外包槽钢_混凝土组合梁受力性能研究.pdf

第 43 卷 第 6 期 2013 年 3 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 6 Mar 2013 外包槽钢-混凝土组合梁受力性能研究 * 陈宗平 1， 张向冈1， 范 杰 1， 薛建阳2 ( 1 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004;2 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055) 摘要设计了 6 根外包槽钢-混凝土组合梁试件， 进行静力单调抗弯加载试验。通过实测跨中挠度、 混凝土应 变、 槽钢应变、 缀件应变等重要数据， 绘制构件荷载-位移、 荷载-应变等重要关系曲线， 分析应变沿截面高度的分布 情况， 采用能量等值法计算试件的弯曲延性系数， 提出抗弯承载力计算公式。试验研究和理论分析结果表明: 剪跨 比为 3. 0 的组合梁试件均发生了弯曲-粘结滑移失效破坏; 粘结滑移现象发生之后， 纯弯段截面应变沿高度分布不 再符合平截面假定， 试件破坏时， 上部受压槽钢、 下部受拉槽钢屈服， 剪弯段缀件没有屈服; 单调静力加载条件下， 试件的弯曲延性性能较好， 变形性能良好; 运用文中提出的计算公式设计外包槽钢混凝土组合梁的抗弯承载力时， 需乘以 0. 8 的折减系数。 关键词外包槽钢;组合梁;抗弯性能;受弯承载力计算 中图分类号: TU398 + 7文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 06- 0068- 04 Research on mechanical performance of channel steel encased concrete composite beams Chen Zongping1，Zhang Xianggang1，Fan Jie1，Xue Jianyang2 ( 1 College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2 School of Civil Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China) Abstract: In order to study mechanical behavior of channel steel encased concrete composite beams，6 specimens were designed for monotonic static force bending loading test Based on the data of mid-span deflection，concrete strain，channel steel strain and lace bar strain，the curves of load-deflection and load-strain were drawn Strain distribution along the beam height was made，bending ductility coefficient was calculated with the method of equivalent energy，and the calculating formula for bending bearing capacity was proposed By the experimental study and theoretical analysis，it is shown that bending-bond failure mode occurs on specimens of which shear span ratio is 3. 0 After bond-slip，the strain distribution of pure bending section along the beam height no longer meets the plane section assumption When specimens break，the upper compression channel steel and the lower tension channel steel yield，while lace bars in the bending shear sections do not yield Under monotonic static force loading conditions，the bending ductility is high and the deformation performance is well Bending bearing capacity of channel steel encased concrete composite beams can be designed with the calculation formular，but a reduction factor of 0. 