H型鋼-混凝土梁負(fù)彎矩的力學(xué)變化

李朋亞，孫長(zhǎng)昊，高承香，倪亮賢，晏永東

(甘肅電通電力工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,甘肅 蘭州 730046)

0 引言

近年來(lái),隨著鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的大力推廣和建筑工業(yè)化水平的提高,鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)由于其具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性、低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),已被大眾所接受。且H型鋼混凝土組合梁因其自重輕、承載能力高等優(yōu)良特性,在鋼結(jié)構(gòu)建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。

組合梁混凝土板在正彎矩作用下與鋼梁表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。目前,現(xiàn)澆和預(yù)制裝配式組合梁在正彎矩下的力學(xué)性能在學(xué)術(shù)界已經(jīng)得到了較好的研究。在框架結(jié)構(gòu)中,由于處于支撐狀態(tài)的連續(xù)梁構(gòu)件通常會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)彎矩,因此必須對(duì)其進(jìn)行分析?；炷涟逶诮M合梁負(fù)彎矩作用下承受拉應(yīng)力,由于混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度低,裂縫的發(fā)展對(duì)組合梁的力學(xué)性能有較大的不利影響。邢萬(wàn)里等[2]研究了現(xiàn)澆柱組合梁在負(fù)彎矩下的抗裂性。結(jié)果表明,外預(yù)應(yīng)力可有效提高組合梁的綜合應(yīng)力性能,對(duì)滑移有顯著影響。張冬芳等[3]和秦華乾等[4]考慮了混凝土板和鋼梁之間滑動(dòng)對(duì)組合梁剛度的不利影響。在原有等效截面的基礎(chǔ)上改進(jìn)撓度計(jì)算方法計(jì)算剛度,對(duì)現(xiàn)澆柱組合梁撓度計(jì)算具有較高的精度。武芳文[5]提出了一種新的抗拔限制和允許滑移技術(shù)。結(jié)果表明,對(duì)剪切連接器的改進(jìn)可以在不改變?cè)嚰偠群蜆O限承載力的情況下大大改善混凝土的開(kāi)裂性。

目前,H型鋼混凝土疊合板組合梁在負(fù)彎矩下的力學(xué)性能尚不清楚。基于此,本文分析了負(fù)彎矩下3種不同結(jié)構(gòu)形式的H型鋼混凝土疊合板組合梁破壞模式、荷載撓度、撓度分布、界面滑移、斷裂分布的差異,驗(yàn)證了預(yù)制底板預(yù)埋角連接器鋼疊合板組合梁應(yīng)力的合理性。通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的受力分析,可以為實(shí)際工程的實(shí)際應(yīng)用及設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣設(shè)計(jì)

新能源商用車(chē)電控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化建設(shè)項(xiàng)目2號(hào)樓(研發(fā)廠房)為鋼結(jié)構(gòu)廠房,其中鋼結(jié)構(gòu)采用H型鋼混凝土疊合板組合梁,該組合梁具有較好的強(qiáng)度與抗彎性能,可以滿(mǎn)足該工程的使用。但在鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí),發(fā)現(xiàn)組合梁由于鋼結(jié)構(gòu)變化,會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩,對(duì)組合梁的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生極大的影響,且會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體性能產(chǎn)生不利的影響。需要對(duì)組合梁進(jìn)行加固,并研究組合梁在負(fù)彎矩下的變化。因此根據(jù)規(guī)范要求,設(shè)計(jì)了三個(gè)全尺寸復(fù)合梁試件ZJB,SCL1和SCL2。ZJB為H型鋼混凝土疊合板復(fù)合梁。SCL1是一種H型鋼筋混凝土疊合板復(fù)合梁,采用預(yù)制底層平面帶彎頭鋼筋的形式。SCL2為預(yù)制底板嵌入新型角鋼連接件,組合梁的具體尺寸見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)材料

三組試件的鋼梁尺寸和材質(zhì)相同,鋼梁的尺寸為熱軋中翼緣H型鋼,梁具有316 mm的高度、200 mm的翼緣、6 mm的腹板和8 mm的翼片的厚度。梁的總長(zhǎng)3 960 mm,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為Q235。梁用單排螺柱剪切連接器焊接,螺柱的類(lèi)型是M16-100,直徑為16 mm,高度100 mm,螺柱的間距是250 mm。

