陳麗華, 陳雷飛, 屈 創(chuàng), 徐如楠

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

?

外包花紋鋼-混凝土組合梁彈性受彎性能

陳麗華, 陳雷飛, 屈 創(chuàng), 徐如楠

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章提出了一種外包花紋鋼-混凝土壓型鋼板組合梁,為研究其滑移影響下的彈性受彎性能,進(jìn)行了6根足尺外包鋼-混凝土簡支組合梁的靜力加載試驗(yàn)。對試件的荷載-滑移曲線和荷載-撓度曲線進(jìn)行分析,探討了抗滑移連接度對組合梁變形發(fā)展規(guī)律的影響;并根據(jù)是否考慮滑移效應(yīng)分別推導(dǎo)出相應(yīng)的彈性承載力計(jì)算公式。研究結(jié)果表明:隨著抗滑移連接度的降低,試件的抗彎承載力和延性均隨之降低;當(dāng)不考慮滑移效應(yīng)影響時(shí),彈性承載力試驗(yàn)值與理論值比值的均值為0.92,計(jì)算結(jié)果偏于不安全；考慮滑移效應(yīng)影響后,試驗(yàn)值與理論值比值的均值為1.02,計(jì)算結(jié)果偏于安全，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

外包花紋鋼-混凝土壓型鋼板組合梁;彈性承載力;滑移;理論計(jì)算

外包花紋鋼-混凝土壓型鋼板組合梁是采用花紋鋼板直接冷彎成C型截面,然后將壓型鋼板用螺栓固定在C型鋼梁上翼緣、在C型鋼梁的梁肋內(nèi)以及壓型鋼板面層整體澆筑混凝土而形成,試件的截面構(gòu)造如圖1所示。

該組合梁構(gòu)造形式簡單,外包鋼板兼具受力與充當(dāng)模板的作用,且鋼板內(nèi)表面帶有凸起的扁豆型花紋可以增強(qiáng)鋼和混凝土之間黏結(jié)力,減少抗剪連接件數(shù)量,方便施工,縮短施工周期,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),加快鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

對于直接承受動力荷載作用或正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),必須采用彈性方法進(jìn)行組合梁受力性能的分析驗(yàn)算。

為研究外包花紋鋼-混凝土組合梁的彈性受彎性能,本文在6根外包花紋鋼-混凝土組合梁試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,探討抗滑移連接度對組合梁變形發(fā)展規(guī)律的影響,考慮交界面滑移引起的附加彎矩,對采用換算截面法計(jì)算的組合梁彈性承載力進(jìn)行修正,以期定量地得出滑移效應(yīng)對組合梁彈性承載力的影響。

圖1 試件截面示意圖

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)考慮鋼梁寬度、螺栓布置、縱筋布置、剪跨段長度等主要參數(shù),制作了6根計(jì)算跨度均為3.4 m長的外包花紋鋼-混凝土組合梁。其中SCB-1、SCB-2為完全抗滑移連接組合梁,SCB-3～SCB-6為部分抗滑移連接組合梁。

試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所列,部分材料的主要力學(xué)性能見表2所列。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 部分材料的力學(xué)性能

因試件采用商品混凝土且分2次澆筑,導(dǎo)致2批次混凝土實(shí)測強(qiáng)度有所不同,SCB-1、SCB-2為第1批次混凝土澆筑,SCB-3～SCB-6為第2批次混凝土澆筑。第1批次與第2批次混凝土抗壓強(qiáng)度均值分別為18.54、16.74 MPa。試驗(yàn)試件的外包花紋鋼梁采用花紋鋼板加工而成,目前扁豆形花紋鋼板在市場上最為常見,為方便推廣,本試驗(yàn)選用扁豆形花紋鋼板,如圖2所示。

本試驗(yàn)6根簡支組合梁全部采用2點(diǎn)對稱加載,加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)過程中,采用同步加載,在外包鋼梁底板屈服前以荷載增量控制為主,取10 kN為1級進(jìn)行加載;底板屈服以后改用荷載與位移增量雙控的加載方式,取5 kN為1級或多于前一級跨中位移5 mm的級差進(jìn)行加載。試驗(yàn)全程監(jiān)測鋼梁和混凝土的應(yīng)變變化,利用量程合適的電子位移計(jì)測量組合梁的撓度變形和相對滑移量。試驗(yàn)過程中所有數(shù)據(jù)均由TDS303數(shù)據(jù)采集儀自動采集完成,組合梁測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖2 扁豆形花紋鋼板

