型钢混凝土构件传力长度分析.pdf

雷敏： 型钢混凝土构件传力长度分析 4 9 型钢 混凝土构件传 力长度分析 雷敏 ( 同济大学 土木工程学院 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 对于型钢混凝土组合构件， 使型钢充分发挥作用的传力长度， 规范至今尚未明确， 本文分别以型 钢高度、 型钢的混凝土保护层厚度、 混凝土强度为研究参数， 对型钢混凝土 一钢筋混凝土混合梁进行静力弹塑性 分析， 分析它们各自对传力所需要的型钢长度的影响， 并得到相应参数下的传力需要的型钢长度。 【 关键词】 弹塑性分析； 型钢高度； 混凝土保护层厚度； 混凝土强度； 传力长度 【 中图分类号】 3 9 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 9 0 3 LE I Mi n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，T o n g j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F o r t h e me mb e r o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e，t h e s e c t i o n s t eel l e n g t h o ft r a n s f e r e n c e me c h a n i c s o n s t ee l r e i nfo r c ed c o n c r e t e wh i c h ma d e U se o f sec ti o n s t e e l s t i l l i s n t p u t f o r wa r d i n the c o d eI n t h i s p a p e r ， the s t eel r e i nfo r c ed c o n c ret e r e i nfo r c e d c o n c ret e c o mp o s i t e b e a m fin i t e e l e me n t mo d e i s s e t u p a n d i s c a r r i e d o u t b y the e l a s t i c p l ast i c a n a l y s i s ，the res e a r c h p a x a me t e rs a r e h e i g h t o f s e c ti o n s t eel ， thi c k n e s s o f c o n c ret e c l a d d i n g an d s n g t h o f c o n c ret e，a na l y z i n g the i r i n fl u e n c e o n the l e n g t h o f s e c ti o n s t e e l tha t t r a n s f e r s me c h an i c s req u i res ，an d a c h i e v i n g the c o r r e s pon d i n g l e n g t h o f the c o r r e s po n d i ng p a r a me t e r Ke y w o r d s ： e l ast i c p l a s ti c a n a l y s i s ； h e i ght o f Sec t i o n s t e e l ； th i c k n e ss o f c o n c ret e c l a d d i n g ；s t r e n g t h o f c o n c r e t e ；t r a n s f e r ri ng me c h ani c s l e n g t h 型钢混凝土组合结构从原来 的局部结构中采用 已发展 到广泛在整个结 构 中采 用。与此 同时 ， 型钢 混 凝 土结构的设计理论及规 范也 日趋成熟与 完善 ， 相应 地冶金工业部 编制 了 钢骨混凝 土结构设 计规 程 Y B 9 0 8 2 9 7 、 建设 部颁 布 了 型钢混凝 土组合 结构 技 术规程 J G J 1 3 8 2 0 0 1 ， 但规范中仍有不详尽之处， 其 中关于使型钢混凝土构件达到其设计承载力时， 型钢 在混凝土中的传力需要长度有待于明确提出。其表 现为： 高层建筑结构中， 下部楼层的型钢混凝土柱 与上部楼层的钢筋混凝土柱交界处型钢的锚固传力 长度是多少 ， 未予 以明确 说 明 ； 在许 多大跨 度 框架 结构中， 常利用型钢来参于型钢混凝土梁端部的抗弯 抗剪 ， 但型 钢并 不沿 梁全 长 布置 ， 而 只是从 钢管 混凝 土柱中伸出一定长度 ， 此时需要确定型钢从端部柱伸 出多长， 混凝土梁才能将力传 给型钢， 使型钢混凝土 梁在外荷载作用下达到其设计的极限承载力。 因此型钢混凝土组合结构技术规程急有待在这 一 问题上 加 以完 善 ， 使 设计 有 据 可循 ， 本文 的 目的 旨 在通过有限元分析提出型钢的传力计算长度， 以供规 程完善时所进行的结构试验所参考。 1 计算假定、 模型单元及分析原理 1 1 计算假定 钢筋 的传 力锚 固长度 已在 混凝 土 结 构设 计 规 范 中明确化， 钢筋和混凝土之间的作用力主要体现为二 者界 面的粘结 力( 见 图 1 ) 。