（土木工程专业论文）外包型钢混凝土梁性能研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 外包型钢混凝土梁性能研究 专业：土木工程 硕士生：赵桥荣 指导教师：郝际平教授 孙形高3 - 摘要 型钢混凝土结构是在混凝土中配置型钢，这些型钢可以是轧制的也可以是焊接的。型 钢可以根据构件截面的大小、受力特点，灵活地选用。由于截面中配置有型钢，构件的承 载能力、刚度大大提高，构件的断面尺寸大大减少，房间的使用面积明显增加，房间中的 设备、家具也能更好布置。梁截面高度减小，房间的净空增加，房屋的层高与总高也有所 降低。由于型钢混凝土结构强度、刚度的明显提高，可以应用于大跨、重荷、高层及超高 层建筑中。 由于组合结构的一系列优点，所以其得到广泛应用。传统的型钢混凝土梁是将型钢放在 混凝土里面，本文研究一种全新截面形式的型钢混凝土梁，是将型钢外包混凝土。 本文通过三根外包型钢混凝土梁试验，研究了其正截面承载能力、刚度以及裂缝方面的 性质，并提出了一些相关建议公式。同时在现有混凝土非线性分析理论的基础上，采用 a n s y s 有限元分析程序建立了外包型钢混凝士梁的有限元模型，结合试验数据对模型进行 了验证，另外还改变了一些参数建立了有限元模型，并和建议公式的结果进行了对比。 关键词：外包型钢混凝土梁正截面承载能力刚度有限元试验 建设部2 0 0 1 年科研攻关项目( 项目编号0 1 - 2 - 0 7 0 ) ：h 型钢结构住宅建筑体系研究 西安建筑科技大学硕士论文 i n v e s t i g a t i o n o nt h em e c h a n i c s p r o p e r t y o f e p i b o l y p r o f i l e d b a r - - c o n c r e t eb e a m s p e c i a l t y ： c i v i le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a oq i a o m n g s u n t o n g a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o f i l e db a t - c o n c r e t es l r u c t t t r ei st os e tp r o f i l e db a ri nc o n c r e t e t h e p r o f i l e db a rc o u l db er o l l e do rw e l d e d t h et y p eo fb a rt a i lb es e l e c t e da c c o r d m gt oc r o s ss e c t i o n a r e a , p e r f o r m a n c eo f t h em e m b e r t h eb a rc a r le n h a n c et h eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds t i 缶l e s so ft h e m e m b e r , s o t h a tt h ec r o s ss e c t i o na r e ao f m e m b e rc a l lb e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d , a n d f u n c t i o na l e ro f t h e b u i l d i n gc a nb ei n c r e a s e d r n l eh e i g h to ft h er o o mi s i n c r e a s e d t h eh e i g h to ft h eb e a mi s d e c r e a s e ds ot h a tt h en e th e i g h to f t h er o o mi si n c r e a s e d , o rt h e s t o r e yh e i g h ta n d t h et o t a lh e i g h to f t h e b u i l d i n g c a l lb er e d u c e d b e c a u s eo fh