新型钢-混凝土组合梁抗剪性能试验.pdf

第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 0年 3月 建筑科 学与 J o u r n a 1 o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i 1 En g i n e e r i n g Vo 1 ． 27 NO． 1 M a r ． 2 01 O 文 章 编 号 ： 1 6 7 3 — 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 — 0 0 9 7 — 0 5 0 新型钢一 混凝土组合梁抗剪性能试验 张兴虎 ， 徐 靖 ， 姜维 山 ( 西安建筑科技大学 土木工程学 院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 ： 提 出了一 种新 型钢一 混 凝 土组合 梁 ， 即取 消传 统 钢一 混 凝 土 组合 梁钢 部 件 的 上翼 缘 ， 在 腹 板 上 开 洞 ， 并在 混凝 土翼板 中布置 蛇形钢 筋 ； 对 3根 不 同剪 跨 比 的新 型 钢一 混凝 土组 合 梁 的抗 剪性 能进 行 了试验研 究 ， 并与 1根普 通栓 钉组 合 梁进 行 了对 比 ； 分析 了剪跨 比 对新 型 钢一 混凝 土组 合 梁 的破 坏 形 态、 变形 能力及 抗剪 承载 力的 影响 ， 并对 新型 组合 梁 的破 坏 机 理和 受力 特 点进 行 了详 细 阐述 。 结果 表 明 ： 新型 钢一 混凝 土组合 梁相 对 于栓钉 组合 梁具 有较 高的抗 剪 承载 力和 变形 能力 。 关键 词 ： 新 型钢一 混凝 土组合 梁 ； 剪跨 比； 抗剪 性能 ； 承载 力 ； 栓 钉组 合 梁 中图分类 号 ： TU3 9 2 ． 1 文献 标志码 ： A Ex p e r i m e n t o n S he a r Re s i s t a nc e Be h a v i o r o f Ne w S t e e l — c o n c r e t e Co m p o s i t e Be a ms Z HANG Xi n g — h u，XU J i n g，J I ANG W e i — s h a n ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y，Xi ’ a n 7 1 0 0 5 5，S h a a n x i ，C h i n a ) Abs t r a c t ：A ne w s t e e l — c o nc r e t e c o mpo s i t e be a m wa s pr o po s e d． The up pe r f l a n ge o f s t e e l p a r t s wa s c a nc e l e d，a nd t h e we b wi t h o pe ni n g wa s d e s i gn e d，a n d a l s o s e r p e n t i ne s t e e l b a r s i n c on c r e t e f l a n ge we r e l a i d ou t ． Thr e e s t e e l — c on c r e t e c o mpo s i t e b e a m s wi t h d i f f e r e nt s h e a r s pa n r a t i os we r e t e s t e d t o i n ve s t i g a t e t h e i r s he a r r e s i s t a n c e be h a v i or s ，a nd t he t e s t r e s ul t s we r e c o m p a r e d wi t h on e or d i n a r y s t ud c o mpo s i t e be a m s ． The i n f l ue nc e s o f s h e a r s p a n r a t i o s o n t he f a i l ur e mo de， di s t or t i on c a pa c i t y a nd s he a r c a p a c i t y o f ne w s t e e l — c o nc r e t e c omp os i t e b e a ms we r e a na l y z e d，t he n t he f a i l u r e me c h a n i s m a n d f or c e c ha r a c t e r i s t i c s we r e d i s c u s s e d i n d e t a i l ．The r e s ul t s s h ow t ha t t he s he a r c a pa c i t y a nd d i s t o r t i o n c a pa c i t y o f ne w s t e e l — c on c r e t e c o m p o s i t e b e a ms a r e s u pe r i or t o o r d i n a r y s t ud c o m p os i t e b e a ms ． Ke y wo r d s：n e w s t e e l — c on c r e t e c o m p o s i t e be a m ；s he a r s p a n r a t i o；s he a r r e s i s t a nc e be ha v i o r ；be a r — i n g c a pa c i t y：s t u d c ompo s i t e be a m 引 目 钢 一 混 凝土 组合 梁 结 构 是 由混 凝 土 翼 板 与 钢 梁 通过剪 力连 接件组 合成 整体 而共 同工作 的一 种梁 结 构。组合梁充分利用了钢材和混凝土各 自的材料性 能， 具有承载力高、 延性好 、 刚度大、 抗冲击 、 抗疲劳 性能好 、 构件 截 面 尺 寸小 及 自重 轻 等 优 点 ， 其 受 力优 势 主要体 现在 组 合 作用 上 ， 组 合作 用 的大 小 是 由组合 梁 中 的关 键构 件—— 剪 力连 接件 决定 的 。 本文中的新 型钢一 混凝 土组合梁实 际上就是一 种 新型 剪 力连 接 件—— P B L剪力 键 ] ， P B L剪力 键 的基本 形式 是在 钢 板 上 开孔 后 浇 注 混 凝 土 ， 利 用穿 过 孑 L 中 的混 凝土 榫 来抵 抗 剪 力 流 ， 若 在 钢 板 孔 中穿 受 力钢 筋 可 以进 一步 提高 其承 载力 。由组 合 梁的受 收稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 1 - 2 0 作者简介 ： 张兴虎( 1 9 5 6) ， 男 ， 陕西凤翔人 ， 教授级高级工程师 ， E — ma i l ： z h a n g x h s h ~ r @x a u a t ． e d u ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0血 力特点可知 ： 传统组合梁钢梁上翼缘 的主要作用是 提供施工时的稳定并为剪力连接件提供安装位 置； 而在 正 常工作 时 由于组合 梁 中性轴 与钢梁上 翼缘 很 接近， 钢梁上翼缘对组合截面的纵 向强度和刚度作 用很小。本文中综合考虑了多种影 响因素 ， 取消了 钢梁 的上 翼缘 ， 腹板加 高直 接伸 至混凝 土翼板 中， 并 在 伸入混 凝土 翼板 的腹 板部 分 开 圆孔 ， 插 入 贯 通 钢 筋 ， 在 圆孔 上方 布置蛇 形钢 筋 ， 蛇 形钢筋 的构 造和施 焊要求与普通弯筋连接件类似 ， 只是其弯起段长度 较小 。蛇形钢筋的布置可减小应力集 中， 增强连接 的可 靠性 ， 扩 大混 凝土 的受力 范 围 。 1 试 验 概 况 1 ． 