钢次梁锚入混凝土框架梁试验研究与有限元分析.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 钢次梁锚人混凝土框架梁试验研究与有限元分析 余 琼 ， 陆洲导， 余江滔， 陈相瑞 ( 同济大学结构工程与防灾研究所， 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 进行了2 个钢次梁锚人混凝土框架梁( 4种不同形式节点) 静载试验， 结果表明， 钢梁上部及其周边混凝土 拔出引起节点锚固失效破坏， 9 0 0 mm框架梁对钢次梁锚固比6 0 0 mm框架梁好 ， 设有锚筋节点性能比未设锚筋节 点性能略好 ， A B A Q U S 有限元分析还表明， 由于钢与混凝土间滑移， 钢梁端部与 昆凝土分离， 使钢梁端部转角增大； 抗剪键布置偏少， 混凝土板近支座区域板面翘曲， 结构受力不利 ； 当混凝土梁高增加到一定数值时， 对节点承载力 影响变小 ； 钢梁上混凝土板越厚， 钢梁端部转角越小， 承载力越大， 钢梁上混凝土板达一定厚度对钢梁受力性能更 为有利； 设有抗剪键钢梁比未设抗剪键钢梁跨中位移 、 端部转角变小， 承载力增大。 关键词 ： 钢梁端部转角 ； 锚固失效 ； 抗剪键 ； 板面裂缝 ； 混凝土滑移 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 0 8 Ex p e r i m e n t a l s t ud y a n d a n a l y s i s o n s p e c i me n s o f s t e e l s e c o n d a r y b e a m e mb e d d e d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e g i r de r o f f r a me s t r u c t u r e Y U Q i o n g ， L U Z h o u d a o ， Y U J i a n g t a o ， C H E N X i a n g r u i ( I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n ， T o n 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 ) A b s t r a c t ： T h e t e s t o f t w o s p e c i m e n s( f o u r d i f f e r e n t k i n d s o f d e t a i l i n g )o f s t e e l s e c o n d a r y b e a m e mb e d d e d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e g i r d e r c o n n e c t i o n i n fl a m e s t r u c t u r e u n d e r s t a t i c l o a d w e r e c o n d u c t e d T h e s t e e l b e a m u p r e g i o n w a s p u l l e d o u t ， a n d a n c h o r a g e o f j o i n t s f a i l e d T h e e m b e d d e d b e a r i n g o f t h e 9 0 0 m m f r a me g i r d e r i s h i g h e r t h a n t h e 6 0 0 ram g i r d e r T h e j o i n t p e rf o r m a n c e a t t h e b e a r i n g w i t h a n c h o r b a r i s b e t t e r s l i g h t l y t h a n t h a t w i t h o u t A n al y t i c a l r e s u l t s o f A B A Q U S a r e s h o w n a s f o l l o w s Wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e s l i p b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e ， t h e s t e e l b e a m a t t h e e n d d e t a c h e s f r o m c o n c r e t e ， a n d r o t a t i o n a l a n g l e o f s t e e l b e a m e n d e n l a r g e d T h e wr a p o f t h e c o n c r e t e s l a b n e a r t h e s u p p o r t p l a y s a n u n f a v o r a b l e a c t i o n o n t h e p e r f o r ma n c e o f t h e s t ru c t u r e Wh e n t h e b e a m h e i g h t r e a c h e s t o s o me d e g r e e ， t h e b e a m h e i g h t p l a y s a s m a l l e r a c t i o n t o t h e c a p a c i t y o f j o i n t s T h e t h i c k e r c o n c r e t e s l a b p o s s e s s e s a s m a l l e r t h e r o t a t i o n al a n g l e a n d a h i g h e r t h e s t e e l b e a m c a p a c i t y T h e s t e e l b e a m wi t h s h e a r c o n n e c t o r s d e v e l o p s a s ma l l e r r o t a t i o n al a n g l e a n d d i s p l a c e me n t o f mi d s p a n， a n d a h i g h e r l o a d c a p a c i t y t h a n t h e s t e e l b e a m wi t h o u t s h e a r c o n n e c t o r s Ke y wo r d s ： r o t a t i o n a l a n g l e o f s t e e l b e a m e n d ； a n c h o r a g e f a i l u r e ； c r a c k o f t h e c o n c r e t e s l a b； s l i p o f c o n c r e t e 0前言 目前 ， 框架结构电力厂房楼面次梁 由于跨度大 往往采用型钢梁 ， 并与混凝土框架铰接 ， 即钢次梁直 接搭接在框架梁侧面挑耳上 ， 此连接方 式焊接工作 量大， 降低厂房净高 ， 但受力明确 ， 理论成熟 ； 当框架 梁为现浇时 ， 型钢次梁可直接锚人混凝土框架梁中， 上铺混凝土楼板共 同工作 ， 这种连接方式由于取消 挑耳 ， 构造较为简单 ， 节省净空， 经济性好 ， 近些年来 在大型电力厂房楼 面采用较多 ， 但 国内外对该种连 接方式理论研究很少 ， 仅哈尔滨大学徐 慧 良进行过 相关试验研究 ， 其研究结果表 明， 增加钢梁 腹板 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 2 1 作者简介： 余琼( 1 9 6 8一) ， 女， 安徽庐江人， 副教授， 硕士生导师 主要从事建筑结构鉴定、 改造与加固研究。 E ma i l ： y i o n g y u 2 0 0 5 1 6 3 c o m 上点焊锚筋 使钢次梁与 昆凝土梁有效组成一个 整 体 ， 提高节点承载能力 ： 钢梁锚固端翼缘宽度适当减 少 ， 可降低钢梁端部转动对上部混凝土的影响 ， 提高 了节点的抗裂性能和转动能力。 本文以某电力厂房钢次梁锚入混凝土框架梁为 原型 ， 通过 2个钢次梁锚入框架梁试件静载试验 ， 考 察框架主梁高度 、 钢次梁节 点锚筋设 置情况对试 件 受力性能影响， 并利用有限元 A B A Q U S ， 分析了钢次 梁锚筋设置 、 混凝土梁高度 、 混凝 土楼板厚度 、 抗 剪 键对钢次梁受力性能影响 ， 以期为钢梁 、 节点的设计 提供依据。 