工藝孔對(duì)大截面部分包覆鋼-混凝土組合梁受彎性能影響的試驗(yàn)研究*

賈水鐘, 劉宏欣, 李亞明, 孫求知, 張朕磊, 錢 樺

(1 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041；2 上海建筑空間結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，上海 200041；3 上海世博文化公園建設(shè)管理有限公司，上海 200125)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構(gòu)件(簡稱PEC構(gòu)件)是在型鋼翼緣內(nèi)設(shè)置剪力連接件并澆筑混凝土而形成的[1]。PEC構(gòu)件在預(yù)制過程中只需兩側(cè)支模,簡化了模板要求。翼緣內(nèi)混凝土的存在可以有效地降低構(gòu)件整體和局部屈曲的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力起著重要作用[2-3]。和傳統(tǒng)鋼構(gòu)件相比,PEC梁耐火性優(yōu)良[4-5],且抗彎和抗剪性能顯著提高[6-7],在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。

迄今為止,已有許多研究人員對(duì)PEC梁的力學(xué)性能和應(yīng)用進(jìn)行了研究。Nakamura等[8]發(fā)現(xiàn),PEC梁的抗彎承載力和抗剪承載力分別是傳統(tǒng)工字鋼梁的2.08倍和2.98倍。He等[9-10]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)波紋鋼腹板PEC梁具有更高的抗剪強(qiáng)度和斷裂模數(shù),并提出了其抗剪承載力計(jì)算方法。趙必大等[11]通過PEC梁的低周反復(fù)加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其延性系數(shù)在4～6.8之間,耗能系數(shù)在2.2左右,具有良好的抗震性能。肖錦[12]進(jìn)行了T形鋼P(yáng)EC梁在豎向荷載作用下的抗彎承載性能研究,結(jié)果顯示在豎向荷載作用下,T形鋼P(yáng)EC梁具有良好的承載能力和變形能力。

然而,這些研究大多集中在實(shí)腹型PEC梁,且一般均為小跨度PEC梁(跨度<8m),截面尺寸較小(截面高度均不超過600mm)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受荷載增大,梁跨度較大時(shí),采用普通PEC梁不能夠滿足重載和剛度的要求,使用大截面PEC梁(截面高度超過600mm)能夠有效彌補(bǔ)其不足。為了提高大截面PEC梁的生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)一次澆筑雙面成型,需要在腹板布設(shè)工藝(澆筑)孔。為此,本文針對(duì)布設(shè)有不同形式和尺寸工藝孔的大截面PEC梁的受力性能開展理論與試驗(yàn)研究,目的是得到其破壞形態(tài)、承載力、主鋼件應(yīng)變、構(gòu)件變形及延性,以研究工藝孔對(duì)其影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

試件依據(jù)上海世博文化公園雙子山項(xiàng)目實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙子山項(xiàng)目所采用的構(gòu)件均為大截面PEC梁,主要參考規(guī)程為《部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 719—2020)[13](簡稱技術(shù)規(guī)程)。試件編號(hào)分別為LW1(主梁)、LW2(次梁)、LW3(主梁腹板開孔方式1)、LW4(次梁腹板開孔)、LW5(主梁腹板開孔方式2),梁截面高度均超過600mm,定義為大截面PEC梁。主鋼件均采用Q355-B鋼材,連桿和抗裂鋼筋均為HRB400,腹部混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。試件LW1、LW3、LW5的計(jì)算長度l0為10800mm,試件LW2、LW4的計(jì)算長度l0為7200mm。試件構(gòu)造立面見圖1～6。

圖1 試件LW1構(gòu)造立面圖

圖2 試件LW2構(gòu)造立面圖

圖3 試件LW3構(gòu)造立面圖

圖4 試件LW4構(gòu)造立面圖

圖5 試件LW5構(gòu)造立面圖

圖6 試件LW5跨中截面圖

試件基本參數(shù)見表1,試件LW3跨中開孔直徑為400mm,四分加載點(diǎn)處開孔直徑為350mm,其他開孔直徑為175mm,其中跨中5個(gè)孔洞無混凝土填充。試件LW4跨中開孔直徑為300mm;四分加載點(diǎn)處開孔直徑為200mm,其他開孔直徑為140mm,其中跨中2個(gè)孔洞無混凝土填充。試件LW5跨中開孔直徑為350mm,其他開孔直徑為175mm,腹板開孔起到便于澆筑混凝土作用,孔洞均填充混凝土。試件純彎段連桿間距為200mm,彎剪段連桿間距為150mm,截面含鋼率僅考慮型鋼截面。

