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混凝土翼緣板及板托對(duì)組合梁抗剪能力的影響

王勇（安徽省第一建筑工程有限公司，安徽合肥230031）

抗剪能力是組合梁很主要的一個(gè)力學(xué)性能，現(xiàn)行有關(guān)組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范和教材中往往只考慮鋼梁腹板的抗剪作用，忽略了混凝土翼緣的作用，得出的計(jì)算公式雖然簡(jiǎn)便但是無(wú)形中安全儲(chǔ)備過(guò)大，使得鋼梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于所需的強(qiáng)度。通過(guò)分析所做的組合梁抗剪試驗(yàn)，并對(duì)比分析兩種通過(guò)試驗(yàn)擬合得出的計(jì)算公式，得出組合梁的抗剪承載力為各國(guó)規(guī)范計(jì)算值的1.06～2.88倍，為同剪跨比純鋼梁的1.26～1.72倍

鋼混凝土組合梁；組合抗剪性能；混凝土翼板；托板；剪跨比

1　概述

依據(jù)當(dāng)今我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，尤其是在抗震設(shè)防地區(qū)，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在眾多結(jié)構(gòu)形式中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在多、高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系中可以全部采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，混凝土和鋼材共同作用，發(fā)揮他們各自的特點(diǎn)，但是兩種材料的性質(zhì)差別很大，所以采用何種計(jì)算方法計(jì)算一直是我們不斷探討的問(wèn)題。在早期的鋼混組合結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計(jì)中一直以彈性理論為基礎(chǔ)，但是混凝土屬于彈塑性材料，而鋼材是理想的彈性-塑性材料。因此彈性分析方法僅僅用來(lái)計(jì)算使用階段的組合截面應(yīng)力及剛度時(shí)才是可信的，在決定構(gòu)件的承載力方面，由于未曾考慮塑性變形發(fā)展帶來(lái)的強(qiáng)度潛力，計(jì)算結(jié)果偏于保守，而且也不符合實(shí)際情況，所以我們按照塑性理論計(jì)算組合梁的抗剪承載力。

2　公式分析

2.1抗剪承載力通用公式

根據(jù)規(guī)范計(jì)算受剪承載力時(shí)一般都做如下要求：假定組合梁截面上的全部剪力僅由鋼梁腹板承受，也就是忽略了上部混凝土翼緣板及板托對(duì)抗剪承載力的影響，在考慮塑性承載力時(shí)，截面的抗剪承載力按下面公式計(jì)算。

式中fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。

2.2翼緣板和板托分析

混凝土板一般不計(jì)算斜截面抗剪，原因是板件的受彎破壞往往先于剪切破壞，但在組合梁中，由于計(jì)算截面形式與混凝土梯形梁相似，故與鋼梁的組合混凝土翼板可發(fā)揮一定的抗剪作用。

粗略估計(jì)翼緣板的抗剪能力：如圖所示的混凝土翼緣板和板托將板托的面積與翼緣板合并，計(jì)算該構(gòu)件能承受的最大剪力。

換算截面高度為h=80+20=100

斜截面受剪承載力：Vu=0.7βhftbho=0.7×1.1×1300× 80=80.1kN

這一數(shù)值只是粗略的計(jì)算只有混凝土參與抗剪的抗剪能力增加值，沒(méi)有考慮協(xié)同工作，當(dāng)考慮協(xié)同工作時(shí)這一值還會(huì)有提高，但是這樣至少說(shuō)明了組合梁的抗剪能力絕對(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只現(xiàn)行規(guī)范這么低，它的提高程度還是很可觀的，但是在現(xiàn)行規(guī)范中忽略了這一部分的承載力而僅僅作為結(jié)構(gòu)的安全度儲(chǔ)備考慮，因此提出更合理的抗剪承載力公式很具有研究意義。

3　組合梁翼板研究進(jìn)展

3.1試驗(yàn)基礎(chǔ)

通過(guò)對(duì)16根密實(shí)截面鋼-混凝土組合梁的組合抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，組合梁抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范及純鋼梁抗剪承載力進(jìn)行比較，得出組合梁的抗剪承載力為各國(guó)規(guī)范計(jì)算值的1.06～2.88倍，為同剪跨比純鋼梁的1.26～1.72倍 （當(dāng)剪跨比為1.0和2.0時(shí)）。利用彈塑性理論的數(shù)值方法，根據(jù)對(duì)2根純鋼梁的應(yīng)力分析驗(yàn)證，得出如下的結(jié)論：當(dāng)剪跨比為1.0和2.0時(shí)，組合梁腹板的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)僅進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)剪跨比為3.0和4.0時(shí)，組合梁腹板的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)為剛進(jìn)入屈服狀態(tài)或未進(jìn)入屈服狀態(tài)。這樣就可以計(jì)算出鋼梁所承擔(dān)的剪力，從而證明組合梁的抗剪能力大于腹板的抗剪能力是由于組合梁的混凝土翼板承擔(dān)了部分剪力，即由于組合梁的組合抗剪作用所致，并非由于腹板的強(qiáng)化所致。由此可見，翼板對(duì)組合梁抗剪承載力有明顯的貢獻(xiàn)。

3.2公式擬合

上述試驗(yàn)表明組合梁的破壞形態(tài)不僅僅與組合梁的剪跨比有關(guān)，而且與鋼梁的剪跨比有關(guān)。承載力提高的幅度比較大，可以不僅僅作為安全儲(chǔ)備而列入公式考慮。

所以抗剪承載力可以加上一項(xiàng)：Vs≤twhwfv+V′

V′計(jì)算可以分為兩個(gè)部分：無(wú)剪力連接的組合梁豎向抗剪強(qiáng)度和剪力連接程度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