1试件 设计 与制作 设 计 了 3根 新 型 钢一 混 凝 土 组 合 梁 ， 编 号 为 S C B 一 2 ～ S C B - 4 ， 同 时 还 设 计 了 1根 普 通 栓 钉 组 合 梁 ， 编 号为 S C B 一 1 。各试 验梁 的截 面尺 寸相 同 ， 新 型 钢一 混 凝土 组合 梁 的变 化 参 数 为 剪 跨 比。组 合 梁 截 面高 度 h为 2 5 0 mm， 其他设 计参 数见 表 1 。 表 1试验梁设计参数 Ta b． 1 De s i g n Par a m e t e r s o f Te s t Be a m s 试 验梁编号 b e ／ mm h f ／ ram 6 ／ N l m L／ mr i1 S C 1 2 ． O 5 0 0 1 O 0 5 O O 1 0 O O 2 O O O S CB． 2 1 ． 5 5 O O 1 0 O 3 7 5 l 25 O 2 O O O S CB． 3 2 ． O 5 O 0 1 O 0 5 O O 1 OO O 2 0 0 0 S CB 4 2 ． 5 5 0 O 1 O O 6 2 5 7 5 0 2 0 O 0 注 ： 为 剪 跨 比 ； b 为 混 凝 土 翼 板 宽 度 ； h f为 混 凝 土 翼 板 厚 度 ； n 为剪跨段长度 ； b 为纯弯段长度； L为组合梁净跨 。 试验梁 的基 本构 造 ： } 昆 凝 土 强度 等级 为 C 3 o ， 钢 梁均 为 Q2 3 5钢板 焊接 而 成 ， 翼 缘 宽 度 为 1 5 0 mm， 厚度 为 8 mm， 腹 板厚度 为 5 mm。试 验梁 S C B 一 1为 工字 型截 面 ， 试 验梁 S C B - 2 ～S C B 4为倒 T 型截 面 。 纵 向分 布 的钢 筋 和 箍 筋 分 别 为 0 1 0和 06盘 条 钢 筋 。试验 梁 S C B 一 1按完 全 抗 剪连 接 设计 ， 栓 钉 双排 布置 ， 横 向间距 取 1 0 0 mm， 共 2 8个 ， 弯剪 段 间距 为 1 2 5 mm， 纯弯 段 问距 为 2 0 0 mm。试 验 梁 S C B 一 2 ～ S C B 一 4的钢构件见图 1 ， 开孔板孔径为 3 0 r f l m， 蛇形 钢筋 、 贯通 钢筋 均为 O 1 6 ， 蛇 形 钢筋两 面对 焊 。本文 中笔 者 主要 研究 组 合梁 的抗 剪 性 能 ， 剪跨 段 箍 筋 间 距取 1 0 0 mm， 纯弯段 箍筋 间距 取 5 0 mm。试 验梁 截 面见 图 2 。 1 ． 2 加 载方 式及测试 方 案 1 ． 2 ． 1 加 载 方式 使用 5 0 0 0 k N压力试验机和荷载分配梁系统， 通 过分 配梁 对梁跨 施 加 两 点对 称 集 中荷 载 ， 以便 在 图 1 新 型试 验 梁 的钢 构 件 Fi g． 1 S t e e l M e mb e r s o f Ne w Te s t Be a ms 5 00 f a 1 试 验 梁S C B 一 1 5 0 1) f ’ 星 T ． ’ 1 I L n i ． J 4 】 O l I 9t l l 5 ； f b ) 试验 梁S CB一 2 ～S CB一 4 哥 图 2试 验 梁 截 面 ( 单 位 ： mm) F i g ． 2 S e c t i o n s o f T e s t B e a ms( Un i t ： mm) 跨 中形 成纯 弯段 。荷 载 数值 由试 验 机读 出 ， 每 级荷 载为 预估 极 限 承 载 力 的 1 0 ， 当达 到 屈 服 荷 载 的 8 O 之 后 ， 减 小每 级荷载 的 大小 。试 验 加载 见 图 3 ， 其 中 ， P 为荷 载 。 1 ． 2 ． 2 测试 内容及 方 法 试验测试 内容包括 ： 试验梁在各级荷载下的跨 中挠度 ， 试 验梁跨 中钢 梁腹板 、 翼缘 和混凝 土翼板 在 各级荷载下的应变。图 4为典 型测点布置 ， 其 中截 面 2 - 2为加 载点 截 面 ， 截 面 3 - 3为 跨 中截 面 。