表1 試件設(shè)計(jì)基本參數(shù)

1.2 材性試驗(yàn)

在同等養(yǎng)護(hù)條件下所得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為33.1MPa。依據(jù)《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 228—2002)[14],測(cè)得不同厚度t下Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度fy、極限強(qiáng)度fu、彈性模量E如表2所示。

表2 鋼材材料性能

1.3 加載裝置及測(cè)量內(nèi)容

試件LW1、LW3、LW5跨度大,截面承載力高,采用雙350t作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)單調(diào)加載,加載點(diǎn)位于三分點(diǎn)處,具體加載裝置如圖7(a)所示。試件LW2、LW4跨度相對(duì)較小,截面承載力較低,采用單350t作動(dòng)器,作動(dòng)器施加的豎向集中荷載通過剛性分配梁傳遞給試驗(yàn)試件,加載點(diǎn)位于1/3計(jì)算跨度處,具體加載裝置如圖7(b)所示。為實(shí)現(xiàn)簡支邊界條件,試件的一端為滑動(dòng)鉸支座,另一端為固定鉸支座。

圖7 試件加載圖

正式加載采用先力加載后位移加載的方式。

試件LW1、LW3、LW5加載時(shí),每級(jí)兩個(gè)千斤頂各加載60kN(約0.05Pu,Pu為梁的極限荷載),加載速度為20kN/min,試件LW2、LW4每級(jí)加載為30kN(約0.05Pu),加載速度為10kN/min,達(dá)到預(yù)估極限承載力的一半(換算截面法計(jì)算所得屈服荷載)后,調(diào)整為位移加載控制,每級(jí)加載5mm,加載速度為5mm/min,加載至構(gòu)件破壞(考慮千斤頂有效行程,作用點(diǎn)撓度不小于300mm)。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)具體布置見圖8。

圖8 位移計(jì)及應(yīng)變片布置圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 試件LW1

試件LW1在加載至348.2kN(近似0.11Pu)后進(jìn)入帶裂縫工作階段,混凝土初始裂縫較多,但裂縫寬度很小,此時(shí)跨中撓度為5.35mm(l0/2 019)。加載至1397.3kN(近似0.45Pu)時(shí),跨中最大裂縫寬度達(dá)到正常使用極限狀態(tài)限值(0.3mm),跨中撓度為28.88mm(l0/374)。加載至2640.8kN(近似0.85Pu)時(shí),跨中撓度超過正常使用極限狀態(tài)限值(l0/200),型鋼上、下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變2 700×10-6,跨中撓度為81.62mm(l0/132)。加載至3090.2kN(1.0Pu)時(shí),跨中頂部混凝土表面部分脫落,跨中撓度超過計(jì)算跨度的1/50,達(dá)到試件破壞條件,停止試驗(yàn)。試件最終破壞時(shí)純彎段如圖9所示[15]。

圖9 試件 LW1純彎段破壞形態(tài)

2.2 試件LW2

試件LW2在加載至193.5kN(近似0.11Pu)后進(jìn)入帶裂縫工作階段,此時(shí)跨中撓度為4.04mm(l0/1 881)。加載至1276.6kN(近似0.70Pu)時(shí),跨中撓度超過正常使用極限狀態(tài)限值(l0/200),跨中撓度為48.57mm(l0/156)。加載至1560.9kN(近似0.86Pu)時(shí),兩面跨中最大裂縫寬度達(dá)到正常使用極限狀態(tài)限值(0.3mm),型鋼上、下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變2 400×10-6,跨中撓度為79.33mm(l0/96)。加載至1813.6kN(Pu)時(shí),跨中頂部混凝土輕微剝落,跨中撓度超過計(jì)算跨度的1/50,達(dá)到試件破壞條件,停止試驗(yàn)。試件最終破壞時(shí)純彎段如圖10所示[15]。