3.2.1無(wú)剪力連接的組合梁豎向抗剪強(qiáng)度

通過(guò)改變組合梁混凝土翼板截面尺寸得出一組抗剪強(qiáng)度，與規(guī)范的公式進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是：混凝土翼板的抗剪作用顯著，即使不考慮組合作用，組合梁的抗剪強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于鋼梁自身的抗剪能力；組合梁的抗剪強(qiáng)度隨混凝土板厚度的增加而增大，但不隨混凝土板寬度單調(diào)增加，在某一區(qū)間內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)bc增大，而組合梁抗剪承載力略減小的情況。這種現(xiàn)象可部分解釋為：混凝土板寬增加，一方面確實(shí)增加了混凝土的有效抗剪面積，但另一方面也增加了混凝土翼板的橫向外伸長(zhǎng)度，橫向彎矩增大，甚至?xí)霈F(xiàn)混凝土板橫向彎曲破壞的情況。這兩種作用相互影響，使組合梁抗剪強(qiáng)度與混凝土板寬的關(guān)系變得不明確起來(lái)。關(guān)于混凝土板橫向彎矩與組合梁豎向抗剪強(qiáng)度的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

以有限元結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)無(wú)剪力連接的組合梁豎向抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了回歸分析。組合梁的抗剪作用主要由鋼梁和混凝土翼板來(lái)提供，因此組合梁的抗剪強(qiáng)度可寫成如下形式。

式中：Vc為混凝土翼板的抗剪貢獻(xiàn)；λc為混凝土翼板的剪跨比。

3.2.2剪力連接程度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

鋼梁和混凝土翼板通過(guò)栓釘連接件連成整體共同工作，剪力連接程度的提高不僅有利于發(fā)揮組合梁的抗彎性能，而且有利于提高組合梁的抗剪性能。為了反映剪力連接程度對(duì)組合梁抗剪能力的增大作用，在第二部分對(duì)于有抗剪連接件的構(gòu)件，為了確定剪力連接程度r的影響，筆者又做了一組試驗(yàn)分別改變r(jià)的值來(lái)分析承載力的變化，最后也回歸分析出一個(gè)公式

剪力連接程度r的定義：r=nr/nf

式中：nr為完全剪力連接設(shè)計(jì)需要的剪力連接件數(shù)量；nf為實(shí)際配置的剪力連接件數(shù)量。

當(dāng)完全剛性連接時(shí)組合梁在無(wú)剪力連接的基礎(chǔ)上又提高了89%，這說(shuō)明在正彎矩區(qū)段，組合梁抗剪承載力相對(duì)于鋼梁腹板抗剪名義值的提高，不僅來(lái)源于混凝土翼板的抗剪作用，組合作用的貢獻(xiàn)也很顯著。

4　不同擬合公式的比較

可以看到文獻(xiàn)［2］的兩種公式計(jì)算式比較復(fù)雜，參考文獻(xiàn)［3］中提出了另外的不同的兩個(gè)式子。

對(duì)比兩組式子我們可以看出文獻(xiàn)［2］提出的公式形式比較復(fù)雜，而文獻(xiàn)［3］提出的公式形式簡(jiǎn)潔。筆者帶入了幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)算，得出的結(jié)論是文獻(xiàn)［3］的結(jié)果比文獻(xiàn)［2］低20%左右，但是筆者認(rèn)為一個(gè)公式的運(yùn)用不能單獨(dú)只追求精確，計(jì)算的簡(jiǎn)便也是很重要的，所以采用文獻(xiàn)［3］的公式會(huì)比較方便，20%的承載力可以作為安全儲(chǔ)備，不加以考慮。

5　結(jié)　論

①混凝土翼緣板和板托對(duì)截面抗剪有一定影響，增加混凝土部分的截面尺寸，可以有效的提高組合梁的豎向抗剪強(qiáng)度。

②增加混凝土翼板截面尺寸，可以有效提高組合梁的豎向抗剪強(qiáng)度，但應(yīng)注意混凝土板橫向彎矩對(duì)組合梁豎向抗剪可能產(chǎn)生的不利影響。

③由于混凝土板橫向彎矩對(duì)組合梁豎向抗剪可能產(chǎn)生不利影響，所以保持截面有效寬度be不變，增加截面高度的方法所產(chǎn)生的橫向彎矩不利影響將會(huì)較小，但是這樣會(huì)使樓層的凈高降低，于是可以考慮增加板托的截面尺寸（板托的構(gòu)造要求為：高度不宜超過(guò)混凝土翼板厚度的1.5倍，頂面寬度不宜小于板托高度的1.5倍，板托外輪廓線應(yīng)在連接件根部起的45度角線的界限以外，由此可見板托的截面面積可調(diào)整范圍比較大）。

④組合梁的組合作用在提高承載力方面也有不容忽視的作用，剪力連接程度的大小對(duì)承載力有直接影響，建議采用文獻(xiàn)［3］提出的公式。

［1］聶建國(guó)，陳林，肖巖.鋼-混凝土組合梁正彎矩區(qū)截面的組合抗剪性能［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（6）.

［2］聶建國(guó)，唐亮.密實(shí)截面組合梁的豎向抗剪強(qiáng)度I：受正彎矩作用的組合梁［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008（3）.

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［4］林宗凡.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

［5］聶建國(guó)，余志武.鋼混凝土組合梁在我國(guó)的研究及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999（2）.

［6］曹閱，王慶利，吳獻(xiàn)，等.鋼混凝土組合梁抗剪承載力計(jì)算［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（3）.

［7］吳振聲，李勇，高向東.組合梁負(fù)彎矩區(qū)截面豎向抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1993（1）.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0121-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.048

王勇（1971-），男，安徽樅陽(yáng)人，工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師。