1 型钢次梁锚入钢筋混凝土框 架梁 试验研 究 1 1 试件设计 试件及节点详图见图 1 。试 件共 2组 ， 钢梁截 6 四川建筑科学研究 第3 9卷 面尺寸均为 H N 4 0 0 2 2 01 01 2 ( m m) ， 第一组框 架梁高为 6 0 0 m m， 第二组为 9 0 0 m m， 每组试件钢梁 锚入框架 梁有 2个节点 ， 一 个节点 钢腹板 上焊有 2 1 4锚筋 ， 另一个节点上不焊有锚筋( 9 0 0 l T l m高试 件底部配置4 O吊筋， 6 0 0 m m高混凝土梁由于高 度较小 ， 无法在钢梁底部配置吊筋 ； 试件 中混凝土梁 腰筋与钢梁腹板焊接) 。试件设计参数 见表 1 。为 保证框架梁两端为固定支座 ， 在框架梁两端整浇两 个混凝土墩 ， 通过锚栓将混凝土墩固定在试验 台座 上 。 腥假 L， 径 1 3 mlT i 框架梁缈 筋 呈 钢 粱腹 板 2 1 4 钢 粱 锚筋 钢次 梁 ( 2 - 2 无 锚 筋 7 Q 上 7O 框 架 梁 2 0 9 0 0 mm粱 1 1 ( 9 0 0 ram粱2 - 2 ) 4 西 2 0 6 o 0 mm梁 1 1 f 6 0 0 mm梁 2 - 2 1 墼 6 0 0 ram梁 图 1 试件及节点详图 Fi g1 De t a i l s o f t e s t s pe c i me ns a nd c onn e c t i on s 表 1 试 件参数 Ta bl e 1 Pa r a m e t e r s o f t e s t s pe c i m e n s 试件编号 6 0 0 m m梁 9 0 0 m m粱 混凝土粱尺寸 ( m i l l m m) 6 0 0 3 2 0 6 0 03 2 0 9 0 0 3 2 0 9 0 03 2 0 节点锚筋情况 有锚筋 无锚筋 有锚筋 无锚筋 注 ： 6 0 0 mm梁表示框架梁高为 6 0 0 m m试 件， 9 0 0 v i i IT I 梁表示框架 梁 高为 9 0 0 mm试件 ， 下文同。 为减小钢梁对框架梁影 响， 钢梁锚人混凝土梁 上下翼缘宽度进行 了削弱 ， 由 2 2 0 mm宽变 为 1 0 0 mm 。 1 2试验装置及加载制度 试验通过反力架 、 2个液压千斤顶 ， 2个分配梁 对钢梁进行 的单 向 4点加载 ， 加载 方式如 图 2所 示 j ， 加载步长为 2 0 k N， 记录数据为单个千斤顶施 加的荷载 ， 以下图表 中的相关荷载均为单个千斤顶 荷载 ， 为总体施加荷载的一半。 1 3 试验数据采集 试验中进行 了位移及应变的数据采集。位移计 钢梁与楼板连接 _ 喜 图 2 试件加载方式 Fi g 2 Lo a di n g mo de f o r t e s t s pe c i me ns 主要布置在钢次梁跨 中、 钢筋混凝土主梁跨 中( 为 削除支座弯矩影响) 、 钢次梁端部上 、 下翼缘处 ( 该 位移计位移杆顶于混凝土梁侧 ， 位移计固定于钢梁 上( 下 ) 翼缘上 ， 可测钢梁上( 下) 翼缘相对混凝土梁 的滑移量 ， 并通过上 、 下翼缘滑移量测算出钢梁端部 相对转动角度) ； 应变测量采用电阻应变片， 粘贴应 变片前用砂轮将待粘贴部位打磨平， 粘贴完应变片 后裹以环氧树脂保护层并用纱布包裹。应变片主要 布置于点焊锚筋及 吊筋上。位移计及应变片位置如 图 3所示 懈 五 榴 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 土梁中拔出 ， 节点发生拔出破坏， 无法加载而停止试 验 ， 试件破坏时混凝土梁斜裂缝如图 4 ( d ) 、 4 ( e ) 所 示。整个加载过程中混凝土梁与钢梁交接处板面裂 缝不断增加 、 扩展 ， 破坏时板面裂缝贯通 ， 如 图4 ( f ) 所示 ， 支座附近混凝土板与钢梁上翼缘间明显开裂 、 分离 ， 如图 4 ( d ) 所示。 2 3试验现象分析 两个试件都是由于钢梁上部混凝土较少 ， 钢梁 附近混凝土梁上箍筋未进行加密 ， 钢次梁上翼缘侧 混凝土梁斜裂缝开展较宽或较多 ， 同时节点区域板 面裂缝大 ， 无法对钢次梁产生 良好的握裹 ， 节点锚固 失效而破坏。 混凝土梁的抗剪破坏与钢梁上部拔出破坏都是 脆性破坏方式 ， 应予避免。