圖10 試件LW2純彎段破壞形態(tài)

2.3 試件LW3

試件LW3在加載至339.9kN(近似0.11Pu)后進(jìn)入帶裂縫工作階段,此時(shí)跨中撓度為5.70mm(l0/1 896)。加載至2140.4kN(近似0.69Pu)時(shí),跨中撓度接近正常使用極限狀態(tài)限值(l0/200),兩面跨中最大裂縫寬度達(dá)到正常使用極限狀態(tài)限值(0.3mm),跨中撓度為53.37mm(l0/202)。加載至2463.8kN(近似0.79Pu)時(shí),型鋼上、下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變2 700×10-6,跨中撓度為86.63mm(l0/125)。加載至3107.9kN(Pu)時(shí),試件發(fā)出異響,跨中頂部混凝土表面部分脫落,跨中撓度超過計(jì)算跨度的1/50,達(dá)到試件破壞條件,停止試驗(yàn)。試件最終破壞時(shí)純彎段如圖11所示[15]。

圖11 試件LW3純彎段破壞形態(tài)

2.4 試件LW4

試件LW4在加載至413.9kN(近似0.23Pu)后進(jìn)入帶裂縫工作階段,此時(shí)跨中撓度為10.17mm(l0/708)。加載至1244.5kN(近似0.70Pu)時(shí),跨中撓度超過正常使用極限狀態(tài)限值(l0/200),跨中撓度為36.82mm(l0/195)。加載至1450.6kN(近似0.82Pu)時(shí),兩面跨中最大裂縫寬度達(dá)到正常使用極限狀態(tài)限值(0.3mm),跨中撓度達(dá)到79.33mm(l0/96)。加載至1627.5kN(0.92Pu)時(shí),型鋼上、下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變2 700×10-6,跨中撓度為117.65mm(l0/61)。加載至1776.7kN(Pu)時(shí),跨中頂部混凝土表面部分脫落,腹板開孔處裂縫較為明顯,跨中撓度超過計(jì)算跨度的1/50,達(dá)到試件破壞條件,停止試驗(yàn)。試件最終破壞時(shí)純彎段如圖12所示[15]。

圖12 試件LW4純彎段破壞形態(tài)

2.5 試件LW5

試件LW5在加載至646.8kN(近似0.21Pu)后進(jìn)入帶裂縫工作階段,此時(shí)跨中撓度為10.17mm(l0/708)。加載至2284.7kN(近似0.74Pu)時(shí),型鋼上、下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)變2 700×10-6,跨中撓度超過正常使用極限狀態(tài)限值(l0/200),兩面跨中最大裂縫寬度達(dá)到正常使用極限狀態(tài)限值(0.3mm),跨中撓度為71.17mm(l0/152)。加載至3100.1kN(1.0Pu)時(shí),跨中頂部混凝土表面部分脫落,跨中撓度超過計(jì)算跨度的1/50,達(dá)到試件破壞條件,停止試驗(yàn)。試件最終破壞時(shí)純彎段如圖13所示[15]。

圖13 試件LW5純彎段破壞形態(tài)

綜上,5個(gè)試件首先發(fā)生混凝土開裂,隨后鋼翼緣屈服,最后跨中頂部混凝土表面部分脫落,跨中撓度達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于試件LW1、LW2、LW5,混凝土裂縫主要集中在純彎段,且均為豎向裂縫。對(duì)于試件LW3、LW4,開孔處傳力路徑發(fā)生改變,除豎向裂縫外,還分布著由孔洞向下側(cè)輻射分布的裂縫,裂縫寬度更大,且孔洞上方混凝土凸起剝落更嚴(yán)重。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載-跨中撓度曲線

試件荷載-跨中撓度曲線見圖14,曲線呈現(xiàn)兩個(gè)階段特征:

圖14 試件荷載-跨中撓度曲線

(1)彈性階段:在受拉翼緣屈服前,由于主鋼件、鋼筋對(duì)混凝土的約束作用,裂縫開展緩慢且截面剛度未明顯變化,荷載-跨中撓度曲線基本呈線性變化。

(2)在受拉翼緣屈服后,試件進(jìn)入彈塑性階段,腹部混凝土裂縫迅速發(fā)展并逐漸退出工作,截面剛度逐漸降低;荷載-跨中撓度曲線開始出現(xiàn)拐點(diǎn),呈現(xiàn)非線性變化,跨中撓度變化明顯,試件彎曲現(xiàn)象明顯;但隨著荷載的增加,試件主鋼件下翼緣進(jìn)入應(yīng)力強(qiáng)化階段,截面抗彎承載力仍未進(jìn)入下降段;隨著試件主鋼件上翼緣屈服,跨中頂部部分混凝土剝落,撓度到達(dá)限值,試驗(yàn)停止。

通過對(duì)比腹板是否開孔的兩組試件荷載-跨中撓度曲線,發(fā)現(xiàn)腹板開孔前后試件的初始剛度差別不大,這是因?yàn)殡m然腹板有開洞,削弱了主鋼件截面剛度,但通過混凝土的填充及補(bǔ)強(qiáng)措施得以改善。

試件進(jìn)入屈服階段后,試件LW1承載力略高于試件LW3、LW5,但最終破壞時(shí)承載力基本相同,試件LW2、LW4曲線的變化趨勢(shì)差別不大。這表明試件腹部開孔對(duì)試件承載力有一定的削弱作用,但整體影響不大,這是因?yàn)镻EC梁抗彎承載力由主鋼件翼緣、腹板、混凝土等多方面承擔(dān),但其中腹板作用較小。

3.2 承載力分析

表3 特征點(diǎn)承載力及位移

(1)試件特征點(diǎn)荷載試驗(yàn)值均高于計(jì)算值,可以按邊緣屈服準(zhǔn)則與全截面塑性準(zhǔn)則計(jì)算承載力。

(2)試件的開裂荷載在0.1Pu～0.2Pu之間,開裂較早,其主要原因可能是混凝土存在初始裂縫,但裂縫的發(fā)展?jié)M足規(guī)范要求,達(dá)正常使用極限狀態(tài)限值時(shí)的承載力基本達(dá)到了0.7Pu以上。

(3)試件的強(qiáng)屈比范圍在1.18～1.30之間,達(dá)到屈服荷載后試件仍然具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

(4)試驗(yàn)停止時(shí),各試件承載力未發(fā)生下降,但剛度下降過大,撓度均達(dá)到了l0/50。各試件都表現(xiàn)出良好的延性,延性系數(shù)在4.0以上。

(5)相比試件LW1,試件LW3、LW5的屈服強(qiáng)度分別降低了6.0%和8.4%,屈服位移分別增加了5.2%和6.0%;試件LW2、LW4的屈服強(qiáng)度和屈服位移差別不大,說明大截面PEC梁受型鋼腹板開孔影響更大。

3.3 應(yīng)變分析

圖15～19為試件LW1～LW5跨中混凝土與型鋼沿截面高度的應(yīng)變曲線,圖中h為距離下翼緣高度。由圖15～19可見,在達(dá)到0.7Pu荷載前,試件LW1、LW3、LW5截面中和軸近似在450mm高度;試件LW2、LW4截面中和軸近似在250mm高度,混凝土與型鋼應(yīng)變沿截面高度符合平截面假定;在達(dá)到0.7Pu荷載后,混凝土受拉應(yīng)變?cè)黾?截面中和軸明顯上移,腹部混凝土開裂嚴(yán)重,發(fā)生應(yīng)力重分布,截面應(yīng)變分布呈現(xiàn)一定的非線性。

圖15 試件LW1混凝土與型鋼應(yīng)變

圖16 試件LW2混凝土與型鋼應(yīng)變

圖17 試件LW3混凝土與型鋼應(yīng)變

圖18 試件LW4

圖19 試件LW5

4 工藝孔大截面PEC梁受彎承載力驗(yàn)算

盡管我國技術(shù)規(guī)程計(jì)算公式考慮了尺寸效應(yīng)影響, 但由于所依據(jù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中大尺寸試件數(shù)量偏少, 因此重新評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程對(duì)大截面PEC梁設(shè)計(jì)的規(guī)定十分必要。

