[科普中國]-組合梁

組合梁抗彎性能概述

組合梁是鋼梁和混凝土板通過抗剪連接件連成整體而共同受力的橫向承重構(gòu)件，能夠充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優(yōu)點，具有承載力高、剛度大、抗震和動力性能好、構(gòu)件截面尺寸小、施工方便等優(yōu)點 。現(xiàn)有組合梁所采用的鋼梁形式有工字形、箱形、鋼桁架、蜂窩形鋼梁等。本文旨在探討波紋腹板H 型鋼在組合梁中的應(yīng)用，與普通H 型鋼梁相比，波紋腹板H 型鋼具有強度高、用鋼量省、局部穩(wěn)定承載力高的優(yōu)點，可以進(jìn)一步發(fā)揮組合梁的優(yōu)勢。奧地利的維也納機場停車場采用過這種構(gòu)件形式 聶建國提出過這種結(jié)構(gòu)形式，在國內(nèi)尚無應(yīng)用?！安ㄐ武摳拱褰M合結(jié)構(gòu)箱梁橋”采用混凝土翼板與波紋腹板組成閉口箱型截面的組合梁，但兩者在設(shè)計原理存在一定的差異。波紋腹板H 型鋼腹板厚度一般較薄，但卻具有較高的平面外剛度和屈曲強度，腹板高厚比可以達(dá)到600，截面更為開展，所以非常適合作為橫向受力構(gòu)件使用。

在波紋腹板H 型鋼梁的受彎性能研究方面，Elgaaly 進(jìn)行了6 根波紋腹板H 型鋼梁受彎試驗和大量有限元分析，認(rèn)為腹板對受彎承載力的貢獻(xiàn)較少 可以忽略。Johnson 研究了梁的整體彎曲性能及受壓翼緣局部屈曲。Jiho 給出了波紋腹板H 型鋼截面剪切中心和翹曲常數(shù)的求解方法，對所提出的彎扭屈曲承載力的計算方法進(jìn)行了有限元驗證。郭彥林提出了波折腹板工形構(gòu)件翼緣穩(wěn)定性簡化模型。在鋼-混凝土組合梁抗彎承載力的計算理論方面，1912 年Andrews 首次提出基于彈性理論的換算截面法，即把混凝土或鋼的截面換算成鋼或混凝土的面積，然后根據(jù)初等彎曲理論進(jìn)行截面設(shè)計和計算。1951 年，N．M．Newmark 提出了組合梁交界面縱向剪力的微分方程，第一個考慮了鋼梁與混凝土板交界面上相對滑移對組合梁承載能力和變形的影響。

1959 ～1965 年，Thurlimann 通過一系列的試驗研究，認(rèn)為對于一般鋼-混凝土組合梁，當(dāng)其承受極限彎矩時，組合截面的中和軸通常在混凝土板內(nèi)。在組合梁極限承載力的計算中，可以認(rèn)為鋼梁全截面均已達(dá)到抗拉屈服強度。歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)的組合結(jié)構(gòu)規(guī)程及我國重新修訂的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，均采用了這種簡化塑性理論 。

由于波紋腹板的特殊形式導(dǎo)致其不能承受彎曲正應(yīng)力，使得波紋腹板H 型鋼組合梁抗彎承載力計算方法必然與普通組合梁不同。所以，本文將通過波紋腹板H 型鋼組合梁試驗研究，結(jié)合有限元分析，討論波紋腹板H 型鋼組合梁的抗彎承載力計算方法。

1波紋腹板H型鋼組合梁抗彎試驗研究1．1 試件設(shè)計與制作

為了解波紋腹板H 型鋼組合梁抗彎性能，共設(shè)計制作了4 根試件，試件主要的參數(shù)差異為梁的跨度、剪跨比等，同時考察有無荷載加勁肋對強度的影響。

1．2 試驗裝置和測量內(nèi)容

試驗采用兩點對稱加載，全部試件均為簡支，一側(cè)采用鉸支座，另一側(cè)采用滾動支座，采用兩個500kN 千斤頂通過反力架施加單調(diào)靜載，千斤頂下布置小型鋼梁作為分配梁，避免混凝土翼板局部受壓破壞，加載值由與計算機相連的傳感器測量，兩個千斤頂通過一個液壓伺服儀控制同步加載，測點布置主要考慮測量剪跨段鋼腹板的剪切應(yīng)變，純彎段截面的混凝土和鋼翼緣的彎曲正應(yīng)變。在梁的跨中下方設(shè)置位移計測撓度，構(gòu)件左右兩端分別設(shè)置位移計測量水平位移，并有一個相對位移計測量混凝土板和鋼梁之間的滑移。