钢梁侧混凝土梁箍筋应 加强 、 加密 ， 可约束混凝土梁侧斜裂缝 ， 增加其抗剪 能力 ， 同时增加钢梁上部抗拔 出能力 ； 吊筋应加强 ， 增加混凝土梁的抗 冲切及抗剪能力 ， 吊筋与梁底呈 6 O度角， 可约束混凝 土梁侧钢梁上翼缘处斜裂缝 ， 增加钢梁抗拔出能力 ； 钢梁上部板 内钢筋尤其是支 座负钢筋应加强 ， 可约束混凝土梁顶面的弯曲裂缝 ， 增加钢梁上部抗拔 出能力。楼板设计时应尽力避免 阴角 ， 减少应力集 中。 3 试件结果及分析 3 1 承载能力 根据试验分析原则 ， 钢梁承载力以钢次梁挠 度达跨度 1 5 0 、 应变达 1 0 0 0 0 8 、 上翼缘滑出值达 1 0 mn l 三种状态下荷载较小值确定 ， 而正常使用极 限状态以钢次梁挠度达跨 度 1 2 5 0( 悬臂梁挠度达 跨度 1 1 2 5 ) 、 钢次梁上翼缘滑 出值达 2 m m两种状 态下荷载较小值确定 ， 钢梁试验承载力见表 2 。 表 2 试验 承载 力 Ta bl e 2 Exp e r i m e n t al l o a d c a pac i t y 3 2 荷载与位移 曲线 图 5为试件荷 载一 钢梁跨 中位移曲线 ( 混凝土 梁支座 位移已扣除 ) ， 在相 同荷载作用下 ， 6 0 0 mm 梁试件钢 次梁跨 中挠度 大于 9 0 0 m m梁试 件， 6 0 0 I n to梁试件承载力小 ， 9 0 0 m m梁试件承载力大。这 说明尺寸较大混凝土梁对钢次梁约束作用强 ， 使钢 次梁挠度小 、 承载力大 。 图 6为试件荷载一 7 昆凝土梁跨 中位移曲线 ， 6 0 0 m m高混凝土梁在加载不久 ( 1 0 0 k N) 即有斜裂缝产 生 ， 导致混凝土梁的荷载一 位移 曲线进入非线性 ， 而 6 0O 5 O O 4 00 重 耨 3 0 0 撂 2 00 1 0 0 0 图 5 荷载一 钢次 梁跨 中位移对 比曲线 F i g 5 L o a d a n d mi d - s p a n d i s p l a c e me n t c u r v e s of s e c o nda r y s t e e l be ams 9 0 0 m m高混凝土梁试件在加载过程 中一直保持较 好的弹性 状态。9 0 0 m m梁 刚度 明显大于 6 0 0 mm 粱 。 6 。 5 。 4 。 耀 2 00 1 。 。 O 图 6 荷载一 混凝 土梁 跨中位移对 比曲线 Fi g 6 Lo a d and m i d- s p an d i s pl ac e m e nt c ur v e s o f c onc r e t e g i r de r s 3 3荷载一 钢梁锚筋应变 曲线 荷载与钢次梁锚筋应变 曲线如 图 7所示 ， 锚筋 应变均未超过 1 4 0 0 s ， 虽未达到屈服强度， 但说 明 锚筋在结构受力时起一定作用 ， 在相同的荷载下 ， 6 0 0 m m梁的锚筋应变大一些 ， 应变增速要 大一些 ， 这是 由于 6 0 0 m m梁刚度小 ， 对钢梁约束小 ， 钢梁转 动较大。这说明只有当节点有足够变形时锚筋起作 用才较大。 o 2 00 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 20 0 1 4 0 0 应 变1t 图 7 试件荷载一 钢次梁锚筋应变 曲线 Fi g 7 Loa d- s t r a i n c u r ve s o f an c hor bar 余琼 ， 等： 钢次梁锚入混凝土框架梁试验研究与有限元分析 9 3 4 荷载一 吊筋应变 图 8为 9 0 0 mm梁有锚侧与无锚侧荷载一 吊筋 应变曲线( 该应变为吊筋水平段 中部应变) ， 无锚筋 侧 吊筋最大应变在 1 5 0 0 8左右， 未达到屈服 ； 有锚 筋侧 吊筋应变达 2 5 0 0 ， 已达到屈服。相同荷 载 下 ， 有锚筋侧比无锚筋侧的吊筋应变大 ， 说明锚筋对 节点有一定约束， 钢梁传递给混凝土梁力较大， 有锚 侧 内力较大 ， 吊筋应变大 。 3 5 荷载一 钢梁上翼缘滑出位移曲线 图9为试件荷载一 钢梁上翼缘滑出位移 曲线对 比， 在相同荷载作用下 ， 有锚筋与无锚筋的滑出值没 有明显差别 ， 6 0 0 mm梁试件的无锚筋端在接近极限 承 载力时变形要明显大于有锚筋端 ， 说 明锚筋 的作 图 8 9 0 0 mm梁荷 载一 吊筋应变 曲线 Fi g 8 Loa d s t r a i n c ur v e s o f ha ng i ng ba r wi t h 90 0 mm h e i g ht c o nc r e t e g i r de r 用加载后期才显现 ， 这也进一步表明锚筋作用是被 动的 ， 当变形足够时才起作用。 