受力过程 中 ， 抗弯承载 力高 、 延性 好 ； 在未设 置抗 剪连接件 的情况下 ， 角钢组合 粱未 发生纵向水平剪切破坏和纵 向粘结滑移破坏 ， 角钢 与混凝土协 同工作性能 良好 ； 且 角钢骨架可代替部 分模 板 ， 减 少支撑 ， 施工方便 。 此种类型结构不仅 可 用于火 电厂 、 化工厂等 工业厂房 ， 也可用于混 凝土 工程 的加 固改造 ， 具有 良好的工程应用前景和推广 价 值 。 参考文献 【 1 】 石启 印， 马波 ， 李爱群新型外包钢一 混凝土组合梁 的受 力性 能分 析 J J 实验 力学 ， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 1 5 1 2 2 2 1 薛建 阳钢与混凝 土组合结构设 计原理 M 】 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 01 0 【 3 】 石启印 ， 章荣国 ， 李爱群新型外包钢一 混凝 土组合 梁滑移及 变形 性能的试验 J 1 四川大学学报 ( =I = 学版 ) ， 2 0 0 6， 3 8 ( 6 ) ： 1 3 1 7 4 朱聘懦钢一 混凝 土组合梁设计原 理 M 北京 ： 中国建筑 _r = 业出 版社 1 9 8 9 5 F A N X u h o n g ， S H I Qi- y i n ， MA B o D e v e l o p me n ! a n d p e r s p e c t i v e o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms J I _J o u rna l o f J i a n g s u u n i v e r s i t y ( Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) ，2 0 0 4 ，2 5 ( 1 ) ： 8 9 9 2 6 】 赵静新型U型外包钢一 混凝土组合 梁薄 弱截 面分析 J 1 _建筑技 术 ， 2 0 0 9， 4 0 ( 9 ) ： 8 2 5 8 2 6 7 杜德 润 ， 李爱群 外包 钢一 混凝土组 合梁研 究进 展【 J 1 建筑技 术 ， 2 0 0 5， 3 6( 2 ) ： 1 1 6 1 1 7 【 8 】 陈 宗平 ， 张向 冈， 张士 前外包 角钢一 混凝 土组 合梁受 力一 能研 究 J J 哈尔滨 工业大学学报 ， 2 0 1 2 ， ( s 1 ) ： 1 5 9 0 9 陈宗平 ， 张向冈 ， 范 杰 ， 等外包槽钢一 混凝土组 合梁受力性 能研 究 J 1 建 筑结构 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 6 ) ： 6 8 7 1 1 O 1 韩宁 ， 李晓润 ， 吕俊江 型钢 混凝土在 大跨度悬 臂梁 结构 中的血 用叭 建筑技术 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 3 ) ： 2 7 6 2 7 7 0 O 2 O O 变 应 O O 4 咖 O 姗 湖 财 O 应 O 珈 一 一