部分外包钢梁腹部混凝土开裂弯矩的计算.pdf

江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 ( 总第 1 3 2期 ) 2 9 部分外包钢梁腹部混凝土开裂弯矩的计算 顾 明 明 胡 夏 闽 高丽 君 ( 南京 工业大 学 土木 工程 学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 9 ) 摘 要】 根据平截面假定， 推导了部分外包铜梁腹部混凝土抗裂度的理论计算公式， 同时结合规范形式， 考虑上下翼缘 对混凝 土的约束作用 ， 提 出了部分外 包钢梁腹部 混凝 土抗 裂度 的简化计算方法 ， 其计 算结果与试验结果吻合较好 。 关键词 】 部分外包钢梁； 腹部混凝土； 抗裂度 【 中 图分 类 - 1 T U 3 9 8 9 【 文献标 识码】 A 文 章- 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 2 9 - 0 2 Ca l c u l a t i o n o f Co nc r e t e Cr a c k Re s i s t a nc e be t we e n t h e Fl a n g e s i n t he Pa r t i a l l y Co n c r e t e En c a s e d Be a ms G U Mi n g m i n g H U X i a mi n G A 0 L i - j u n ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 C h i n a ) Abs t r a c t：No w a c c o r d i n g t o t h e b a s i c h y p o t h e s i s ，t h e c r a c k r e s i s t a n c e f o r mu l a o f p a r t i a l l y c o n c r e t e e nc a s e d be a ms i s d e r i v e d Me a n wh i l e ，b a s i s o f t h e Co d e ，a p r e di g e s t i o n f o r mul a i s g i v e n c o n s i d e r i n g t h e r e s t r i c t i o n o f t h e fla n g e s Th e c a l c ul a t e d r e s u l t s s h o w g o o d a g r e e me n t wi t h t h e t e s t v a l u e s Ke y wor ds ：pa r t i a l l y c o n c r e t e e nc a s e d b e a ms； c o n c r e t e be t we e n t he fla n g e s ； c r a c k r e s i s t a n c e 部 分 外 包 钢 梁 的 研 究 始 于 2 0世 纪 7 0年 代 8 0年 代 。 所谓部 分外包钢 梁是指在 H型钢腹 板及上 下翼 缘所组 成 的 区域 内 浇 筑混 凝 土及 配 置纵 向钢 筋 的 梁 。这 种 截 面 形 式 的梁防火能力大大提高 ， 同时承载力 、 抗 屈曲能力以及 梁的 刚度也都相应有 所增 加。 基 于这些优点 ， 部分外包钢粱 已经 引起了工程界的关注和重视。 在欧洲 ， 已经开始尝试这种新 型截面的组合梁受力性能的研 究。为了保证 部分外包钢梁 的实用性和耐久性 ， 完善相应规范 ， 对腹 部混凝土抗裂度 的 研 究 具 有 重 要 的理 论 意 义 和应 用 价 值 。 1试 验 设 计 试 验共进行 2根部分外包钢 梁的试验研究_ 1 _， 构件截 面 形式如下 ： 腹 部混凝土 钢粱 腹部钢筋 腹部混 凝土 钢梁 腹部 栓钉 腹部钢筋 图 1 P ES B1截 面 形 式 图 2 P ES B2截 面 形 式 起 的 。 腹 部 混 凝 土 采 取 先 浇 好 钢 梁 腹 部 一侧 的 混 凝 土 ， 初 凝 后再浇筑钢梁腹部另一侧的混凝土 ，混凝土抗压强度取其 平均值 。 试 件 其 他 试 验 结 果 和参 数 见 表 1 。 2 腹部混凝土抗裂度 的理论计算 受弯构件裂缝 即将出现时 ， 截面应力一 应变关系如 图 3 所示 ， 混凝土拉应力达到抗拉强度 。由于混凝土塑性 的发 展 除靠近中和轴附近的拉应力呈 曲线 外 ， 其余大部分呈矩 形 。 但混凝土压应力对其抗拉强度而言 比较小 ， 压应力 图形 表 1 试 件 试 验 结 果 和 参 数 图 3部 分 外 包 钢 梁 应 力 一 应 变 图 为了保证钢 梁与其腹部 的混凝 土作 为一个整 体共 同参 加工作 剪力连接件采用栓钉 ， 箍筋是与钢梁间隔点焊在一 【 收稿 日 N 2 0 0 9 0 5 1 1 【 作者简介】 顾 明 明 ， 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 硕 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 ( 总第 1 3 2期 ) 近似呈三角形 。