在 梁 跨 的下 翼缘 底部 布 置百 分 表 ， 测 量在 荷 载 作用 下试 验梁 的跨 中挠度 ， 百分 表 的读数 通过 T DS - 6 0 2型数 据 自动记录仪采集 。试验梁不同材料位置的应变测 量采用 的应 变片种 类 不 同 ， 钢 梁翼 缘 和 纯 弯段 腹板 的应 变测 点采 用 电阻 应 变片 ， 混凝 土 测点 采 用 混凝 土电阻应 变 片 ， 应变 片读 数均 通 过 T D S - 6 0 2型 数据 T 土 ● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张兴 虎 ， 等 ： 新 型钢一 混凝 土组 合 梁抗剪 性 能试验 9 9 6 2 30 0 r a ) 加载 示 意 ( b ) 加载 现 场 图 3试 验 加 载 ( 单 位 ： mm) F i g ． 3 T e s t L o a d i n g( Un i t ： mm) ( 由里 向外) Pl一( 由里 向外) r ： H1 ～ H 3 ＼l I 2 H 4 ～ H 6 J3 H 1 0 一 墨 I H l l 一 墨 0 7 一曼 J 00 98二 墨 ( 由里 向外) ／ I 2( E h里 向外) 1 0 1 2 L P _ 1 3～1 5 L K_ r a ) 侧 面 图 4 典 型 测 点 布 置 ( 单 位 ： mm) F i g ． 4 L a y o u t o f T y p i c a l Me a s u r i n g P o i n t s( Un i t ： ram) 自动记 录仪 采 集 ( HJ ～ H6 、 H1 0 、 HI 1为 混 凝 土 翼 板应变 测点 编号 ； 0 7 ～1 5为钢 梁应 变测点 编号 ) 。 2 试 验现 象对 比及结果分析 2 ． 1 试 验现 象对 比 试验均 采用 分级连 续 加载 ， 荷载 每级 为 2 0 k N。 由于 剪跨 比和构 造 的 不 同 ， 4根 试验 梁 表现 出不 同 的破坏 形态 ， 见 图 5 。 试 验梁 S C B 1 ： 当加 载 至 1 6 0 k N 时 ， 加 载 处 侧 面首先 出现细 小裂 缝 ， 随后 裂 缝 斜 向发 展 并 向板 底 延伸 ； 当加 载 至 4 0 0 k N 时 ， 一 端 端 部 有 明显 滑 移 ； 当加 载至 4 2 0 k N 时 ， 顶 面开 始 出现 细小 纵 向裂 缝 ， ( a ) 试验 梁S CB- 1 f b ) 试 验 梁S CB一 2 f c ) 试 验 梁S CB． 3 ( d ) 试 验 粱 S CB- 4 图 5试 验 梁 的 破 坏 形 态 Fi g ． 5 Fai l u r e M o de s o f Te s t Be a m s 均 匀分 布 ， 间距 5 ～7 mm， 主要 沿栓 钉 纵 轴线 形 成 ； 当加载 至 4 5 0 k N 时 ， 顶 面继 续 出现新 裂缝 ， 原有 裂 缝延 伸并 增 大 ， 加 载点 处底 面裂缝 斜 向延伸 并增 大 ， 并 向支 座 处 发 展 ， 跨 中 挠 度 显 著 增 加 ； 当加 载 至 4 5 9 k N时 ， 荷 载 开 始 下 降 ， 持 荷 ， 裂缝 继 续 发 展 ， 顶 面裂缝 继续 增加 ， 试 验 梁 破 坏 ， 停 止 加 载 ， 最 终极 限 荷 载 为 4 5 9 k N。 试 验梁 S C B 一 2 ~ S C B 一 4 ： 当加 载至 1 2 0 4 1 6 0 k N 时 ， 加载 处侧 面 出现微 裂缝 ； 当加 载 至 2 2 0 ～2 6 0 k N 时 ， 两端顶面出现纵向裂缝并 向端部延伸 ， 侧面裂缝 发展 缓慢 ； 当 加 载 至 3 0 0 ～ 4 4 0 k N 时 ， 两端 顶 面 开 始 出现斜裂缝 ， 大体与板纵 向成 4 5 。 ， 继续加载 ， 两 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0年 端顶面出现新的斜裂缝 ， 大致对称出现， 且顶面继续 出现新裂缝。