而 型钢混凝 土结 构 中型钢 的传力长度至今未确定， 主要 由其受力复杂的原因所 致。型钢混凝土组合构件在锚 固段的传力方式、 途径 上 ， 由于型刚表 面光 滑 ， 与混 凝 土之 间 的粘 结 强 度远 远小于钢筋 与混凝 土之 间的粘结 强度 ， 根 据 国内外 的 试验结果 ， 型钢与混凝 土之 间的粘结 强度 相 当于 光 圆 钢筋与混凝土之问粘结强度的 3 0 一 5 0 ， 因而型钢 与混凝土之间的粘结力在型钢传力锚 固上并不 占主 导作用 ， 而主要由锚固传力段的型钢与混凝土界面的 正应力来传力。其受力模式见如图 2 。本文在研究型 钢的传力锚固时不考虑型钢与混凝土界面的剪应力 ， 而只考虑其界面的正应力作用形成的弯矩。 1 2 有 限元模 型 本文采用限元软件 A N S Y S 进行实体建模分析 ， 混 低温建筑技术 2 0 1 0 年第 3期( 总第 1 4 1 期 ) F 一- _-_ ! ! ! ! 图1 钢筋锚固传力机理 降 图2 型钢锚固传力机理 凝土采用 S o l i d 6 5 单元 、 钢筋采用 L i n k 8 单元 、 型钢采用 S o l i d 4 5 单元 ， 混凝 土与 型钢之 间 考 虑接触 ， 型钢 界 面 采用 目标 单 元 T a r g e l 7 0 ， 混 凝 土 界 面 采用 接触 单元 C o n t a 1 7 3 。计算模型 中混凝 土单轴 受压应力 一应变关 系按混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2中规定的采 用 1， 型钢 、 箍筋 、 纵筋 均采 用理 想 弹塑 性模 型 ， 钢 材 的屈服准则采用双线性 随动强化准则 。 1 3 分析的原理 本文将型钢混凝土梁或型钢混凝土柱的型钢传 力长度的分析 ， 简化 为若 干悬臂梁 进行分 析。分 析原 理 ： 建立型钢混凝 土悬臂 梁模型 S R C B ， 分析得 到其 承载力。 建立 型钢 混凝 土一 钢筋 混凝 土 混合悬 臂 梁模 型 S R C R C B ， 混合 梁 中的 型钢混 凝 土梁部 分 同 型钢混凝 土梁 S R C B模 型 ， 混合 梁 中的钢 筋混凝 土梁 部分其截 面尺 寸、 强度 等级 同型钢 混凝 土梁 ， 但 其配 筋保证混合梁受荷后 ， 钢筋混凝土梁的受弯受剪破坏 后于混合梁中的型钢混凝土梁 部分发生 ， 不断延伸 混 合梁中的型钢长度， 直到型钢伸出一定长度后， 其承 载力等于型钢 混凝 土梁模 型 S R C B的承载 力 ， 此 时的 型钢伸出长度即为钢筋混凝土梁将力传给型钢， 使型 钢混凝 土梁达到承载力的传力需要长度 。 一 图3 S R C B 模型及钢筋与型钢 图4 S R C R C B 模型及钢筋与型钢 2 模型计算分析 本文考虑对传力长度影响的计算参数为型钢截 面高度和混 凝 土保护 层厚 度 、 型 钢翼缘 宽 度 ， 模 型数 据见 表 1 。 对 S R CR C B混合梁， 变换其型钢伸出长度 L ， 由 A N S Y S 计算分析得其最大 承载能力 ， 典 型的外 伸长 度 与承载 力 曲 线 如 图 5所 示 。从 S R CR C B I 、 S R C R C B 2模型型钢伸 出不 同长度的承载能力 图均 可看 出： 钢筋混凝土梁将 自身所受的力传递给型钢 ， 使型钢混 凝土梁达到其极限承载能力均需要一定的传力长度， 并且这种传力在型钢伸出其 1 倍高度左右较为明显， 型钢伸 出其 1 倍高度时 ， S R C R C B 1 、 S R CR C B 2的承 载 能 力 分 别 为 其 相 应 型 钢 混 凝 土 梁 承 载 能 力 的 6 3 8 0 、 5 7 9 7 ， 其后型钢伸出长度增加 时， 传力增 幅变缓 。 表 l S R CR C B混合梁模型 注： 型钢混凝土梁段处的钢筋： 受拉纵筋 4 q 2 5 ， 受压纵筋 4 c2 0 。 箍筋 1 2 1 0 0 。 型钢为 Q 2 3 5 ， 对称 配置 ， 型 钢 的外 伸长 度 为 、 型钢的保护层厚度为 。由表中参数可算 出。 材料属性参 数 取值见 型钢混凝土组合结构技术规程 。 8 o o 6 0 o 4 0 0 2 0 o O 1 2 0 0 8 0 o 嚣 4 0 o 0 g S R C R C B 1( h 1 a = 4) 梁s R c RC B1( a = 5) 图5 型钢伸出不 同长度承载力曲线 混合 梁各 自的 承载 能力及 达 到承 载 能力 时 型钢 所需的伸 出长度如表 2 、 表 3 、 表 4所示 。 由表 2 可知： 在型钢的混凝土保护层厚度不变的 情况下 ， 随着型钢高度与 型钢的混凝 土保 护层 厚度 之 比值的增大， 型钢所需伸出长度与型钢高度的比值有 一 定减小， 但变化不大， 型钢伸出长度为型钢高度的 3 3 5 倍 ， 型钢混凝土梁可满足传力要求。 目z 静 雷敏 ： 型钢混凝 土构件传力长度分析 5l 表 2 型钢高度不同时型钢需伸出长度 表3 型钢保护层厚度不同时型钢需伸出长度 模 型 编 号 富 载 。 删 s 由表 3 可知 ： 在型钢高度不变的情况下 ， 随着型钢 的混凝土保护层 厚度与 型钢的高度 之 比值 的增大 ， 传 力所需 的型钢 伸 出长度 与型 钢高 度 的 比值 有 一定 减 小， 但变化不大， 当型钢伸出长度为型钢高度的 2 8 3 3 倍 ， 型钢混凝 土梁 即可满 足传 力要 求 。