i g h l y i m p m v e ds t r e n g t h a n ds t i f f n e s s , p r o f i l e d b a t - c o n c r e t es t r u c t u r ec a l lb ea p p l i e dt ow i d e - s p a ns t r u c t u r e h e a v i l yl o a ds t r u c t u r ea n d h i g hr i s e b u i l d i n g c o m p o s i t es t r u c t u r ei sw i d e l ya p p l i e dd u et oi t sm e f i t s t r a d i t i o n a lp r o f i l e db a t - c o n c r e t e s t r u c t u r ei st os e tp r o f i l e db a ri nc o n c r e t e ，w h i l et h ep a p e r p r o p o s e dan e wt y p eo fp r o f i l e db a r c o n c r e t eb e a m ，i nw h i c h p m f i l e db a re n v e l o p e s c o n c r e t e t h ep a p e rs t u d i e dt e s t so nt h r e ee p i b o l yp r o f i l e db a rc o n c r e t eb e a m s ，b e a r i n gc a p a c i t yo f n o r m a ls e c t i o n , s 溉a n db e h a v i o ro fc r a c k s a n dp u tf o r w a r df o r m u l a sa sa d v i s e b a s e do n e x t a n tn o n l i n e a rc o n c r e t e l h c o r y , af e m m o d e lw a sb u i l tb ya n s y s p r o g r a m 1 1 r e s u l t so f f e m a n a l y s i sw a s v e r i f i e db yt e s t sd a t a s o m e 脚e t e r si nf e m m o d e lw e r ec h a n g e dt ob u i l dd i f f e r e n t m o d e l sa n dt h e a n a l y s i sr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t h t h ea d v i s e df o r m u l a s k e y w o r d s ：e p i b o l yp m f i l e d b a rc o n c r e t e ； b e a r i n gc a p a c i t yo f n o r m a ls e c t i o n ；s t i f f n e s s ； f i n i t ec l e m e n t ； e x p e r i m e n t i l 声明 y6 1 6 8 3 1 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 另, 33 0 n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：走楠尔日期：。垆3 z 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 做储虢起桶晕导师签撕肌 吵 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 组合结构的类型及特点 两种不同性质的材料组合成整体共同工作的构件称为组合构件。由组合构件可组成组合 结构。由于两种不同性质的* - * 4 可以扬长避短，各自发挥其特长，因此具有一系列的优点。 