1．3 有限元數(shù)值模擬試驗

為了對波紋腹板H 型鋼組合梁的抗彎試驗進(jìn)行驗證，研究采用有限元軟件ANSYS 作為輔助工具，并借助有限元方法提取更多試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，得到更多有益的結(jié)論。數(shù)值模型中，混凝土翼板采用Solid65 單元，材料本構(gòu) 關(guān) 系 按 照 材 性 試 驗 結(jié) 果 確 定; 鋼 梁 采 用 SHELL181 單元，材料采用切線模量為0．01E 的雙折線模型。

2試驗現(xiàn)象波紋腹板H 型鋼組合梁受彎試驗的基本過程如下: 當(dāng)初期荷載較小，材料處于線彈性階段，構(gòu)件的荷載撓度曲線接近于直線。隨著荷載的增大，鋼梁下翼緣開始屈服，中和軸上移，當(dāng)混凝土板底部的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，板底出現(xiàn)裂縫。此時荷載撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，呈曲線發(fā)展態(tài)勢。隨后，梁的變形迅速增加，板底橫向裂縫開始增大，混凝土板中裂縫寬度繼續(xù)加大，并向上發(fā)展，中和軸進(jìn)一步上移，荷載撓度曲線呈現(xiàn)水平發(fā)展趨勢，進(jìn)入塑性工作階段。當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載的90% 以上時，混凝土板的受彎裂縫開展比較密集，間距較小。接近破壞荷載時，鋼梁的屈服區(qū)已經(jīng)達(dá)到鋼梁的上翼緣。由于彎曲變形過大，試件混凝土翼板沿梁長產(chǎn)生縱向裂縫。加載至最后混凝土板受壓區(qū)完全達(dá)到混凝土的抗壓強度，翼板頂部混凝土被壓碎。

如混凝土翼板上部的受壓破碎，以及翼板下部的受拉開裂。同時，試件在整個試驗過程，鋼梁除了產(chǎn)生較大的彎曲變形外，未有其他明顯破壞特征。試件表現(xiàn)出極好的塑性變形性能，延性系數(shù)均能達(dá)到8．0(取鋼梁下翼緣開始屈服作為屈服彎矩，荷載下降到極值的 80% 作為極限狀態(tài))。

此外，CB5 和CB6 在加載位置均未設(shè)置加勁肋，當(dāng)基本試驗結(jié)果分別與CB3 和CB4 一致，說明在混凝板對荷載擴散作用下，纖薄的鋼梁腹板，具有較載好的局部承壓強度。參照這一結(jié)論，在有限元分析中，僅建立無加勁肋的模型。混凝土翼板和鋼梁的上下翼緣剪應(yīng)力較小，腹板剪應(yīng)力較大，且腹板上剪應(yīng)力近似均勻分布。梁截面以混凝土靠近下部位置為彈性中和軸，最大應(yīng)變位于鋼梁下翼緣，最大壓應(yīng)變位于混凝土板上邊緣，而鋼梁腹板大部分幾乎沒有彎曲正應(yīng)變。

3 結(jié)論(1)波紋腹板H 型鋼組合梁極限抗彎承載力高于截面塑性彎矩。

(2)波紋腹板H 型鋼組合梁受彎過程中構(gòu)件延性性能好。

(3)波紋腹板H 型鋼組合梁截面應(yīng)力分布基本符合平截面假定。

(4)波紋腹板H 型鋼組合梁截面剪應(yīng)力主要分布在鋼梁腹板上，其呈均勻分布。

(5)鋼梁腹板局部承壓強度高，不需要設(shè)置加勁肋。

(6)采用截面塑性彎矩作為組合梁的設(shè)計彎矩。

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組合梁受彎性能概述隨著結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，單一材料組成的結(jié)構(gòu)很難同時滿足受力性能、耐久性、經(jīng)濟性、適用性和施工性能的綜合要求以減小鋼板厚度、減輕自重、節(jié)約材料和資金、減少資源消耗等關(guān)鍵 ．

外包鋼-混凝土組合梁是一種新型組合梁，具有承載力高、延性好、穩(wěn)定性好、施工方便、綜合經(jīng)試件均采用跨中兩點對稱靜力加載試驗，在12 00 kN 反力臺架下進(jìn)行．試驗開始前，通過 1 000 kN 壓力試驗機對所有加載儀器、設(shè)備進(jìn)行了檢查和標(biāo)定，確保試驗量測結(jié)果準(zhǔn)確、有效．試驗加載過程中，通過布置相應(yīng)的力傳感器監(jiān)控組合梁試件所需施加的各級荷載．