8 is required Keywords: encased channel steel;composite beam;bending bearing performance;bending bearing capacity calculation * 国家自然科学基金( 50908057 ) ， “八桂学者” 建设工程专项经费资 助， 广西科学基金( 桂科青 0832004) 。 作者简介: 陈宗平， 博士， 教授， Email:zpchen gxu edu cn。 0引言 外包钢-混凝土组合结构主要是指外部配置型 钢的混凝土结构 1， 其充分发挥了钢材和混凝土的 优势， 具有承载能力高、 延性好等优势， 广泛应用于 火电厂、 化工厂等工业厂房及混凝土的加固工程之 中， 经济效益与社会效益显著 2， 3。目前， 对于外包 钢组合梁的研究主要集中于受拉区和受压区均配置 角钢或受拉区配置 U 形钢的混凝土构件之中 4， 5， 对于其他配钢形式的外包钢组合梁研究较为缺乏。 本文重点研究了受拉区和受压区均配置槽钢的外包 钢-混凝土组合梁构件， 通过试验揭示其受力机理和 破坏形态， 并对其受弯承载力进行计算分析。 1试件简介 1. 1 试件设计与制作 设计了 6 个外包槽钢混凝土组合梁( Channel Steel Encased Concrete Composite Beam， 简称 CECB) 试件， 槽钢型号为 10， 型钢骨架均为焊接完成， 缀 件采用扁钢， 试件浇筑的同时预留混凝土标准立方 体及棱柱体试块， 并与试件同条件下养护。浇筑成 型后的试件见图 1， 试件具体设计参数及部分实测 试验结果见表 1。 图 1成型后的试件 1. 2 材性试验 依据标准试验方法， 实测力学性能指标见表 2。 第 43 卷 第 6 期陈宗平， 等 外包槽钢-混凝土组合梁受力性能研究 试件设计基本参数及部分实测试验结果表 1 试件编号 fcu/MPab h/mm sv/%s/%缀件配置形式 Pcr/kNPu/kN 破坏形态 CECB- 134. 37100 2003. 00. 5013. 79竖向扁钢 25 4 20030. 26174. 09弯曲-粘结滑移 CECB- 234. 37100 2003. 00. 8313. 79竖向扁钢 50 5 30030. 26172. 09弯曲-粘结滑移 CECB- 355. 67100 2003. 01. 2513. 79竖向扁钢 50 5 20063. 16186. 71弯曲-粘结滑移 CECB- 455. 67100 2003. 00. 5013. 79斜向扁钢 25 4 20063. 16154. 49弯曲-粘结滑移 CECB- 534. 37100 2003. 00. 3313. 79竖向扁钢 25 4 30032. 57153. 56弯曲-粘结滑移 CECB- 655. 67100 2003. 01. 2513. 79斜向扁钢 50 5 20063. 16203. 29弯曲-粘结滑移 注: fcu为混凝土标准立方体抗压强度; 为剪跨比， = a/h 0， a 为支座到邻近加载点之间的距离， h0为截面的有效高度， 取为 h; sv为配箍 率， sv= Vs/Vc， Vs为缀件间距范围内缀件的体积， Vc为缀件间距范围内填充混凝土的体积; s为配钢率， s= (As+ As) /( bh) ， As和 As分别为 受拉、 受压槽钢的截面面积; Pcr为实测开裂荷载; Pu为实测极限荷载。 1. 3 试验装置 试验采用由分配梁组成的两点对称加载系统， 并通过手动油压千斤顶分级施加荷载。将反力架安 放于加载位置处并固定于地槽， 千斤顶位于反力架 和分配梁之间， 荷载由分配梁传递到试件顶部， 安放 千斤顶与分配梁时需注意中轴线必须与反力架中轴 线重合， 以此保证试验的精确度。为了准确获取加 载过程中型钢、 混凝土缀件的应变数据以及跨中的 挠度， 分别在上下槽钢腹板中部、 剪弯段缀件中部、 跨中缀件中部布置 1 片应变计， 在上下槽钢翼缘核 心混凝土处， 等间距均匀布置 3 片应变计， 在支座中 心以及跨中底部各布置百分表 1 个， 试验装置示意 如图 2 所示， 实拍照片如图 3 所示。 