组合结构依据组成材料的不同有诸多类型，实际上有些已经普及应用的结构也是组合结 构，例如钢筋混凝土结构是钢筋与混凝土组合而成，早己普遍应用，并形成一种独立成熟的结 构形式，成为用于土木、建筑水利等工程中最为广泛的结构形式之一。钢木结构屋架是钢材 与木材的组合。 1 1 1 组合梁 将钢梁与混凝土组合一起形成组合梁。混凝土板可以是现浇混凝土板，也可以是预制混 凝土板、压型钢板混凝土组合板或预应力混凝土板，钢梁可以用轧制或焊接钢粱，钢梁的形 式有工字钢、槽钢或箱型截面梁。混凝土楼板与钢梁之间用剪切连接件连接，使混凝土板作 为梁的翼缘与钢梁组合在一起，整体共同工作形成组合t 型截面梁。型钢混凝土结构的特点 是使混凝土受压，钢梁主要是受拉和受剪，其受力合理，强度与刚度显著提高，充分发挥了 混凝土和钢材的有利作用；并且由于侧向刚度大的混凝土板与钢梁组合在一起，很大程度上 克服了钢结构容易发生整体失稳与局部失稳的弱点。在一定的条件下，组合梁的整体稳定与 局部稳定可以不必验算，这也省去了相当一部分钢结构为保证稳定所需的各种加劲肋的钢材 和为之花费的一些工序。与相同的非组合结构相比，由于组合结构梁强度与刚度的提高，节 省钢材约2 5 3 0 t ”- 1 2 ，且组合梁的应用降低了梁的高度以及建筑物的层高与总高。组合 粱最早开始用于公路及铁路桥梁，很快发展到用于房屋建筑，尤其是钢结构建筑及工业厂房 中的工作平台等。 1 1 2 型钢混凝土结构 型钢混凝土结构是在混凝土中主要配置轧制或焊接型钢。在配置实腹型钢的构件中还配 有少量的钢筋与钢箍。这些钢筋主要是用来约束混凝土，是构造需要。钢筋在计算中亦可考 虑其辅助受力。这种结构形式在英国等西方国家被称为“c o n c r e t e e n c a s e s t e e l w o r k ”或“e n c a s e 西安建筑科技大学硕士论文 b e a m s ”。 型钢混凝土结构的特点是在混凝土中配置型钢，这些型钢可以是轧制的也可以是焊接 的。可以根据构件截面的大小、受力特点，考虑到受力的合理性，灵活地选用各种型号的型 钢。由于截面中配置有型钢，构件的承载能力、刚度大大提高，因而大大减少构件的断面尺 寸，明显增加了房间的使用面积，也使房间中的设备、家具更好地布置。由于梁截面高度减 小，增加房间的净空，也降低了房屋的层高与总高。强度、刚度的明显提高使其可以运用于 大跨、重荷、高层及超高层建筑中。在大跨、重荷、高层及超高层建筑中若使用钢筋混凝土 梁，构件的截面很大且影响工艺布置和使用，勉强采用钢筋混凝土结构实际上已成为不可能 或非常不合理。型钢混凝土结构不仅强度、刚度明显增加，而且延性获得很大的提高，因而 是一种抗震性能很好的结构，尤其适用于地震区。在高烈度地震区的超高层建筑中若再采用 钢筋混凝士结构，整个结构的延性实际上已经达不到“大震不倒”的要求。比起钢结构建筑， 采用型钢混凝土结构节省了大量的钢材，降低了造价。 1 2 课题背景 随着社会生产和人们生活的需要及科学技术的进步，高层建筑结构自2 0 世纪7 0 年代开 始在我国有了很大的发展，建筑高度不断增加，这必然导致建筑费用的大幅度提高。为了降 低建筑造价，提高企业的利润，建筑行业的企业都在想办法在保证建筑层数的前提下刚氐建 筑总高度，提高净空利用率降低层高，这就导致了与传统结构形式不同的新型结构体系，这 些新型结构的出现带来了新问题；它们的受力性能到底如何，是否满足建筑上的各孝中需要等 等，此次试验就是在这种前提下应运而生的。 山东莱钢建设公司研究开发的，h 型钢结构住宅建筑体系 课题被国家建设部列为 2 0 0 1 年度科技项目，我校与莱钢建设公司联合建有钢结构研发中心，该课题是建筑体系研究 的个部分，也是研发中心配合该项目所做工作的一部分。该集团公司为配合此课题的研究 进行了实验楼的建设，在实验楼的设计中开发了一些新的技术。这些新技术包括：1 四层框 架楼采用了将钢筋混凝土楼板放置在钢梁下翼缘的结构形式：2 为配合设备专业管线穿梁的 需要，在钢梁的腹板上打孔：为连接需要在其下翼缘上焊接剪力钉。 尽管将楼板放在下翼缘能增加楼层净高，但梁的整体稳定是否满足，是否将梁上下翼缘 西安建筑科技大学硕士论文 间填满混凝土，及填满后对梁的性质有什么影响，针对以上的问题，山东省莱芜钢铁集团公 司设计并提供试验构件，在西安建筑科技大学结构与抗震实验室进行了这种新型截面形式的 外包型钢混凝土梁的力学试验，其演化形式见图1 1 。 图1 1 课题演化形式图 b 画 d 1 3 本文的主要工作 本文主要研究了一种新形截面形式的外包型钢混凝土梁的力学性质，在结合实验研究情 况，利用传统的弹性力学理论，分别研究了外包型钢混凝土梁的正截面承载能力、刚度变形 能力以及在裂缝方面的性质。