试验梁 S C B - 2 、 S C B - 3达到极 限破坏 荷载时 ， 在一端加载处首先斜向劈裂破坏 ， 底面裂缝 发展较宽并斜向延伸 ， 梁的挠度发展很明显 ， 其最终 极限破坏荷载分别为 5 2 2 、 5 3 9 k N。试验粱 S C B 一 4 达到极限破坏荷载时 ， 发现其外观弯曲形状很明显 ， 跨中侧面出现数条明显裂缝 ， 加载点处 内侧顶面混 凝土压坏 ， 钢梁屈服 ， 梁挠度变化很快， 劈裂声不断 ， 裂缝发展较快 ， 其最终极限破坏荷载为 4 4 6 k N。 对 比发 现 ， 试 验 梁 S C B - 1 顶 面 裂缝 发 展 主要 在 剪跨段沿栓钉纵轴形成 3条大致 平行的纵向裂缝， 跨 中纯弯段较完整 。试验梁 S C B - 2 S C B - 4顶面形 成 1 条纵向裂缝 ， 基本贯通， 大致与伸入混凝土 内部 腹板方向相同， 与纵向裂缝大约成 4 5 。 方 向( 即混凝 土内部蛇形钢筋方向) 出现斜 向裂缝 ， 斜向裂缝基本 对称出现在纵向裂缝两侧 ， 裂缝都是从侧面开始 ， 然 后 向板底、 端部斜向发展 ， 最终破坏 。试验粱 S C B 一 4 纯弯段侧面出现数条裂缝 ， 裂缝发展充分 ， 最终发生 弯 曲破 坏 。 2 ． 2试验 结果 分析 各试验梁实测结果见表 2 。 表 2试验梁 实测 结果 Ta b ． 2 M e a s u r e d Re s u l t s of Te s t Be a ms 试验梁编号 P ／ k N M ／ ( k N m) 破坏形态 S C B 1 2 ． 0 4 5 9 1 1 4 ． 8 剪压 、 斜拉 S C B— Z 1 ． 5 5 3 3 9 9 ． 9 剪压 、 斜拉 S C B 一 3 2 ． O 5 3 O 1 3 2 ． 5 剪压 、 斜拉 S C B 一 4 2 ． 5 4 4 6 l 3 9 ． 4 弯曲 注 ： P 为 极 限 承 载 力 ； _!Ⅵu为 极 限 弯 矩 。 2 ． 2 ． 1 平截 面假 定的验证 试 验梁 纯弯段 正截 面应 变分 布如 图 6所示 。由 图 6可 以看 出 ： 试 验 梁 S C B - 1 ～ S C B 一 4跨 中截 面沿 高度方向的应变分布近似符合平截面假定。 2 ． 2 ． 2 跨 中测点 的应 变与挠 度 各试验梁跨 中截面的荷载一 应变曲线及荷载一 挠 度 曲线 如 图 7所 示 。由 图 7 ( c ) 可 以看 出 ： 试 验 梁 S C B 一 3比试 验梁 S C B - 1的承 载力 提 高 了约 1 5 ， 试 件梁 S C B - 3的变 形能 力 优 于试 验 梁 S C B - 1 ， 破 坏形 态都 为剪切 破坏 。由图 7 ( a ) 可 以看 出 ： 试 验梁 S C B 一 3较试 验梁 S C B _ 1的 塑性 性 能 发 展 充 分 ， 出现 了较 长 的流幅 。 由图 7还可以看 出： 当 ≤2 ． 0时， 试验梁主要 发生剪切为主的破坏 ， 承载力达最大值后下降的比 较快 ； 当 一2 ． 5时 ， 试验梁发生弯曲为主的破坏， 故 目 目 { 喧 0 2 4 应 变， l 0 ( a ) 试 验 粱S C B - 1 0 ． 5 2 ． 5 应变／ l O ( b ) 试验 粱S C B - 2 应变， 1 0 ( c ) 试 验粱S CB． 3 — 2 U Z 4 应变／ l O ( d ) 试 验 梁S C B一 4 图 6 试验梁跨 中截面沿高度方向的应变分布 Fi g ． 6 St r a i n Di s t r i b ut i o ns Al o ng M i d - s pa n Se c t i o n De pt h o f Te s t Be a ms 承载力 下 降得 比较平缓 。试验 梁 的承载力 和变形能 力基本 随剪跨 比的增大 而减小 。 2 ． 3受 力机理 分析 新型钢一 混凝土组合梁传力 时由混凝土翼板传 给蛇形钢筋 ， 蛇形钢筋通过焊缝传给钢梁腹板。