對高強U 形外包鋼-混凝土組合簡支梁( 以下簡稱組合梁) 進(jìn)行了試驗研究和理論分析，探討由高強混凝土和高強度鋼材有效結(jié)合形成的外包鋼-混凝土組合梁的受力性能和破壞特征，建立高強U 形外包鋼-混凝土組合梁正截面受彎承載力計算公式．

1試驗及其結(jié)果分析1．1 試驗概況

為了探究高強度鋼材(Q420 與Q460)和高強度混凝土(C60 與C80)有效結(jié)合形成的高強U 形外包鋼-混凝土組合梁的受力性能，根據(jù)組合作用基本理論設(shè)計制作了3 根試件．組合梁內(nèi)部高強混凝土與外包鋼板之間均按照完全剪力連接設(shè)計，不考慮滑移效應(yīng)對組合梁性能的影響．

1．2 加載過程與破壞特征

試件GCB5:荷載F 施加到270 kN (F /Fu= 0．857，F(xiàn)u為極限荷載)時，組合梁底部外包高強鋼板與內(nèi)部高強混凝土交界面出現(xiàn)較細(xì)微的粘結(jié)滑移裂縫，此時組合梁跨中豎向位移已達(dá)24 mm．荷載增至280 kN(F /Fu= 0．889)時，組合梁跨中混凝土翼緣板與U 形外包鋼腹板交界面出現(xiàn)較細(xì)微的裂縫．繼續(xù)加載，試件跨中豎向位移不斷發(fā)展，而裂縫張開不大．荷載增大到315 kN(F /Fu= 1．0)時，跨中翼緣板混凝土受壓剝離破壞，試件受彎變形發(fā)展迅速．試件GCB6:荷載增大到140 kN (F /Fu=0．419)時，試件發(fā)出較大的吱吱聲，表明化學(xué)粘結(jié)作用開始破壞．在組合梁兩端，外包鋼板與內(nèi)部混凝土交界面出現(xiàn)細(xì)的粘結(jié)滑移裂縫; 繼續(xù)加載，組合梁撓度緩慢增大，無其他現(xiàn)象發(fā)生; 加載至280kN(F /Fu= 0．838)時，組合梁跨中純彎段混凝土翼緣板側(cè)立面出現(xiàn)較細(xì)的縱向裂縫．荷載增大到335kN(F /Fu= 1．0)時，組合梁跨中純彎段內(nèi)部分混凝土翼緣板出現(xiàn)壓潰剝離破壞，此時組合梁跨中豎向位移達(dá)到40 mm．試件GCB7:加載初期，試件跨中豎向位移緩慢增大，各部位無裂縫出現(xiàn)．荷載增至140 kN(F /Fu= 0．394)時，組合梁內(nèi)部高強混凝土與U 形外包鋼腹板界面出現(xiàn)較細(xì)的豎向裂縫．荷載施加至280kN(F /Fu= 0．789)時，組合梁右端底部外包鋼板與內(nèi)部高強混凝土之間出現(xiàn)橫向微裂縫，試件跨中豎向位移發(fā)展到22 mm．當(dāng)荷載達(dá)到300 kN(F /Fu= 0．845)時，組合梁左端底部外包鋼板與內(nèi)部高強混凝土之間也出現(xiàn)細(xì)的橫向裂縫，并伴有翼緣板混凝土的開裂聲． 當(dāng)加載到 355 kN ( F /Fu =1． 0) 時，翼緣板高強混凝土上表面開始明顯鼓起，直至混凝土壓碎剝離破壞．

試件 GCB5、GCB6 和 GCB7 均發(fā)生了典型的正截面彎曲受壓破壞，承載力極限狀態(tài)標(biāo)志為跨中最大彎矩區(qū)翼緣板高強混凝土壓潰剝離． U 形外包鋼組合梁混凝土強度從 C60 提高到 C80 時，混凝土受壓破壞更趨于劇烈的崩裂破壞． 3 根試件破壞時，U 形高強外包鋼底板已全部屈服，外包鋼板均未發(fā)生局部屈曲和相對掀起． 試驗過程中，高強外包鋼板與內(nèi)部混凝土之間均未出現(xiàn)剪切滑移，這與試件按照完全剪力連接設(shè)計結(jié)果相符，也為下面計算受彎承載力時不考慮滑移效應(yīng)的影響提供了試驗依據(jù)．