同时在现有混凝土非线性分析理论的基础上，采用a n s y s 有 限元分析程序建立了外包型钢混凝土梁的有限元模型，结合试验数据对模型进行了验证，另 外还改变了一些参数建立了有限元模型，并和建议公式的结果进行了对比。 第一章：绪论，主要介绍组合结构的特点及课题演化形式。 第二章：试验部分，包括方案介绍及材性试验介绍。 第三章：利用弹性理论，结合实验对外包型钢混凝土梁的正截面承载能力、刚度及变形 能力和裂缝方面的性质进行了分析 第四章：有限元部分，采用a n s y s 有限元分析程序建立了外包型钢混凝土粱的有限元 模型，结合试验数据对模型进行了验证，另外还改变了些参数建立了有限元模型，并和建 议公式的结果进行了对比。 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 试验目的 第二章实验部分 本文研究的是一种新型截面形式的外包型钢混凝土梁在纯弯段的强度、刚度和裂缝方面 的性能，建立正截面强度、刚度和裂缝的计算公式，分析其破坏机理，并在相应的方面和传 统的型钢梁进行比较。 2 2 试件模型设计 试件共做三个，钢梁采用h1 9 4 x1 5 0 6 x 9 ，钢材采用q 2 3 5 b 。，混凝土采用c 2 5 。 试件应精心制作，精心养护。同批浇筑的混凝土另做三个试件，和构件在同等条件下养 护。 试件 应变片 图2 - 1 试件构造图 西安建筑科技大学硕士论文 试验的一些特殊的处理： 试件在制作过程中，由于需要在型钢腹板上穿孔，这给施工造成了一定的麻烦，但这个 工序是在工厂中完成的，所以影响不是很大。在梁布置钢筋的时候，也遇到一些麻烦，如采 用传统的箍筋形式，根本无法施工，而本试验的箍筋采用图2 - 2 示的形式，然后对接点焊而 成。该粱的浇筑过程中，由于混凝土是浇筑于型钢的翼缘和腹板之间，所以不方便支模，在 该试件的制作过程中是采用两侧分别浇筑，先浇一侧的混凝土，在其达到早期强度以后，再 浇筑另一侧的混凝土，尽管在该实验中解决了这个问题，但是在以后施工及推广中，其施工 的方法和方式还须进步考虑。在本试验的原型 中，由于其楼板浇筑于梁的下翼缘，这样就可以 将梁浇筑满，所以也可以解决这个问题，这样反 而减少了支梁模的工序，从而变成了一有利因 素。 2 3 加载装置 本试验采用拟静力加载，支座采用滚轴支 座，从而减少摩擦力对实验数据的影响。加载装 置图见图2 - 3 一 一 蚴 西安建筑科技大学硕士论文 2 4 加载制度 图2 - 3 加载装置图 目前常用的拟静力加载试验规则主要有三种：力控制加载，位移控制加载，力位移混合 加载，本试验采用力控制加载。【3 1 规定：试件屈服前应采用荷载控制并分级加载，开始时的 级差取1 0 k n ，接近开裂和屈服荷载前宜减少加载级差，级差取5 k n 。计算试件的开裂荷载 和极限荷载，采用分级加载方法。接近开裂荷载和极限荷载时均采用慢速少量加载。两次加 载间隙在梁上用铅笔画出裂缝的开展情况，同时量取裂缝宽度，有疑问时用2 0 倍放大镜核 实。 2 5 变形量测方案 2 5 1 数据采集仪器 所用的仪器主要有： l z 3 。3 0 4 型函数记录仪，规格：2 5 x 3 0 ，精度：0 5 r o 3 ，r o - 2 型位移讯号源 d y - 1 5 型电源( 1 0 _ 一3 0 v ) w b d - 1 0 型机电百分表，1i s ：o 0 1 r a m 2 5 2 位移的量测 梁底布置了三个量程为1 0 0 r a m 的电子位移计，而在梁顶及支座又布置3 个量程为5 0 m m 的电子百分表以测量跨中挠度，进而求出梁在使用荷载下的曲率。 6 西安建筑科技大学硕士论文 p 1 0 04 0 n4 0 0 1 0 0 $ 萨兰习必 z ! 、，。 。守。f，。z ! ! f 2 5 3 应变的量测 庐电子百分表中电子位移计 图2 - - 4 变形量测图 图2 - 5 支座百分表安置图 每个试件的纯弯段内均有三个截面的型钢及上下受力钢筋贴有3 * 5 r a m 的应变片，以量 测单个截面的应变变化，定性分析混凝土受压区高度在使用荷载下的变化规律。 为验证平截面假定，沿截面高度在混凝土表面贴有长标距电阻应变片，测得构件纯弯段 的平均应变吼因置于梁内的钢筋随混凝土截面弯曲，其上下边应力呈线性分布，故将应变 片贴在沿梁高方向钢筋的中心即可测得钢筋的平均应变。 