大截面PEC梁截面示意圖與等效矩形應(yīng)力圖見圖20。試件在達(dá)到極限承載力過程中,中和軸不斷上移,受壓區(qū)高度減小。中和軸以上的截面處于受壓狀態(tài),中和軸以下的截面處于受拉狀態(tài),翼緣、受拉鋼筋全部達(dá)到屈服強(qiáng)度。

圖20 大截面PEC梁截面及應(yīng)力示意圖

大截面PEC梁受彎承載力計(jì)算公式見式(1)、(2),所得抗彎承載力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

(1)

表4 受彎承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

fa(Aa-Aac)=0

(2)

其中:

Aac=twx+bftf

由表4可得,試件LW1、LW3、LW5試驗(yàn)結(jié)果為計(jì)算結(jié)果的1.13～1.14倍,而試件LW2、LW4試驗(yàn)結(jié)果為計(jì)算結(jié)果的1.30倍和1.21倍,說明尺寸效應(yīng)對(duì)PEC梁的抗彎性能具有一定的影響,但并不顯著,這與已有研究結(jié)果吻合[18-20]。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,故采用上述全截面塑性理論計(jì)算開工藝孔的大截面PEC梁受彎承載力是安全合理的。

本文采用平均剛度法計(jì)算試件平均剛度B,試件LW3、LW4、LW5在進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí)已扣除腹部開孔部分。計(jì)算大截面PEC梁未開裂的換算截面慣性矩Iucr和大截面PEC梁開裂截面的換算截面慣性矩Icr時(shí),可將主鋼件腹部混凝土換算成主鋼件腹板,計(jì)算公式如下:

Ieq=(Iucr+Icr)/2

(3)

式中Ieq為大截面PEC梁計(jì)入受拉混凝土開裂影響的截面等效慣性矩,mm4。

根據(jù)計(jì)算得到的剛度,可利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法通過剛度求解出試件在0.7Pu時(shí)撓度f1,與試驗(yàn)得到的0.7Pu時(shí)跨中撓度f進(jìn)行比較,具體結(jié)果見表5,試件的撓度計(jì)算公式如下:

(4)

表5 跨中撓度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

式中:f1為荷載達(dá)到0.7Pu時(shí)的梁撓度;l0為計(jì)算跨度;a為剪跨段長度;P為加載點(diǎn)處所施加荷載;B為試件平均剛度。

根據(jù)表5可以看出,理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值均小于1,說明進(jìn)入彈塑性階段后,技術(shù)規(guī)程給出的計(jì)算公式與實(shí)際試驗(yàn)值存在一定的誤差。腹部開孔會(huì)導(dǎo)致PEC梁撓度增大,這是因?yàn)殚_孔削弱了截面剛度,剛度削弱需要在實(shí)際工程中加以控制,根據(jù)工程需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1)大截面PEC梁腹部開孔對(duì)試件承載力有一定的削弱作用,但整體影響不大。相比試件LW1,試件LW3、LW5的屈服強(qiáng)度分別降低6.0%和8.4%;試件LW2和試件LW4的屈服強(qiáng)度差別不大。

(2)各個(gè)試件延性系數(shù)均在4.0以上,大截面PEC梁表現(xiàn)出良好的延性。型鋼主鋼件、混凝土的應(yīng)變沿截面高度方向近似呈線性變化,符合平截面假定。

(3)尺寸效應(yīng)對(duì)PEC梁的抗彎性能具有一定的影響。大截面PEC梁抗彎承載力富余度相對(duì)較小,但抗彎承載力試驗(yàn)值仍是計(jì)算值的1.1倍以上,所采用計(jì)算公式安全可靠。

(4)基于折減剛度平均法所得到的大截面PEC梁跨中撓度計(jì)算值與試驗(yàn)值存在誤差,但不影響正常使用狀態(tài)極限限值的確定。腹部開孔會(huì)一定程度上削弱截面剛度,實(shí)際工程中需加以控制。