位移mm 位移 m m ( a )9 0 0mm梁 ( b )6 0 0 mm梁 图9 不同锚固试件荷载一 钢次梁上翼缘滑出位移曲线对比 F i g 9 Lo a d- s l i p c u r v e o f t o p f l a n g e o f t h e s t e e l b e a m wi t h d i ffe r e n t a n c h o r d e t a i l s 3 6结果分析 9 0 0 m m梁试件钢梁极 限承载力 比6 0 0 m m梁 大 1 1 9 ， 正常使用荷载 比 6 0 0 m m梁 大 1 1 8 。 从本试验结果可以看出， 混凝土梁越高 ， 对钢梁 的约 束越强， 节点抗弯能力越好。 在极限荷载时混凝 土梁位移在 0 52 m m， 而 钢梁位移为 8 O一1 1 0 mm， 可见两者相差悬殊 ， 即两 者刚度相差悬殊 ， 这主要是 由于混凝土梁跨度较小 ， 使其线刚度大 ， 实际工程 中混凝土框架梁跨度会增 加很 多， 线刚度会降低 ， 框架梁高度对节点抗弯能力 影响有待进一步研究。 对 比有锚及无锚钢次梁上翼缘滑 出位移， 不能 明显说明锚筋作用。试验锚筋数量少、 直径较小 、 长 度也偏 短 ( 钢腹板每侧 2根直径 1 4 m m， 长度 2 5 0 mm钢筋) ， 且焊接位置接近 中和轴 ， 对钢梁转 动约 束较小。由于腰筋与钢梁腹板焊接 ， 对钢梁的转动 约束较大 ， 使锚筋影响不易察觉 。但 9 0 0 m m梁与 6 0 0 m m梁破坏时锚筋均有较大应变 ， 说 明钢梁转动 较大时 ， 设置锚筋 ， 节点抗弯能力也会有所提高 。为 增加锚筋作用 ， 设计锚筋时应加大锚筋直径 ， 并将锚 筋尽量靠近翼缘 ， 以最大程度发挥锚筋作用。 本试验均为钢梁上部拔出、 锚固失效破坏 ， 非节 点竖 向荷载作用下抗压破坏 ， 节点承载力即为梁端 承受 固端弯矩能力 ， 它与混凝土板及其配筋 、 钢梁锚 人深度 、 钢梁锚人段翼缘宽度 、 混凝土框架梁高度 、 框架梁线刚度 、 锚筋设置 隋况等 因素有关 。 4 试件有 限元分析 A B A Q U S是基于有 限元方法的工程模拟软件 ， 本试验采用 A B A Q U S受力分析 。 4 1 单元选择 剖 A B A Q U S分析时钢梁和混凝土采用三维 8节点 的线性减缩积分单元 ( C 3 D 8 R) ， 为模 拟抗剪键对钢 次梁与混凝土板的影响 ， 抗剪键采用弹簧单元。 钢次梁和混凝土表面的接触选择刚度较大 、 网 格较粗的面， 即混凝 土面作为主面 冈 0 度较小 、 网格 较细的面钢板内表面作为从面。在定义接触属 性时 ， 对于法向作用 ， 选择接触压力和间隙的默认关 系为“ 硬接触” ( h a r d c o n t a c t ) 。对于切向作用， 选择 摩擦模型为“ 库伦摩擦 ” 。普通钢筋通过 E mb e d方 式内嵌于混凝土梁内。 1 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 4 2材料属 性 混凝土采 用损伤 塑性模 型 ( C o n c r e t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ) ， 单 向受 压 、 拉应力一 应变 曲线采 用我 国 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范 推荐混凝 土轴心受压 、 受拉应力一 应变关系。钢筋和钢材采用 理想三折 线弹塑性 的应 力一 应变关 系。钢 材使用 V o n Mi s e s屈服准则。 4 3网格划分 有限元 网络划分时 ， 在要考察应力的 、 应力集中 区域细划分 ， 而远离考察区域 ， 单元可以粗划分 。单 堇 辐 追 元质量的保证通过单元邻边长度 比和夹角来衡量 ， 一 般情况下是长边与短边 比值不能大于 5 ， 夹角不 能大于 4 5度。本文 中钢次梁和混凝土的接触表面 的网格尺寸划分一致 ， 有利于计算的收敛。 