为简化计算 ， 假定如下 ： 1 ) 将钢一 混凝 土组合截面换算成混凝土进行计算 。 2 ) 构件变形符合平 截面假 定 ， 忽 略钢梁与混凝土之 间 的相对滑移 。 3 ) 受压 区混凝土应力 图形 为_= 三 角形 ， 受拉 区混凝土应 力 图形 为矩 形 。 4 ) 考虑混凝土塑性变形 ， 混凝土受拉边缘 的最 大拉应 变 为 2 f E o 。 计算开裂荷载 前 ，先确定 即将 开裂时的混凝土受 压 区高度 ， 根据平截 面基本假 定， 各截 面合力表示如下： 钢梁上翼缘受压合力 ： F a = b t ( 1 ) 腹部上排纵筋受压合力 ： Fa = A ( 2 ) 腹部混凝土受压合力 ： = ( b s - t ) ( ) 盯 ( 3 ) 钢梁腹板受压合力 ： = ( ) ( 4 ) 腹部混凝土受拉合力 ： =( 6 f ) ( ( 5 ) 钢梁腹板受拉合力 ： ( ) 盯 础 ( 6 ) 腹部下排纵筋受拉合力 ： F a = Aez c r z ( 7 ) 钢梁下翼缘受拉合力 ： 6 ( 8 ) 其中： 仃a =2 ,g X - O 口 _ 5 t f 一 ( 9) 式 ( 9 ) 中： ，E ， 为钢梁弹性模 量 与腹部混凝土弹性模 量 E 的比值 ， ，E l = E 。 为混凝土抗拉强度 0 2 j ； 仃 2 者 ( 1 0 ) 式 ( 10 ) 中 ：詈 为 腹 部 钢 筋 弹 性 模 量 与 腹 部 混 凝 土 弹 性模量的比值 。 G f x x - t f 叮 2 d f X - t f 0 = 2 ，E 仃 2 o r E l - 。 h -x - - a , 2 ， F ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) + F + + F = + F + + F ( 1 6 ) 把公 式( 1 1 5 ) 代入到公 式( 1 6 ) 中 ， 即可得 到混凝 土即 将开裂时中和轴位置 为 ： al _ 2 急A ( 。一 曲 + 2 d JFl6 ( 告 k )+ 2 等A ，r+ n ，E 6 【(6 r t-) 。( r ) 2 a E 16 r 卜 2 。； ( A -r 2+ A ) + 2 c x r l b , d - 2 ( b 一 t ) + q l ( 广 2 ) ( 1 7 ) 各截 面对 中和轴取矩 ， 即得 开裂弯矩 帆 ： =2 仅 ， E16 ， 一 1 f0 + 2 A 一 n z + 号 (6 ， 曲 了 2 +丢 ( 6 ， + 吾 ，E ( + 2 A h - x - 。 2 d ，E 】6 聃- 专 ( 1 8 ) 3部分外包钢梁腹部混凝土抗裂度的适用计算 根据平截面假定推导 的开裂荷载理论值 计算过程相 当繁琐 。现根据 混凝 土结构设计规范) ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) P 混凝土抗裂度计算公式 提出适用于部分外包组合梁腹部 混凝土抗裂度简化计算公式： 肘 l 2 0 ( 1 9 ) 式 中： 为混凝土塑性发展系数， 取值 1 5 5 ， 为考虑 截面高度 的影 响系数 按混凝 土结构设计规 范相应规定 取值 ，本文取 1 O ； 为考虑上下翼缘挤压混凝土的约束 系 数 ，经试验分析取 3 4 8 ； 为混凝土强度等级影响系数 1q ， 3 = 1 1 0 o l ； 混凝土抗拉强度 n _ O 2 ， 为将钢筋与 钢梁换算为混凝土后截面弹性抵抗矩 ， 取 以 。 部分外包钢梁在计算全截面惯性矩 时中和轴在钢梁 腹板 内， 根据截面形式 ， 以其截面的顶边为基线 ， 按 换算截 面法的方法可得到部分外包钢梁的重心轴距其截面顶边 的 距 离 为 ： A c 0 5 h + 仅 - A 。 0 5 h ( 毛 )A r2 a ，r+ A (l a ，r)】 A (訾) (A ，r+ A )+ A ，c ( 2 0 ) 计算出截面重心轴后 ，可以得到截 面绕 中和轴 的惯性 矩 ： ， = 专A + A ( 一 寺 ) + ，E J + (0 5 + ， r 2 ( ， h 。 + a ， r) 十 4 ， r2 一 a ， r) 】 ( 2 1 ) 式 中： A， c 为钢梁腹部混凝土的面积 ； ， 为部分外包钢梁换算成混凝土的惯性距 ： 为钢梁截面惯性矩 ； Y为混凝 土受拉边缘到换算截 面中和轴的距离 。 4实测结果与计算结果的比较 利用 文献 4 中 2个 与文献 6 】 中 3个试件 的实测结果 与理论值 。 、 钢骨混凝土规范简化方法值 、 简化方法 值 脶 进行 比较 ， 计算结果列入表 2 。