圖3 試驗(yàn)裝置圖

圖4 測點(diǎn)布置圖

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 組合梁的破壞形式

純彎段應(yīng)變沿截面高度的分布情況如圖6所示,滑移沿梁長的分布情況如圖7所示,撓度沿梁長的分布情況如圖8所示。

圖6 跨中應(yīng)變沿截面高度分布

圖7 滑移沿跨長分布曲線

圖8 撓度沿跨長分布曲線

從圖6～圖8可以看出,當(dāng)荷載水平較低時(shí),抗滑移連接度對組合梁的變形影響較小,各試件撓度和滑移變形基本一致,沿梁的截面高度方向上,應(yīng)變呈線性分布,符合平截面假定;隨著荷載的增加,鋼梁和混凝土的應(yīng)變基本呈線性增大的趨勢,跨中撓度也近似呈線性增長,交界面滑移發(fā)展速度與抗滑移連接度基本負(fù)相關(guān),抗滑移連接度越低的組合梁滑移發(fā)展速度越快;繼續(xù)加載至鋼梁底板屈服(約0.75Pu,底板應(yīng)變16×10-4左右),組合梁截面中和軸開始上移,鋼梁和混凝土的應(yīng)變發(fā)展速度加快,不同抗滑移連接度的組合梁滑移變形量差異不斷加大,底板屈服時(shí)部分抗滑移連接組合梁的端部滑移量約為完全抗滑移連接組合梁的2～3倍,隨著鋼梁底板的屈服,組合梁的剛度不斷降低,跨中撓度呈非線性的加速增長;至極限荷載時(shí),抗滑移連接度對組合梁變形的影響開始宏觀地顯現(xiàn)出來,部分抗滑移連接組合梁SCB-3～SCB-6端部有明顯的滑移現(xiàn)象,而完全抗滑移連接組合梁呈現(xiàn)受彎破壞的特征,混凝土翼板表面有明顯的起皮壓碎現(xiàn)象,從圖6可以得出,隨著抗滑移連接度的提高,試件的受彎承載力隨之提高且整個(gè)截面應(yīng)變發(fā)展更充分,對比極限荷載時(shí)各組合梁的撓度沿梁長的分布曲線可知,雖然抗滑移連接度越低的組合梁引起的附加撓度變形越大[1],但抗滑移連接度更高的試件延性更好,撓度發(fā)展更為充分;繼續(xù)加載,試件SCB-1、SCB-2交界面的滑移經(jīng)過一定發(fā)展后趨于穩(wěn)定,最后混凝土翼板壓碎,荷載下降至0.85Pu,宣布試件破壞,試件SCB-3～SCB-6交界面的滑移變形則加速發(fā)展,荷載不斷下降,降至0.85Pu時(shí)停止加載,此時(shí)端部混凝土明顯滑出鋼梁,端部最大滑移量達(dá)9 mm。

3 組合梁彈性受彎承載力

3.1 換算截面法計(jì)算

鋼-混凝土組合梁的彈性受彎承載力[2-3]可以采用換算截面法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型如圖9所示,計(jì)算假定如下:

(1) 鋼和混凝土均為理想的線彈性體。

(2) 忽略鋼梁與混凝土交界面的滑移影響,截面變形符合平截面假定。

(3) 不考慮鋼梁腹板內(nèi)部受拉區(qū)混凝土對組合梁彈性剛度的貢獻(xiàn)[4-5]。

(4) 不考慮壓型鋼板肋高范圍內(nèi)混凝土對組合梁慣性矩的影響。

圖9 換算截面法計(jì)算模型

組合梁換算為等價(jià)的鋼梁截面面積為:

(1)

換算截面的形心位置距鋼梁底板的高度為:

(2)

換算截面的慣性矩為:

(3)

彈性受彎承載力為:

(4)

其中

3.2 滑移效應(yīng)下的彈性受彎承載力計(jì)算

在組合梁彈性受彎過程中,外包鋼梁與混凝土之間的C形交界面上存在一定的相對滑移,滑移效應(yīng)的存在使截面的實(shí)際彈性受彎承載力小于上述換算截面法求得的受彎承載力。為定量分析滑移效應(yīng)對外包花紋鋼-混凝土組合梁彈性承載力的影響,將3.1中的假定(2)改為:考慮鋼梁與混凝土交界面的滑移影響,且截面C形交界面上的相對滑移相等,由滑移效應(yīng)引起的附加應(yīng)力按線性分布;其余假定仍然采用。計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 ΔM計(jì)算模型

為得到組合梁跨中交界面處的滑移應(yīng)變,引入外包C型花紋鋼-混凝土組合梁在2點(diǎn)對稱加載作用下純彎段的滑移方程[6]:

(5)

(6)

(7)

其中

α、β、γ為計(jì)算參數(shù);hf為組合梁翼板的厚度;Ic、Is分別為混凝土梁和外包鋼梁的截面慣性矩;yc、ys分別為混凝土截面形心和外包鋼梁截面形心到各自上翼緣的距離;τ為外包花紋鋼與混凝土之間的黏結(jié)力[7-9];U為外包C型鋼梁截面周長；l為2個(gè)加載點(diǎn)之間的距離；L為梁長。

將純彎段的滑移S對x求導(dǎo),可求得滑移應(yīng)變εs為:

(8)

跨中交界面處滑移應(yīng)變?yōu)?