1．3 荷載-撓度曲線

荷載-跨中撓度曲線分為3 個主要階段．

(1)彈性階段

從試驗開始到U 形外包鋼底部鋼板屈服之前，外包鋼組合梁處于彈性階段，撓度和荷載呈線性關(guān)系變化，可見:在試件截面尺寸、外包鋼板厚度及強度等參數(shù)相同的情況下 ( 試件 GCB6 與GCB7)，若組合梁抗剪措施符合完全剪力連接設(shè)計，翼緣板高強混凝土強度(C60 與C80)對高強U 形外包鋼-混凝土組合梁彈性階段的剛度影響不大; 在試件截面尺寸、抗剪措施、外包鋼板厚度和混凝土強度等參數(shù)相同的情況下 ( 試件 GCB5 與GCB6 )，U 形外包鋼板強度(Q420 與Q460)對組合梁彈性階段的剛度影響較?。?/p>

(2)彈塑性階段

組合梁U 形外包鋼底板屈服后，試件進(jìn)入彈塑性工作階段，截面剛度逐漸減?。⑶?，由于翼緣板高強混凝土不斷出現(xiàn)細(xì)微裂縫，使試件撓度的發(fā)展速率明顯快于荷載，組合梁截面內(nèi)力發(fā)生重分布，撓度與荷載呈顯著的非線性關(guān)系．荷載達(dá)極限值時，3 個試件跨中撓度均在40 mm 以上．

(3)破壞階段

當(dāng)組合梁跨中截面達(dá)到極限彎矩后，翼緣板高強混凝土受壓破碎甚至剝落，組合梁受彎承載力下降迅速． 內(nèi)部混凝土強度較接近的情況(C60 與C80)下，U 形外包鋼板屈服強度較低的組合梁試件，荷載-跨中撓度曲線包絡(luò)面積相對較小．

1．4 跨中沿截面高度縱向應(yīng)變發(fā)展

高強U 形外包鋼-混凝土組合梁跨中截面縱向應(yīng)變沿截面高度的分布及發(fā)展情況．以試件GCB5 為例說明，其他試件的試驗結(jié)果類似．圖5 中，Mut表示高強U 形外包鋼-混凝土組合梁跨中截面極限彎矩，M /Mut表示組合梁跨中截面實測彎矩比．跨中彎矩達(dá)到Mut時，外包鋼組合梁截面塑性發(fā)展較為充分，高強混凝土翼緣板部分與外包鋼板保持基本一致的彎曲曲率．實測的縱向應(yīng)變沿組合梁截面高度基本呈線性關(guān)系分布，符合平截面基本假定．

1． 5 試驗結(jié)果分析

構(gòu)造2 個與試件GCB5、GCB6 和GCB7 同截面但不同材料的普通U 形外包鋼-混凝土組合梁試件PCB1(外包鋼Q235，混凝土C30)、PCB2 (外包鋼Q345，混凝土C30)．提出的計算方法，得試件PCB1 和PCB2 的受彎承載力分別為165．2 和191．1 kN·m，高強U 形外包鋼組合梁試件GCB5 和GCB7 的受彎承載力分別是試件PCB1的1．85 倍和2．08 倍，是試件PCB2 的1．60 倍和1．81 倍，表明高強鋼(Q420 和Q460)和高強混凝土(C60 和C80)有效結(jié)合形成的U 形外包鋼-混凝土組合梁具有較高的受彎承載力．試件GCB5、GCB6 和GCB7 的屈服彎矩與極限彎矩之比約為0．72，普通U 形外包鋼-混凝土組合梁的屈服荷載約為其極限荷載的0．61 倍 高強外包鋼組合梁承載力的安全儲備比普通外包鋼組合梁略低，但其承載力的安全儲備仍然較大．試件GCB5、GCB6 和GCB7 的位移延性系數(shù)分別為2．16、2．79 和2．34，3 根高強U 形外包鋼組合梁均具有良好的延性性能．上述分析表明，高強U 形外包鋼-混凝土組合梁的整體工作性能更優(yōu)越．

2理論分析假定

基于試驗結(jié)果，計算高強U 形外包鋼-混凝土組合梁正截面抗彎承載力時，假定:

( 1) 組合梁截面的應(yīng)變符合平截面基本假定;

( 2) 忽略受拉區(qū)混凝土作用，極限狀態(tài)下混凝土壓應(yīng)力呈矩形分布;

( 3) 不考慮鋼筋混凝土翼緣板與 U 形外包鋼滑移和掀起的影響;

( 4) 外包鋼受拉及受壓承載力均取 0． 9fy( fy 為鋼材強度設(shè)計值) ，不考慮鋼板局部屈曲．2