4 4 计算结果分析 图 1 0为试件荷载一 钢梁跨中位移理论值与实测 值对比， 可见理论值与实测值较为吻合， 本文还进行 了荷载一 钢梁上下翼缘应变 、 荷载一 钢梁端部转角的 理论值与实测值对 比， 结果表明试验值与模拟值较 为吻合 。 6 。 。 5 。 。 4 0 0 曩 ，oo 摆 2 0o 1 。 。 O ( a )9 0 0 mm梁 ( b )6 0 0 mm梁 图 1 0 荷载一 钢 梁跨 中位移试验值与计算值对比 F i g 1 0 Co mp a r i s o n o f e x p e r i me n t a l a n d c a l c u l a t e d l o a d - mi d s p an d is p l a c e m e n t c u r v e s f o r s e c o n d a r y s t e e l b e a ms 图 1 1为有 限元分析时 9 0 0 mm梁试件钢 次梁 合) ， 板面翘 曲， 混凝 土梁 与钢梁不能共 同工作 ， 对 与混凝土梁接触处应力云图情况 。由于钢梁与混凝 结构受力不利。从应力云图及钢梁挠度值还可以看 土间的滑移， 钢梁端部与混凝土脱离 ， 使钢梁端部转 出 ， 由于钢梁变形较大 ， 节点上部的拔 出破坏是该类 角增大 ， 钢梁上部拔 出， 最终节点锚 固失效 ； 混凝土 节点破坏的主要形式。钢梁支座 区域须 增设 抗剪 板近支座处板面与钢梁间分离( 与前面试验现象吻 键， 加强混凝土板与钢梁连接， 使两者共同工作。 s， M i s e s ( A 唱- i 3 ) I十 3 _+ 3 95 8195 ee + 0+ 0 22 露 +2 +3 2 9 3 6 7 3 e +0 2 2 譬 ： + 2 _+ 2 26 8 4 e10 e + o+ 0 22 l +1 _ +1 9 6 3 5 2 8 e + 0e+ 0 ； l +9_ +1 7 3 93 e 0 5 e +o +0 2 l I骗+ 3 26 8e+ 0 图 1 1 钢次梁与混凝土梁的接触处有 限元分析云 图情况 F i g 1 1 S t r e s s c o n t o u r a t t h e i n t e r f a c e b e t we e n s e c o n d a r y s t e e l b e a m a n d c o n c r e t e g i r d e r 4 5 影响节点受力性能的参数分析 值较试验值小 ， 本试验 中由于 6 0 0 m m梁未配 吊筋 4 5 1 混凝土梁高度的影响计算 发生抗剪破坏 ， 梁的斜裂缝较大 ， 对节点约束 降低 ， 取混凝土梁高度 9 0 0 mm、 8 0 0 m m、 7 0 0 m m、 6 0 0 使钢梁承载力降低 ， 若加强混凝土梁抗剪能力 ， 9 0 0 mm 4种情 况分析 ( 混 凝土梁 配筋相 同， 均配 有 吊 m m梁与6 0 0 m m梁试 验值 承载力 差距会变小 。 7 0 0 筋 ， 不会发生抗剪破坏) ， 图 1 2 、 1 3为不 同 昆 凝土梁 表3 钢梁承载力提高程度试验值与分析值对比 高下试件的荷载一 钢梁跨中位移、 钢梁端部转角曲T a b le 3 C o m p a r i s o “ o f e x p e r im n t a l a n d a l c u la t e d 线 ， 可见相同荷载作用下 ， 6 0 0 m m高混凝土梁试件 钢梁端部转角、 跨中位移最大， 说明6 0 0 m m高混凝 土梁嵌 固作用最小 。表 3为钢梁承载力试验值与分 析值对比， 9 0 0 m m梁比6 0 0 m m梁承载力提高分析 余琼， 等： 钢次梁锚入混凝土框架梁试验研究与有限元分析 mm、 8 0 0 mm、 9 0 0 m m 梁 的分 析结 果差距 较 小 ， 可 见 ， 当梁高增加到一定数值 时 ， 对节 点承载力影 响 小 。 