鋼筋混凝土板的整體長(zhǎng)度是3 960 mm,和鋼梁一樣。單個(gè)預(yù)制底板的大小是1 320 mm×450 mm×60 mm,縱向和橫向鋼筋用8@100。預(yù)埋件和現(xiàn)澆混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C30。SCL1,SCL2各有6個(gè)預(yù)制底板,預(yù)制底板的上弦和下弦分別為10 mm和8 mm HRB400級(jí)鋼筋,腹板為6 mm HPB300級(jí)鋼筋。角鋼為∠50 mm×32 mm×4 mm,長(zhǎng)度為60 mm,角鋼上的彎曲鋼筋為6 mm HRB400級(jí)鋼筋。ZJB是在SCL1和SCL2現(xiàn)澆層中澆筑的對(duì)比組,鋼筋網(wǎng)是雙向雙層鋼筋,鋼筋規(guī)格為8@100 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

使用范圍為50 kN的液壓千斤頂在簡(jiǎn)支梁跨度內(nèi)提供垂直集中荷載。為了在負(fù)彎矩下使受拉組合梁上的混凝土板和受壓鋼梁下翼緣的應(yīng)力狀態(tài)相等,組合梁的頂部和底部倒置并簡(jiǎn)單支撐,荷載通過(guò)厚度為2 mm、邊長(zhǎng)為200 mm的鋼板施加在組合梁跨中鋼梁的下翼緣上。測(cè)試確保垂直荷載與組合梁的重心位于同一垂直平面內(nèi)。在開(kāi)始荷載作用下,先用20 kN左右的載荷進(jìn)行預(yù)荷,然后進(jìn)行卸荷。載荷可劃分成力矩和位移兩種形式,15 kN為第一級(jí)加載,直到載荷達(dá)到150 kN,150 kN之后為300 kN,直到力不能明顯增加,再轉(zhuǎn)換成連續(xù)載荷的位移。在發(fā)生過(guò)量變形后,繼續(xù)對(duì)試件進(jìn)行持續(xù)的加載,直至其處于測(cè)試終止?fàn)顟B(tài)。

測(cè)量包括撓度、滑移、裂縫。撓度、滑移是用位移計(jì)測(cè)量的[6];裂縫是用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量寬度的。其中W-1—W-6為組合梁撓度測(cè)定位移計(jì),R-1—R-4為組合梁組合界面自由端滑移,S-1—S-3為組合梁組合界面相對(duì)滑動(dòng)測(cè)定位移計(jì)。具體布置如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 荷載位移曲線

圖3為跨中荷載位移曲線。由圖3可知,在加載階段開(kāi)始時(shí),組合梁處于彈性階段,隨著荷載的增加,位移呈線性增加,鋼梁和混凝土疊合板共同作用,抵抗荷載。SCL1和SCL2的開(kāi)裂荷載相同,大致在75 kN,這個(gè)階段的線剛度為39 kN/m。ZJB比這兩個(gè)小,開(kāi)裂荷載約為60 kN,線剛度為30 kN/m。當(dāng)試件開(kāi)裂后,隨著荷載的增加,曲線由線性變?yōu)榉蔷€性并逐漸變慢,線剛度逐漸變小,三組試件的抗彎能力都有所下降。造成這種現(xiàn)象的原因是,隨著荷載的增加,混凝土疊合板和鋼梁逐漸滑移,協(xié)同效應(yīng)降低,裂縫迅速增長(zhǎng)[7]。SCL1的屈服荷載為240.9 kN,SCL2的屈服荷載為255.2 kN,整澆疊合板的屈服荷載為248.2 kN。SCL1的屈服位移為10.2 mm,SCL2的屈服位移為13.8 mm。這說(shuō)明角鋼剪力連接件可以抵抗混凝土疊合板和鋼梁之間一定的滑移,加強(qiáng)鋼梁-混凝土疊合板的整體性,增加其協(xié)同能力,提高整體剛度。加載后期為破壞階段,由于荷載的增加,鋼梁翼緣在加載墊附近發(fā)生局部屈曲。隨著位移的增加,承載力急劇下降,三塊板的最終破壞形式大致相同,在組合梁的混凝土板底中心形成貫穿性裂縫。三塊板的極限荷載大致相同,可以看出,角鋼連接件對(duì)極限荷載的影響很小。