型钢、 扁钢力学性能指标表 2 钢材 类型 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/MPa 槽钢345. 89460. 551. 9 105 扁钢525. 00655. 002. 3 105 图 2试验装置示意 1. 4 加载制度 加载过程采用荷载、 位移联合控制的方法。在 正式加载前对试件进行预加载， 以保证试件的支承 部位和加载部分的良好接触以及各测量仪表的正常 工作。进入正式加载阶段， 在组合梁底部槽钢屈服 前采用分级加载， 取 30kN 为一级进行加载， 底部槽 钢屈服之后采用等幅位移进行控制， 取多于前一级 跨中竖向位移 3mm 为级差进行加载。每级加载完 成之后， 预留 2 3min 时间， 读取挠度、 应变、 裂缝宽 度等重要数据， 同时记录试验现象。 2主要试验结果及分析 2. 1 试验过程及破坏形态 组合梁荷载增加至 38% Pu时， 首次在跨中附近 出现微小竖向裂缝， 随着荷载增大， 新裂缝相继出 现， 原有 竖 向 裂 缝 向 加 载 点 附 近 延 伸， 当 加 载 至 88% Pu时， 在梁的端头部位， 混凝土和槽钢出现微小 的肉眼可见的粘结滑移裂缝， 槽钢与混凝土之间的 胶结力发生破坏。继续加载， 原有裂缝继续竖向上 开展， 并逐渐形成临界竖向裂缝， 且伴有混凝土片状 剥落现象， 滑移量显著增大。加载至 Pu时， 底部槽 钢与混凝土之间弯曲滑移达到最大 1. 1cm， 最大斜 裂缝宽度约 10mm， 此时， 荷载不能再继续增加， 试 验宣告结束。 6 个组合梁试件破坏时， 端部槽钢与混凝土之 间发生了较明显的粘结滑移现象， 但受拉槽钢达到 了屈服状态， 顶部混凝土基本上达到了极限压应变， 构件的破坏形态属于弯曲-粘结滑移破坏。弯曲破 坏形态如图 3 所示， 粘结滑移破坏形态如图 4 所示。 图 3试验装置实拍照片 图 4粘结滑移破坏形态 2. 2 荷载- 挠度曲线 试验实测的跨中截面荷载-挠度曲线如图 5 所 示。由图可见， 从粘结滑移的角度出发， 外包槽钢组 合简支梁的受力过程分为 3 个不同阶段: 1) 无滑移 阶段( 或微滑移阶段) 。由于组合简支梁的应力水 平较低， 粘结力没有遭到破坏， 此时槽钢和混凝土 之间不会产生滑移， 其变形与荷载之间近似呈线 96 建筑结构2013 年 性关系， 组合梁截面应变符合平截面假定; 2) 滑移 阶段。由于槽钢与混凝土之间的粘结力主要是水 泥浆体胶结力， 胶结力一旦丧失， 槽钢和混凝土之 间将产生较大的滑移， 并引起组合梁变形的显著 增加， 且截面将发生明显的应力重分布现象; 3) 塑 性阶段。随着荷载的进一步增加， 槽钢与混凝土 进入塑性阶段， 在纯弯段下部槽钢屈服后， 变形急 剧增大， 但试件并没有立即发生破坏， 直至下部槽 钢受压屈服后构件因粘结滑移现象严重而不能继 续加载， 试验宣告结束。 图 5跨中截面荷载-挠度曲线 图 7应变沿截面高度变化曲线 2. 3 荷载- 缀件应变曲线 通过在剪弯段缀件中部粘贴的应变计， 实测到 荷载-缀件应变曲线， 如图 6 所示。由图可知， 6 根 试件剪弯段荷载-缀件应变曲线形状相似， 曲线走势 大致相同。加载初期， 应变较小， 混凝土参与了大部 分的抗弯; 随着荷载的增加， 剪弯段混凝土出现斜裂 缝， 此时曲线均发生了明显的转折点， 说明裂缝出现 后， 缀件与裂缝处混凝土发生了内力重分布现象， 缀 件应变明显加大; 加载末期， 粘结滑移现象严重， 受 其影响， 缀件应变增加不多。实测数据表明， 在达到 极限承载力时， 6 根试件剪弯缀件的应变受粘结滑 移的影响， 曲线没有出现屈服平台， 缀件没有屈服， 材料性能没有得到充分发挥。 图 6荷载-缀件应变曲线 2. 4 应变沿截面高度分布 从图 7 可以看出， 加载初期， 胶结力没有丧失， 槽钢与混凝土之间的粘结性能良好， 截面平均应变 符合平截面假定， 胶结力丧失后， 槽钢与混凝土间发 生了较明显的粘结滑移现象， 组合梁截面的平均应 变不再符合平截面假定。 2. 5 延性分析 采用位移延性系数 来反映组合梁试件静载 下的弯曲延性， 并定义 = u / y， 其中， u为试件 达到极限抗弯承载力时的实测跨中挠度， y为试件 屈服时的实测跨中挠度。运用能量等值法确定初始 屈服点， 计算简图如图 8 所示。 作二折线 OY-YU 代替原有荷载-挠度曲线， 使 图中阴影部分的面积相等。点 Y、 点 D 即为所求。 分别通 过点 Y、 点 D 作 垂 线， 与 横 轴 的 交 点 即 为 y ， u。计算结果如表 3 所示。从表中可以看出， 位移延性系数均值 = 3. 2， 变异系数 = 0. 