在 实 际工 程中当 型钢 对称 配 置 时 ， 为 充 分 发挥 翼 缘 的抗 弯 作 用 ， 型钢的保护层厚度一般不会超过 2 0 0 m m， 所 以尽 管 型钢的混凝土保护层厚度增加 ， 混凝土保护层抗劈裂 能力 ( 抗劈裂荷载 ) 增 强 ， 但是 由于混凝 土保护层 厚度 变化相对腹板高度较 小 ， 保护层 厚度 的增 加所 产生 的 对型钢上翼缘压应力 效应 的增 加 ， 相对 于作用在 型钢 上下翼缘上压应力的总效应较小， 从而随着型钢的混 凝土保护层厚度与型钢的高度之比值的增大， 型钢所 需伸出长度与型钢高度的比值虽有一定减小 ， 但变化 不大。 表 4 混凝土强度不同时型钢伸 出长度 由表 4 可知： 在其它条件相同情况下， 混凝土强度 等级变化了， 传力所需的型钢伸出长度与型钢高度的 比值虽有所变化 ， 但变化甚微 ， 基本保持不变 。本文计 算模型中当型钢伸出长度为型钢高度的 2 8 33倍， 型钢混凝土梁即可满足传力要求。虽然混凝土强度 等级增加了， 但是梁截面上混凝土压应力所产生的合 力的重心点 位置相对变化较 小 ， 从而 混凝 土压应 力合 力与梁截面受 拉 区相平 衡 的拉力 产生 的合 力臂 宽度 的增幅较小 ， 与之对 应 的弯 矩增 幅也 较 小 ， 同时 此弯 矩只是总弯矩的一部分 ， 因此总弯矩增幅较小， 传力 所需 的型钢 伸出长度 与型钢高度 的比值 变化甚微。 3 结 语 ( 1 ) 钢筋混凝土梁将自身所受的力传递给型钢 ， 使型钢混凝土梁达到其极限承载能力均需要一定 的 传力长度， 并且这种传力在型钢伸出其 1 倍高度左右 较 为明显 ， 能达型钢混凝土梁承载能力的 5 0 以上 。 ( 2 ) 上述分析中当型钢截面高度、 混凝土保护层 厚度、 混凝土强度不同时， 其相应混合梁中的型钢伸 出长度为型 钢 高度 的 33 5 倍 ， 2 8 33倍 ， 2 8 3 3 倍时， 型钢混凝土梁 即可满足传力要求。因此当对型 钢混凝土组合结构技术规程完善时， 其中开展研究关 于型钢所需 的传力 长度的试 验时 ， 建议 型钢 伸 出长度 为型钢高度的3 5 倍。 ( 3 ) 本文只是针对型钢混凝土构件在型钢截面 高度、 混凝土强度、 混凝土保护层厚度三参数的影响下 进行了数值 分析 ， 考 虑型钢 翼缘宽 度 、 箍筋 配 箍率 、 纵 筋配筋率等参数的影响有待在后续工作进一步开展。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 02 0 0 2 ， 混凝土结构设 计规范 s 2 J G J 1 3 8 2 0 0 1 ， 型钢混凝土组合结构技术规程 s 3 赵世春， 型钢混凝土组合结构计算原理 M 成都： 西南交通大 学 出版社 ， 2 0 0 3 4 杨勇 型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究 D 西安： 西 安建筑科技大学 ， 2 0 0 3 5 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 1 6 Y a s s e r H u n a i t i ，M i n o m Wa k a b a y a s h i ，K i y o s h i Ma s u o E x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n o ft h e e ff e c t o f b o n d o n t h ema mu n l c a p a c i t y o f c o mp c t s i t e o l u m s J J o u ma l o f C o n s t r u c t io n a l S t e e l R e s e a r c h ，1 9 9 2， 2 2 ( 1 ) ： 3 95 5 【 7 N E S h a n mu g a m，B l_ a k s h mi S ta t e o f t h e a r t r e p o r t O il s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t e c o l u mn s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ，5 7 ( 1 0 ) ：1 0 4 1 1 0 8 0 8 Mi n h o K w o n ，E n r i c o S p a c o n e q h r e ed i m e n s i o n a l fi n i t e e l e m e n t a n a l y s e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e e o l u n J C o m p u t e r s S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ，8 0 ( 2 ) ：1 9 92 1 2 收稿 日期 2 0 0 9 0 0 0 0 作者简 介 雷敏 ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 四川重庆人 ， 博 士研究生 。 工 程师 ， 研究方向 ： 钢结 构、 组合结 构 。 ( 编辑王亚清)