7 00 6 00 5 0 0 蚕 0 0 蓬 3 o 0 2 0 0 1 0 0 0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 O0 1 2 0 1 40 位移 ra m 图 l 2 不同混凝土梁高下荷载一 钢梁跨中位移曲线 F i g 1 2 Lo a d m i d s p a n d i s p l a c e me n t c u r v e s o f s t e e l be am wi t l l di ffe r e nt he i g ht o f c o nc r e t e g i r de r 7 0 0 6 0 o 5 0 0 互 4 0 0 3 0 o 2 00 1 0 0 0 十计算值 9 0 0 钢梁端转角 ( 有锚筋侧 ) 一计算值- 8 0 0 一 钢粱端转角 ( 有锚筋侧 ) 计算值 7 0 0 钢梁端转角 ( 有锚筋侧 ) *计算值一 6 0 0 - 钢梁端转角 ( 有锚筋倒 ) O l 转度 度 2 3 图 l 3 不同混凝土梁高下荷载一 钢梁端部转角曲线 F i g 1 3 Lo a d - r o t a t i o n a n g l e c u r v e s o f s t e e l b e a m e nd wi t h d i ffe r e n t h e i g h t o f c o n c r e t e g i r d e r 4 5 2 钢次梁锚筋的影响计算 锚筋情 况分 4种 ： 有锚筋 ( 同试 验 ， 点焊 2 西1 4 的 HR B 3 3 5钢筋， 面积为 3 0 8 mm ) 、 2 3锚筋 ( 面积 为 2 0 4 m m ) 、 1 3锚筋( 面积为 1 0 2 mm ) 、 无锚筋 ， 锚筋长度及位置同试验， 以9 0 0 m m梁为例分析锚 筋影响。图 1 4、 1 5为不同锚筋情况下荷载一 钢梁跨 中位移 、 端部转角曲线 。可见 ， 锚筋对钢梁的转角有 影响 ， 无锚筋钢次梁在相同荷载下转角最大 ， 锚筋对 7 0 0 6 0 0 5 0 0 Z 4 0 0 疆3 0 0 2 oO 1 0 0 0 钢次梁变形影响很小 ， 这是 由于锚筋对 于钢梁的转 角影响不大 ， 进而对钢次梁的变形影响就更小 。本 试验 中锚筋直径偏小 ， 锚筋离翼缘较远 ， 起作 用较 小。 堇 遣 图 1 4 不同锚筋情况下的荷载一 钢梁跨 中位移 曲线 Fi g 1 4 Loa d- mi d s pan di s pl ac e m e nt c ur v e s o f s t e e l b e a ms wi t h d i ff e r e n t a n c h o r b a r 善 辑 柱 U U J 0 2， U j U 转度 度 图1 5 不同锚筋情况下荷载一 钢梁端转角曲线 Fi g 1 5 Lo a d- r otat i o nal an gl e c ur v e s of s t e e l b e a m e n d wi t h d i ffe r e n t a n c h o r b a r 4 5 3 楼板厚度的影响计算 分楼板厚度 8 0 mm、 4 0 m m、 0 m m 3种 情况分 析 ， 9 0 0 m m试件荷载一 钢梁跨 中位移 、 端部转角分析 结果如图1 6 所示， 相同荷载作用下， 当钢梁上设有 混凝土板时( 配有抗剪键 ) ， 板越厚钢梁跨 中位移 、 端部转角越小 ， 承载力越大。当板厚从 04 0 m i l l 变化时 ， 钢梁承载力 、 跨中位移 、 端部转角变化不大 ， 70 0 60 0 50 0 童 0 0 篷 3 o 0 2o 0 l O 0 O 0 2 0 4 O 6 O 8 0 1 0 0 1 20 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 位移， 珈 转度 度 ( a ) 钢梁跨中位移 ( b ) 钢梁端部转角 图 1 6 不同楼板厚度下 9 0 0 m m试件荷载一 钢梁跨中位移、 端部的转角曲线 Fi g 1 6 Lo a d mi d s p a n d i s p l a c e me n t o f s t e e l be a m a n d l o a d- r o tat i o n a l a n g l e c u r v e s o f s t e e l b e a m e n d f o r 9 0 0 mm h e i ght b e am w i t h d i ff e r e n t t h i c k n e s s s l a b s 1 2 四川建筑科学研究 第3 9卷 当板厚 从 4 08 0 m m变化 时 ， 以上参数 变化 较大 ( 经计算6 0 0 m m试件也有相 同规律) 。