鋼混凝土組合梁正彎矩區(qū)截面的組合抗剪性能

　　摘要:為研究鋼混凝土組合梁正彎矩區(qū)的復(fù)合抗剪能力,對16 根密實截面鋼混凝土組合梁的組合抗剪性能進(jìn)行了試驗研究。試件全部簡支,跨中兩點(diǎn)對稱單調(diào)靜力加載。試驗結(jié)果表明,鋼混凝土組合梁截面的組合抗剪承載力為現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范計算值的1. 06～ 2. 88 倍;為同剪跨比(剪跨比為1. 0 和2. 0 時)純鋼梁的1. 26～ 1. 72 倍?；炷烈戆鍖M合梁的抗剪承載力有明顯的貢獻(xiàn)。組合梁的破壞形態(tài)不僅與組合梁的剪跨比有關(guān),而且與鋼梁的剪跨比有關(guān)。

　　關(guān)鍵詞:鋼混凝土組合梁;組合抗剪性能;混凝土翼板作用;剪跨比

　　近年來,鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展很快,在建筑和橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用[1]。鋼梁通過連接件與鋼筋混凝土翼板組合后,其抗彎強(qiáng)度和剛度顯著提高。由于組合梁的鋼梁部分比相應(yīng)純鋼梁的腹板高度小,故在某些情況下(如采用寬翼緣H 型鋼或剪跨比較小的情況),組合梁的剪力有可能起控制作用,可能出現(xiàn)僅僅依靠組合梁鋼梁腹板抗剪不足的情況。

　　目前各國有關(guān)規(guī)范都規(guī)定按塑性理論設(shè)計時,組合截面的豎向抗剪計算均不計混凝土翼緣部分的
影響,僅考慮鋼梁腹板的抗剪作用。

　　文[2～ 4]試驗研究表明,混凝土翼板占總抗剪能力20% 左右;對于纖細(xì)截面(按歐洲規(guī)范4 為第四類截面)組合梁,混凝土翼板占總抗剪能力高達(dá)50% [5]。文[6]研究表明,鋼混凝土組合梁中,鋼梁腹板僅占總抗剪能力的60% ～ 70% 。在剪力起主要控制作用的情況下,單純依靠加大腹板的厚度是不經(jīng)濟(jì)的。事實上,鋼梁和混凝土翼緣通過連接件連成整體共同工作,截面抗彎按整體截面考慮,抗剪也可以按組合作用來考慮。因此,對鋼混凝土組合梁的組合抗剪作用進(jìn)行試驗研究,有利于進(jìn)一步提高組合梁的經(jīng)濟(jì)效益。

　　本文主要介紹關(guān)于鋼混凝土組合梁抗剪試驗的基本情況和主要試驗結(jié)果。

　　1 試 驗

　　1. 1 試驗參數(shù)

　　試驗共設(shè)計鋼混凝土簡支組合梁試件16 個。主要改變的參數(shù)有組合梁的剪跨比λ、混凝土翼板
的厚度hf 和寬度be 。試驗僅考慮密實截面組合梁(鋼梁板件寬厚比滿足塑性設(shè)計要求的組合梁),翼板混凝土為普通混凝土。為了對比,專門設(shè)計純鋼梁試件2 個,純鋼梁的截面尺寸同組合梁的鋼梁截面 尺寸。鋼梁翼緣的屈服強(qiáng)度f f= 273 M Pa,鋼梁腹板的屈服強(qiáng)度f w = 340 M Pa。各試件參數(shù)變化如表1、表2 所示。其中f cu 表示混凝土立方體(150 mm × 150 mm× 150 mm)強(qiáng)度,參數(shù)a,b 見圖1 所示。

　　1. 2 加載方案和試驗步驟 [Page]

　　全部試件簡支,跨中兩點(diǎn)對稱單調(diào)靜力加載。量測內(nèi)容包括典型截面的應(yīng)變、跨中及加載點(diǎn)處的撓度、支座轉(zhuǎn)角、混凝土翼板與鋼梁交界面的相對滑移等,數(shù)據(jù)采集均由計算機(jī)自動完成。加載方案示意如圖1 所示。