2.2 荷載-滑移分布

角鋼連接件的拉桿伸入疊合板的內(nèi)部,與整個(gè)板塊一起澆筑,下部與鋼梁焊接,可以傳遞混凝土疊合板與鋼梁界面產(chǎn)生的剪力,是整個(gè)鋼筋混凝土復(fù)合板梁協(xié)同作用的關(guān)鍵。在試驗(yàn)中,為了測(cè)量中跨、1/4L、支座上部與梁末端與梁末端的鋼混凝土接觸面的相對(duì)滑動(dòng),同時(shí)根據(jù)載荷和位置的對(duì)稱(chēng)性選取了半跨進(jìn)行測(cè)量。但由于滑移呈現(xiàn)出不規(guī)則性,這是因?yàn)樵诩虞d后期出現(xiàn)了更嚴(yán)重的裂縫開(kāi)口,所以本文只選擇了構(gòu)件屈服前的相對(duì)滑移進(jìn)行分析。

圖4為荷載滑移曲線。除加載后期外,三組組合梁的梁端滑移與支座滑移大致相同。隨著荷載的增加,相對(duì)位置的滑移也在增加,跨中部分的滑移基本為0。對(duì)于SCL1,當(dāng)荷載為90 kN時(shí),滑移量發(fā)生了突變,而突變的位置在兩塊預(yù)制底板的連接處。這一現(xiàn)象與SCL2相同,但SCL2的加載力為180 kN。ZJB的滑移量突然變化的位置與SCL2相似,這說(shuō)明SCL2的整體性與現(xiàn)澆板相同,比SCL1好,能更好地傳遞界面剪力。SCL1的最大滑移產(chǎn)生在1/4L。SCL2和ZJB的最大滑移是在組合梁的末端產(chǎn)生的。造成這種現(xiàn)象的主要原因是SCL2的剪切連接效果最好,SCL1最差,而ZJB處于中間。對(duì)于加載的SCL1,軸承在板上產(chǎn)生的局部反作用力很大,大于滑移產(chǎn)生的剪切力,大大限制了其滑移。對(duì)于SCL2和ZJB,支座產(chǎn)生的局部壓力較小,混凝土疊合板和鋼梁共同作用產(chǎn)生的合力超過(guò)了支座的局部壓力,對(duì)支座滑移的抑制作用降低[8]。從整體上看,在相同的相對(duì)位置和相同的荷載水平下,SCL2產(chǎn)生的滑移量最小,ZJB次之,而SCL1最大。在100 kN的載荷下,SCL1的滑移量為0.356 mm,SCL2為0.184 mm,ZJB為0.196 mm。SCL2的滑移小于SCL1的一半,是ZJB的95%。由于界面的滑移量隨著剪切連接度的增加而減少,剪切連接的角鋼不僅有拉桿伸入上層疊合板,而且與鋼梁焊接在一起,可以有效傳遞疊合板和鋼梁截面產(chǎn)生的部分剪切力,從而抑制截面的滑移。

2.3 裂縫分布和特征

通過(guò)對(duì)比上述試驗(yàn)結(jié)果,可以明顯看出,與SCL1和ZJB相比,SCL2的裂紋生成延遲。這主要是由于SCL2比SCL1,ZJB的剪力結(jié)合要大,在SCL1,ZHB上的滑動(dòng)比SCL2大,所以可以認(rèn)為SCL1和ZGB混凝土板的縱向變形比SCL2大。這也進(jìn)一步表明,在相同載荷水平下,SCL2的撓度小于SCL1和ZJB的撓度,因此彎曲曲率也較小,不太可能產(chǎn)生裂紋。