115， 并结合已有的钢筋混凝土梁延性性能数据 6， 可 知外包槽钢混凝土组合梁试件延性较高， 变形性 能良好。 3受弯承载力计算 借鉴传统钢-混凝土组合梁塑性抗弯承载力计 算方法 7， 即受拉和受压角钢均达到屈服强度 f y， 07 第 43 卷 第 6 期陈宗平， 等 外包槽钢-混凝土组合梁受力性能研究 fy， 受压区混凝土全部达到极限抗压强度 fc。外包 槽钢-混凝土组合梁的塑性抗弯承载力计算简图如 图 9 所示。其中将跨中截面弯矩记为 Mu， As， As 分 别为纵向受拉及受压槽钢的截面面积， b 为截面宽 度; h0为截面的有效高度; s为受拉型钢截面重心至 受拉区边缘的距离; s为受压型钢截面重心至受压 区边缘的距离。 位移延性系数表 3 试件编号CECB- 1CECB- 2CECB- 3CECB- 4CECB- 5CECB- 6 y/mm10. 5711. 2310. 139. 0810. 4412. 22 u/mm31. 6635. 3731. 5334. 4734. 432. 95 u / y 3. 03. 13. 13. 83. 32. 7 图 8初始屈服点和极限点计算简图 图 9正截面受弯承载力计算简图 由内力平衡条件X = 0， 得到: fcbx + fyAs = fyAs( 1) 对底部受拉型钢求矩得到截面的抵抗弯矩为: Mu= fcbx( h0 x/2)+ fyAs( h0 s) ( 2) 若 x 2s，则取:x = 2s， Mu= fyAs( h0 s)。 将实测数据代入到式( 1) ， ( 2) ， 可得到截面极 限抵抗弯矩， 并与实测弯矩作对比， 见表 4。从表可 以看出， 试验值与计算值比值均值为 0. 89， 方差为 0. 124， 变异系数为 0. 14。由于加载末期， 槽钢与混 凝土之间粘结滑移现象较为严重， 个别试件出现试 验值小于计算值的不良情况， 为安全起见， 结合表 4 中的计算结果， 建议采用式( 1) ， ( 2) 设计外包槽钢 混凝土组合梁的抗弯承载力时， 需乘以 0. 8 的折减 系数; 或者采取有效构造措施提高外包钢与内部混 凝土的协同工作能力， 在槽钢底板及两侧翼缘设置 栓钉抗剪连接件是有效手段， 栓钉可按照 18 300 或 10 500 等形式布置。 组合梁计算值与试验值对比表 4 试件编号 试验值 Mu t / ( kNm) 计算值 Mu c / ( kNm) Mu t Mu c CECB- 1174. 09169. 991. 02 CECB- 2172. 09169. 991. 01 CECB- 3186. 71224. 630. 83 CECB- 4154. 49224. 630. 69 CECB- 5153. 56169. 990. 90 CECB- 6203. 29224. 630. 90 4结论 ( 1) 通过实测数据及现场观察， 剪跨比为 3. 0 的 6 根外包槽钢混凝土组合梁试件最终发生了弯 曲-粘结滑移破坏， 但延性较高， 变形性能良好。 ( 2) 实测数据表明， 在达到极限承载力时， 6 根 试件端头最大滑移为 1. 1cm， 剪弯段缀件的应变受 粘结滑移的影响没有屈服。 ( 3) 在受力过程之中， 加载初期， 应变沿截面高 度分布情况基本符合平截面假定， 之后， 由于粘结滑 移现象的发生， 纯弯段应变沿截面高度分布曲线不 再符合平截面假定。 ( 4) 试件破坏时， 上部受压槽钢、 下部受拉槽钢 屈服， 剪弯段缀件没有屈服。 ( 5) 运用文中提出的计算公式设计外包槽钢混 凝土组合梁的抗弯承载力时， 需乘以 0. 8 的折减系 数; 或者采用布置栓钉等构造措施确保外包钢与内 部混凝土的协同工作能力。 参考文献 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， 2010 2 石启印， 马波， 李爱群 新型外包钢-混凝土组合梁的 受力性能分析J 实验力学， 2005， 20 ( 1) : 115- 122 3 杜德润 新型外包钢-混凝土组合简支梁及组合框架 试验研究D 南京: 东南大学， 2005 4 聂建国， 余志武 钢-混凝土组合梁在我国的研究及应 用J 土木工程学报， 1999， 32( 2) : 3- 8 5 肖辉， 李爱群， 陈丽华， 等 钢与混凝土组合梁的发展 研究和应用J 特种结构， 2005， 22( 1) : 38- 41 6 余志武， 聂建国， 周玲宇， 等 砼及预应力砼框架结构 的延性分析J 建筑结构， 1997， 27( 2) :41- 45 7 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构M 北京: 科学出版 社， 2001 17