蛇 形钢筋在混凝土翼板中分布面积较广， 受力均匀， 而 且伸入混凝土翼板中的钢腹板部分 也参与抗 压工 作 ， 贯通钢筋和混凝土榫的销栓作用 ， 提供了钢与混 凝土形成组合结构所需要 的水平纵向抗剪作用和竖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张兴 虎 ， 等 ： 新 型钢一 混凝 土组 合 梁抗 剪性 能试验 1 O 1 应变／ 1 0 ( a ) 钢梁 下 翼缘 的荷 载． 应 变 曲线 应变／ 1 0 ( b ) 混凝土翼板的荷载一 应变曲线 挠度／ mm f c ) 试 验梁 的 荷载一 挠度 曲线 图 7试 验 梁 的试 验 曲线 Fi g ．7 Te s t Cu r v e s o f Te s t Be a ms 向掀起作用 ， 加强 了钢梁与混凝土之间的协 同工作 性能。栓钉组合梁传力由混凝土翼板通过栓钉焊缝 传给钢梁翼缘 ， 再传给腹板。相对于栓钉组合梁 ， 新 型钢一 混凝土 组合 梁 蛇 形 钢 筋 焊 缝 面 积 大 于 栓 钉焊 缝 面积 ， 受 力 面积增 大 ， 因此传 力更 加合理 。 3 结语 ( 1 ) 新 型 钢一 混 凝 土 组 合 梁 抗 剪 承 载 力 高 ， 延 性 较好 ， 适用 于跨 度较大 的结 构 。 ( 2 ) 由试 验 梁 S C B - I 、 S C B - 3的 荷 载一 挠 度 曲 线 可以看 出 ， 相 同剪跨 比下 试验 梁 S C B 一 3的承载 力 和 延性 均 优于试 验 梁 S C B 一 1 ， 说 明这 种 新 型 剪 力 连 接 件能显著提高组合梁的承载力 ， 具有很广 阔的应 用 前景 。 ( 3 ) 当 ≤2 ． 0时 ， 试 验 梁 主要 发 生 剪 切 为 主 的 破坏 ； 当 = = = 2 ． 5时 ， 试验梁发生弯曲为主的破坏 ， 其 承载力和变形能力基本随剪跨比的增大而减小 。 ( 4 ) 新型钢一 混凝土组合梁受力机制更合理 。 参考 文献 ： Re f e r e nc e s： [ 1 3 聂建 国． 钢一 混凝 土组 合梁结 构——试 验 、 理论 与应 用 [ M] ． 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 ． NI E J i a n - g u o ．S t e e l — c o n c r e t e Co mp o s i t e B e a m S t r u c — t u r e s —T e s t s ， Th e o r y a n d Ap p l i c a t i o n [ M] ． B e i j i n g ： S c i — e nc e Pr e s s， 20 05 ． [ 2 ] 宗周红 ， 车惠 民． 剪力 连接件静 载和疲劳试验研 究[ J ] ． 福州大学学报 ： 自然科学版 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 6 ) ： 6 1 — 6 6 ． Z 0NG Z h o u — h o n g。 CHE H u i — mi n ． Ex p e r i me n t a l S t u d y o f She a r Conn e c t or Un de r St a t i c a nd Fat i gu e Loa d i n g [ J ] ． J o u r n a l o f F u z h o u Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e ， 1 9 9 9， 2 7 ( 6 )： 6 1 - 6 6 ． [ 3 ] 聂建国 ， 陈林 ， 肖 岩． 钢一 混 凝土组合 梁正弯矩 区截 面的组合抗 剪性 能 [ J ] ． 清 华大 学学 报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 0 2 ， 4 2 ( 6 ) ： 8 3 5 — 8 3 8 ． NI E J i a n - 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