表 4为不 同 楼板厚度工况相对无楼板工况承载力的 比较 ， 当楼 板厚度为4 0 m m时 ， 承载力提高不明显 ， 但 当楼板厚 表4 不同楼板厚度工况相对无楼板工况承载力的比较 T a b l e 4 Co mp a r i s o n o f b e a r i n g c a p a c i t y of s e c o n d a r y s t e e l b e a ms wi t h c o n c r e t e s l a b s o f d i fie r e n t t hi c kne s s a nd wi t ho u t s l abs 正常使用极限状态对应 承载力极限状态对 荷载提高程度 应荷载提高程度 混凝土梁高 ram 9 0 0 6 0 0 9 0 0 6 0 0 板厚 mm 8 0 4 0 8 O 4 ( 8 O 4 0 8 O 4 O 提高程度 1 3 9 2 9 2 O 9 0 6 2 7 5 4 7 3 2 5 6 9 蚕 框 度为 8 0 m m时， 承载力有较大幅度提高。这些都说 明钢梁上设置混凝土板达一定厚度对钢梁受力性能 较为有利 。这是由于板达到一定厚度 ， 对钢梁锚 固 性能好 ， 钢梁的翘曲对节点的损坏小 ， 同时， 板越厚 负钢筋提供的弯矩也加大 ， 节点承载力增加。 4 5 4 抗剪键 的影响计算 有限元模型中抗剪键的布置按试验试件的实际 情况 ， D 1 6圆柱头焊钉 ， 间距 3 0 0 m m， 单排放置 ， 分 别考虑有抗剪键和无抗剪键的影响， 计算结果如 图 1 7所示 。有抗 剪键 的钢梁跨 中位移 、 端部转角小 ， 承载力大。 7 0 0 6O 0 5O 0 堇 0 0 霆 3 0 0 20 0 1 0 0 o 位移 mm 转度 度 ( a ) 跨 中位移 ( b ) 端部转角 图 l 7 有、 无抗剪键情况下 9 0 0 mm梁荷载一 钢梁跨中位移、 端部转角计算曲线 F i g 1 7 Lo a d - mi d s p a n d i s p l a c e me n t o f s t e e l b e a m a n d l o a d - r o t a t i o n a l a n g l e c u r v e s of s t e e l b e a m e n d f o r 9 0 0 mm h e i g h t b e a m wi t h a n d wi t h o u t s h e a r c o n n e c t o r s 5结论及展望 1 ) 钢梁上部及其周边混凝土拔 出破坏是节点 的破坏形式 ， 钢梁端部的弯矩与剪力造成 了混凝土 梁上部受弯裂缝 、 侧面剪扭斜裂缝 ， 引起节点锚固失 效破坏 。 2 ) 9 0 0 m m混凝土梁 比6 0 0 m m混凝土梁高 ， 对 钢梁的锚固好， 节点抗弯能力好。 3 ) 钢梁转动较大 、 节点有足够变形时锚筋起作 用较大， 一般锚筋的作用加载后期才显现。设计锚 筋时应加大锚筋 直径 ， 并将锚筋尽量靠 近上、 下翼 缘 ， 以最大程度发挥锚筋作用 。 4 ) 由于板面负钢筋配置较少 ， 节点 区域板面裂 缝大 ， 节点抗弯能力差 ， 可增加板 面钢筋配置， 提高 节点抗弯能力。 5 ) 有限元分析表明 ， 由于钢梁与混凝土间的滑 移， 钢梁端部与混凝土脱离， 使钢梁端部转角增大， 钢梁上部拔出， 最终节点锚 固失效； 由于抗剪键布置 较少 ， 加载后期混凝土板与钢梁在近支座处分离 ， 板 面翘曲 ， 对结构受力不利。为此 ， 钢梁支座区域增设 抗剪键 ， 加强板上部负钢筋 ， 增强钢梁锚 固。 6 ) 有限元分析表 明， 截面尺寸小的框架梁嵌 固 作用小 ， 钢梁端部转角大 ， 节点抗 弯能力小 ， 当梁高 增加到一定数值时 ， 对节点承载力影 响变小； 锚筋对 于钢次梁的跨 中挠度影响很小 ， 对于钢梁的转角略 有影响 ， 无锚筋的钢次梁在相同荷载下转角最大； 钢 梁上 昆 凝土板越厚 ， 钢梁 端部转 角越小 ， 承载力越 大 ， 钢梁上混凝土板达一定厚度对钢梁受力性能更 为有利 ； 钢梁设有抗剪键梁 比未设抗剪键跨 中位移 、 端部转角小 ， 承载力大 ， 适当加密抗剪键可提高结构 受 力性能。 参 考 文 献： 1 徐 慧良 钢次梁一 混凝 土主梁 节点静力性能研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 2 G B T 2 2 0 6 6 -2 0 0 8静力单轴试 验机用计算机 数据 采集系统的 评定 s