　　2 試驗結(jié)果

　　2. 1 試驗現(xiàn)象及分析

　　由于剪跨比的不同,16 根組合梁表現(xiàn)出了不同的破壞形態(tài)(如表1 所示)。當(dāng)剪跨比為1.0和2.0(CBS-14 除外)時,混凝土翼板的破壞呈剪壓、斜拉或剪壓與斜拉之間的破壞形態(tài)。CBS-13 為斜拉破壞;CBS-6 為剪壓破壞;CBS-1,CBS-2,CBS-5, CBS-9,CBS-10 為剪壓與斜拉之間的破壞,即一側(cè)為斜拉破壞另一側(cè)為剪壓破壞。鋼梁在彎應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下沿主拉應(yīng)力方向首先屈服,然后在達(dá)到極限荷載時局部屈曲破壞,并伴隨有明顯的剪切變形。當(dāng)剪跨比為3. 0(包括CBS-14)時,混凝土翼板的破壞呈彎曲破壞的形態(tài);鋼梁在雙向應(yīng)力的作用下屈服(CBS-15 除外),鋼梁無明顯的剪切變 形。當(dāng)剪跨比為4. 0(包括CBS-15)時,混凝土翼板的破壞呈彎曲破壞的形態(tài);鋼梁翼緣在彎應(yīng)力的作
用下屈服,鋼梁腹板未進(jìn)入全截面屈服階段。

　　從破壞形態(tài)上看,鋼梁過大的剪切變形導(dǎo)致了混凝土翼板的剪切破壞,試件CBS-14(剪跨比為2.0)的破壞形態(tài)也證明了這一點(diǎn)。鋼梁的剪切變形占總變形的比例與鋼梁的剪跨比有關(guān)。因此,組合梁的破壞形態(tài)不僅與組合梁的剪跨比有關(guān),而且與鋼梁的剪跨比有關(guān)。兩根純鋼梁均為局部屈曲破壞,并伴隨有明顯的剪切變形。

　　2. 2 剪力-撓度曲線

　　16 根組合梁的剪力Vt 跨中撓度f t 曲線如圖2所示。從剪力跨中撓度曲線可以看出,除剪跨比等于1.0的情況外,組合梁均具有很好的延性。

　　2. 3 內(nèi)力比較及分析

　　組合梁抗剪承載力試驗結(jié)果與現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范及純鋼梁抗剪承載力的比較如表3 所示。梁號有CBS的16 根為本文結(jié)果,梁號為J 的6 根為文獻(xiàn)[6]的結(jié)果。從表3 可以看出,組合梁的抗剪承載力為各國規(guī)范計算值的(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)。

　　利用彈塑性理論的數(shù)值方法,根據(jù)對兩根純鋼梁的應(yīng)力分析驗證,得出如下的結(jié)論:當(dāng)剪跨比為1.0和2. 0(CBS-14 除外)時,組合梁腹板的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)僅進(jìn)入流動狀態(tài);當(dāng)剪跨比為3. 0 和4. 0(包
括CBS-14)時,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。

　　3 結(jié) 論

　　1)組合梁受剪破壞形態(tài)不僅與組合梁的剪跨比有關(guān),而且與鋼梁的剪跨比有關(guān)。當(dāng)剪跨比為1. 0
和2. 0(CBS-14 除外)時,混凝土翼板的破壞呈剪壓、斜拉或剪壓與斜拉之間的破壞形態(tài)。當(dāng)剪跨比為3. 0(包括CBS-14)時,混凝土翼板的破壞呈彎曲破壞的形態(tài);鋼梁在雙向應(yīng)力的作用下屈服(CBS-15除外),鋼梁無明顯的剪切變形。當(dāng)剪跨比為4. 0(包括CBS-15)時,混凝土翼板的破壞呈彎曲破壞的形態(tài);鋼梁翼緣在彎應(yīng)力的作用下屈服,鋼梁腹板未進(jìn)入全截面屈服階段。

　　2)組合梁的抗剪承載力為現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范計算值的(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)。 [Page]

　　3)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。

　　4)利用混凝土翼板抗剪潛力最簡單的方法是采用疊加法,即組合梁的抗剪承載力為腹板承載力與翼板承載力之和。但是,當(dāng)剪跨比較小時,疊加法過于保守,不能反映組合梁的組合抗剪特性。關(guān)于小
剪跨比組合梁的抗剪機(jī)理,筆者正在做進(jìn)一步的研究。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 聶建國,余志武. 鋼混凝土組合梁在我國的研究及應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報,1999,32(2):3 7.

　　[2] A nsourian P. Experiments on continuous composite beams [J]. P roc Inst
 of Civil Eng ,Part 2,1982,73(M ar. ):25 51.

　　[3] Hope-Gill M . C,Johnson R P. T ests on t hree three-span continuous 
composite beams [J]. P roc Inst of Civil Eng, Part 2,1976,61:367 381.

　　[4] Johnson R P,W illmington R T . Vertical shear in continuous composite beams
 [J]. P roc Inst of Civil Eng,1972,53:189 205.