(9)

根據(jù)圖10可得:

(10)

(11)

根據(jù)(10)式、(11)式求得εst:

(12)

鋼梁截面的附加應(yīng)力合力ΔN為:

(13)

(14)

(15)

其中,hw為花紋鋼板腹板高度;hu為壓型鋼板肋高;hc為壓型鋼板肋部上方的混凝土高度;Aw為花紋鋼梁腹板面積;At為花紋鋼梁上翻翼緣面積;as為梁內(nèi)混凝土縱筋保護(hù)層厚度;My為換算截面法所求的彈性承載力。

4 結(jié)果分析

采用上述計(jì)算公式對組合梁SCB-1～SCB-6的彈性承載力進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,見表4所列。

表4 理論計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

5 結(jié) 論

(1) 本試驗(yàn)的外包花紋鋼-混凝土組合梁有2種破壞形式,即正截面受彎破壞和整體滑移破壞;抗滑移連接度對組合梁的受力性能影響較大,隨著抗滑移連接度的降低,試件的抗彎承載力和延性均隨之降低。

(2) 完全抗滑移連接組合梁與部分抗滑移連接組合梁的滑移發(fā)展規(guī)律在彈性階段相似,至破壞階段時(shí),完全抗滑移連接組合梁的滑移趨于停滯,而部分抗滑移連接組合梁則加速發(fā)展。

(3) 采用換算截面法計(jì)算的組合梁彈性受彎承載力與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大,且計(jì)算結(jié)果偏于不安全,即使是完全抗滑移連接組合梁,滑移效應(yīng)引起的附加彎矩仍然不能忽略;考慮滑移效應(yīng)影響后,彈性受彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,且計(jì)算結(jié)果偏于安全,采用滑移修正后的彈性承載力更適用于工程實(shí)際。

[1] 聶建國,沈聚敏,余志武.考慮滑移效應(yīng)的鋼-混凝土組合梁變形計(jì)算的折減剛度法[J].土木工程學(xué)報(bào),1995,28(6):11-17.

[2] 聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:1-3.

[3] 王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社,2005:1-3.

[4] 宗周紅,魏潮文，程浩德，等.帽型截面鋼-混凝土組合梁的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(7):29-33.

[5] 林于東,宗周紅.帽型截面鋼-混凝土組合梁受彎強(qiáng)度[J].工業(yè)建筑,2002,32(9):11-13，59.

[6] 胡紅兵.花紋鋼板與混凝土之間黏結(jié)滑移性能的試驗(yàn)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[7] 陳麗華,戴吉祥,金奇亮,等.花紋鋼管混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(8):1091-1096.

[8] 陳麗華,戴吉祥,金奇亮,等.花紋方鋼管與混凝土間黏結(jié)強(qiáng)度的推出試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2015,45(3):17-20,26.

[9] CHEN Lihua,DAI Jixiang,JIN Qiliang,et al.Refining bond-slip constitutive relationship between checkered steel tube and concrete[J].Construction and Building Materials,2015,79:153-164.

(責(zé)任編輯 張淑艷)

Elastic flexural performance of pattern steel encased concrete composite beam

CHEN Lihua, CHEN Leifei, QU Chuang, XU Ru’nan

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A type of pattern steel encased concrete composite beam with profiled steel sheet was proposed, and in order to study its elastic flexural performance under the influence of slip, the static load test of six full size steel encased concrete composite beams was carried out. The load-slip curves and the load-deflection curves of the specimens were analyzed, and the development law of deformation for composite beams with different degree of shear connection was investigated. Relevant calculation methods of elastic bearing capacity were established according to whether consideration was given to slip effect or not. The test results showed that with the decrease of the shear connection degree, the flexural bearing capacity and ductility of specimens also decreased. When the slip effect was ignored, the average of the ratio of test value to the theoretical value was 0.92 which had large error and the calculation results were unsafe. And when the slip effect was taken into consideration, the average of the ratio of test value to the theoretical value was 1.02, the calculation results were safe and in good agreement with the test results.

pattern steel encased concrete composite beam with profiled steel sheet; elastic bearing capacity; slip; theoretical calculation

2015-07-28；

2015-09-25

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1608085ME114)

陳麗華(1972-),女,安徽亳州人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.018

TU398.9

A

1003-5060(2016)11-1525-06