由表 1可见 ： ( 1 ) 箍筋 ( 下转第 8 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 ( 总第 1 3 2 期 ) 桩实施跳孔施工 。 5 2施工注意事项 ( 1 ) 高压旋喷桩施工前， 应在 管线底部开挖出高度不小 于 1 5 m的沟槽 ， 并沿施工段在管线两侧 开挖 沟槽 便于置 换土的清理 防止置换土对管线造成挤压破坏 。 ( 2 ) 旋喷桩施工中必须加强对既有管线的保护 严格控 制旋喷桩的施工压力及施工速度 ，确保旋喷桩施工 中管线 的安 全 。 ( 3 ) 旋喷桩补强处应有针对性地加强基坑 监测 ， 如发生 险情及 时根据施 工应急 预案相关措施 对基坑进 行加 固处 理 。 6 旋 喷桩 实施 效 果 ( 1 ) 在旋喷桩施工过程 中， 通过严格控制施工压力 、 开 挖沟槽及时清除置换土等措施 ，未发生管线 沉降或抬升现 象。 ( 2 ) 在基坑开挖后暴露 出的旋 喷桩 桩径均达 到或 超过 设计值 ， 围护桩体连续 、 无 断桩 。 除桩体侧壁局部 有少 量水 渍外 ， 没有漏水现象 。 ( 3 ) 通过对 围护结构深层土体侧 向变形 、 地 面沉 降 、 地 下水 位等 的监测 ， 各项变形均控制在设计允许 的范围内 7结语 本文采用高压旋喷桩加固措施 ，成功解 决了地下管线 穿越基坑时的处理难题 。 通过这一工程实例 得出以下几点 体会 ： 1 ) 对处于城市中心区地下管线密集 的基坑工程 ， 设计 、 施工中应尽 可能减少管线 的迁移 ， 采取管线加固措施 ， 以期 缩短工期 ， 降低建设成本。 2 ) 高压旋喷桩 因其设备移动灵活 、 施工速度快 、 可以倾 斜施工绕过障碍物等特点 ，可以有效 的解决地下管线穿越 基坑时的保护问题 。 参 考文 献 【 1 】 袁辉 高压旋喷桩在 复杂深基 坑止水 围护 中的应 用 J 1 煤炭科学技 术， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 2 ) ： 3 9 - 4 0 ， 4 7 f 2 】 汪思满 组合旋喷桩在管线 穿越基坑 的围护 中应 用阴 建 筑施 _T - ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 7 ) ： 1 9 2 1 3 1 唐甜， 徐敏， 吴献 市政地道 围护与周边管线保护措施 的 综合运用 实践 J 建筑施工， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 7 ) ： 4 8 5 - 4 8 7 【 4 】 刘建航， 侯学渊， 等 基坑工程手册【 M】 北京 ： 中国建筑工 业 出版 社 1 9 9 7 ( 上接第 3 O页) 表 2 开裂荷载试验值与计算值比较 是和钢梁点焊的 ， 传递时剪力比较集 中， 而腹部栓钉将钢 梁 与混凝 土连接成整体 ， 并且比较均匀的传递腹部剪力 相对 延缓 了开裂弯矩 ； ( 2 ) 理论值和钢骨混凝土规范值是根据混 凝土达到抗拉应 力即开裂计算 的，没有考虑到翼缘对混凝 土的约束和摩擦作用 ， 与试验值误差较大 ， 而简化方法在考 虑 约束 因 素后 开裂 弯矩 实 测值 与 计算 值 之 比平 均 值 为 1 O l ， 均方差 为 0 o 4 ， 离散 系数为 O o 4 ， 计算结果 与实测值 吻合较好 。 5结 论 本文对部分外包钢梁腹部混凝土的抗 裂度计算进行 了 研究 ， 结论如下 ： 1 ) 从钢筋混凝土开裂理论 出发 ， 推导 了部分外 包钢梁 腹部混凝土开裂弯矩的计算公式 ，计算值与试验值误差 较 大 ， 说 明部分外包钢梁中上下翼缘挤压混凝土， 提高了约束 作用 ， 增加了钢梁和混凝土之间的摩擦力 ， 延缓了混凝 土的 开 裂 。 2 ) 试验结果表明 ： 钢梁截 面高度在 1 9 4 m m到 2 9 4 m m 之 间， 对开裂弯矩影 响较小。 3 ) 腹部栓钉能较均匀的传递剪力 ， 延缓了开裂弯矩 4 ) 本文建议的简化计算公式与混凝土规范形式相协调 统一 ， 且与试验结果 吻合较好 可供确定理论和工程实践应 用 。 参 考 文 献 【 1 】 G B 5 0 0 0 1 2 0 0 2混凝土结构设计规 范f S 】 北京： 中国建筑 工业 出版 社 2 0 0 2 【 2 朱聘 儒 钢一 混凝 土组合 梁设 计原理【 M】 北京 ： 中国建 筑工 业 出版社 2 0 0 6 【 3 】 过镇 海 钢 筋混凝土原理与分析 M】 北京： 清华大学出版 社 2 0 03 4 赵侨 荣 部分外 包梁受力性能试验研究f D 】 。 西安建筑科 技 大学 2 0 0 3 【 5 】 施悦 部 分外包简支组合 梁的试验研 究【 D 】 南京工业大 学 2 0 0 7 【 6 】 王建 林 部 分外 包粱 的试验 研 究【 D 南京 工业 大 学 ， 2 0 07 【 7 】 赵 鸿铁 钢与 混凝 土组合 结构【 M】 北 京 ： 科 学 出版社 ， 2 ( ) ( 珥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m