裂縫的具體分布情況如圖5所示。三組復(fù)合梁的主要裂縫都發(fā)生在跨中段,從裂縫的分布來(lái)看,三組復(fù)合梁的排列和分布都很相似。這說(shuō)明預(yù)制層和現(xiàn)澆層之間的混凝土黏結(jié)性能良好,沒(méi)有發(fā)生沿層表面的剪切破壞。且在連接處和支撐段之間,出現(xiàn)了橫向裂縫,說(shuō)明連接處的力傳遞良好。隨著荷載的增加,支座附近的剪力跨區(qū)出現(xiàn)了縱向分裂裂縫,由于鋼梁傳遞的高壓,在支承附近,混凝土產(chǎn)生了剪力開(kāi)裂。與SCL1,ZJB相比,SCL2具有較小的剪切斜裂縫。其主要原因在于,在同等載荷下,鋼筋混凝土板在同樣的載荷水平下,具有較好的連接性能,且剪力的滯后作用更為顯著。所以,斜縫在支承部位的分布要小于鋼筋的斜縫。且預(yù)制底板鋼筋有助于阻止縱向劈裂裂縫,這證明了角鋼連接件對(duì)鋼疊合板組合梁縱向劈裂裂縫的抑制作用。這再次驗(yàn)證了橫向配筋具有抑制縱向劈裂裂縫的效果。由于裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大,因此在本工程復(fù)合梁就位后,與基座立柱的中線相符合,四邊協(xié)調(diào),調(diào)整臨時(shí)連接板,并將固定螺栓套入。在完成吊裝、初校合格后,才能進(jìn)行下一步工作。在施工中,應(yīng)注意復(fù)合梁上、下端的對(duì)接要精確;對(duì)接縫太大,會(huì)導(dǎo)致復(fù)合梁的受力偏差,增加了校正工作量,也會(huì)產(chǎn)生裂縫。在安裝過(guò)程中,需要將臨時(shí)螺栓固定好,采用雙夾板對(duì)接技術(shù),確保鋼柱的連接穩(wěn)定。在安裝鋼柱之前,應(yīng)安裝操作平臺(tái),安裝爬梯和安全保護(hù)措施,并焊接好防墜繩套和固定爬梯,清除灰塵,防止異物對(duì)復(fù)合梁產(chǎn)生影響,進(jìn)而誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。

2.4 鋼筋的應(yīng)變分布

為進(jìn)一步探究三種組合梁在負(fù)彎矩作用下的鋼筋變化情況,對(duì)鋼筋應(yīng)變分布進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)顯示,在SCL1橫斷面上,橫斷面的應(yīng)變是非線性的曲線,不能滿(mǎn)足平面假定。這主要是由于鋼梁與鋼筋桁架混凝土復(fù)合層間的結(jié)合界面發(fā)生了較大的滑動(dòng),使得結(jié)構(gòu)的斷面變形發(fā)生在兩種不同的空間軸線上。

圖6(b)為SCL2跨中截面高度方向上的截面應(yīng)變?cè)诩虞d的第一階段具有線性分布,但剪切滯后效應(yīng)導(dǎo)致單個(gè)混凝土應(yīng)變的非線性變化,并且截面符合平面截面假設(shè)。H型鋼混凝土疊合板與鋼梁配合良好,且鋼梁與H型鋼混凝土疊合板之間的界面不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移。加載后期,截面應(yīng)變?cè)诟叨确较蛏辖瞥示€性分布,鋼梁與H型鋼混凝土疊合板之間的界面產(chǎn)生的相對(duì)滑移很小,但截面符合平面截面假設(shè)。

圖6(c)顯示,ZJB的應(yīng)變分布趨勢(shì)與SCL2大致相同,呈線性分布,截面符合平面截面假設(shè)。由于在相同載荷下,ZJB相對(duì)位置的應(yīng)力-應(yīng)變大于SCL1和SCL2,說(shuō)明在相同條件下,疊合板的傳遞性能優(yōu)于整塊鑄板。三組試件中的鋼筋中性軸在彈性階段由于混凝土開(kāi)裂而有上升的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)三個(gè)復(fù)合梁試樣最終都因混凝土板中的鋼筋被拉動(dòng)而損壞,顯示出典型的彎曲損壞特征和類(lèi)似的極限承載力。

2)疊合梁的復(fù)合面沒(méi)有發(fā)生剪切破壞,復(fù)合梁的整體受力性能良好。三個(gè)組合梁間裂縫的位置類(lèi)似,其中角鋼筋接頭對(duì)組合梁體的縱裂開(kāi)裂具有一定的控制效果。

3)預(yù)制底板嵌入新角鋼連接件的H型鋼混凝土疊合板復(fù)合梁是一種性能更好、抗彎剛度更大的組合。

4)預(yù)埋新角鋼連接的H型鋼混凝土疊合板復(fù)合梁的滑移量小于預(yù)制底板彎桿突出和疊合澆筑板的滑移量,最大滑移量?jī)H為預(yù)制底板彎桿突出的1/2。

5)在負(fù)彎矩下的H型鋼混凝土復(fù)合板的復(fù)合結(jié)構(gòu)中,剪力角連接件可以代替從疊合底板上伸出的彎曲鋼筋,實(shí)現(xiàn)不延長(zhǎng)疊合底板的配筋。