7 丰 三 罱 中一日t d 、 1n n f 与n n5 f n，1n n f ， ， 3 0 0 0 型钢腹板 c f 车 亡哼眸 j t 一 裔 1 0 0 0，5 0 n5 0 0，1 0 n 0 ， 。3 0 0 0 混凝土表面 型钢上翼缘 型钢下翼缘 p s np 气n与n n ， 4 4 n。1 4 4 n 下部受拉钢筋 8 西安建筑科技大学硕士论文 中部钢筋 上部受压钢筋 图2 - 6 应变片布置图 2 6 材料试验结果 本文分别进行了混凝土立方体试块抗压强度试验【5 】，钢筋拉伸试验悯，型钢拉伸试验嗣，以 确定相关材料性能。 钢筋试件取样长度为；l 5 d + 2 0 0 i n t o ，当钢筋直径小于l o m m 时，取 l l o d + 2 0 0 i n t o 。 本试验如图2 7 取样，其中钢板条由切削机床从型钢翼缘上取得，以避免冷加工或受热 亘影响钢材材性。 ( a ) 钢筋试件 型钢取样试件 图2 7 钢筋、型钢取样试件 通过单向拉伸试验，可测得钢材的屈服点、抗拉强度和伸长率，得到钢材单向拉伸的应 力应变关系，为有限元分析提供材料模型依据。根据单向拉伸材性试验得钢材、钢筋材性试 验数据表，见表2 1 。 9 西安建筑科技大学硕士论文 钢材、钢筋材性试验数据表表2 - 1 截面积屈服荷载极限荷载 屈服点抗拉强度伸长率 试样 ( 1 1 1 3 1 1 3 1 )qq ( m p a )( m e a )( ) 妒1 4 1 5 3 95 9 58 63 8 6 65 5 8 8 1 6 1 2 8 1 4 1 5 3 95 98 6 23 8 33 5 印1 7 5 6 6 2 8 _ 31 3 51 5 ，54 7 75 5 3 6 7 6 3 6 2 8 31 3 51 5 2 54 7 75 3 8 8 1 0 1 8 s 一13 0 06 9 51 1 9 2 3 l3 9 6 62 0 6 7 s 一23 0 0 r 7 61 2 2 52 5 34 0 8 3 1 6 6 7 s 一33 0 07 51 2 2 52 5 04 0 8 3 1 7 3 3 此外，利用游标卡尺分别在试件两端和中间实测了钢筋直径和钢板厚度，取三处截面积 的最小值作为计算依据【1 1 1 1 3 1 。 2 6 1 混凝土试块 混凝士试块抗压强度作为混凝土质量的主要依据，试验一般以3 个试件为1 组，每组试 件所用的拌和物应从同一车运送的混凝土中取出，养护完成达到要求时在压力试验机上进行 试验，测得的数据取三个值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，当其中最大值或最小 值与中间值的差值超过中间值的1 5 时，则把最大值及最小值一并舍除，取中间值作为该组 抗压强度值。见表2 - 2 。 混凝土立方体试块平均抗压强度表2 - 2 试块1试块2试块3平均值抗压强度 试件 mf m l a ) 6 2 95 87 26 86 62 8 7 7 26 4 46 7 77 0 76 7 62 9 4 2 6 2 材性试验参数取值 西安建筑科技大学硕士论文 材性试验参数取值表2 - 3 试样截面积( m m ) 屈服点( m p a )极限强度( m p a ) 伸长率( ) 庐1 4 1 5 3 93 8 4 9 55 5 9 41 6 9 2 庐6 2 8 - 34 7 75 4 6 28 9 1 s3 0 02 4 4 6 74 0 4 41 8 2 2 实测的材料强度平均值见表2 - 4 材料强度平均值( m p a )表2 - 4 l材料混凝土中1 4m 6型钢 1 强度平均值( m p a ) 3 0 53 8 34 2 l2 4 5 西安建筑科技大学硕士论文 第三章弹性理论分析部分 3 1 型钢混凝土梁正截面承载能力分析 3 1 1 目前的分析方法 普通型钢混凝土结构与钢筋混凝土的显著区别就是型钢与混凝土的粘结应力远远小于 钢筋混凝土中钢筋与混凝土的粘结应力。根据国内外的试验，型钢与混凝土的粘结应力大约 只相当于光面钢筋粘结应力的4 5 f l 】j 因此在钢筋混凝土构件中都认为钢筋和混凝土是共同 工作的。而在型钢混凝土中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形态、计算假定、 构件承载能力及刚度裂缝。关于型钢与混凝土的祜结滑移，通常可用两种方法处理，一是在 构件上加设剪切连接件，并按计算确定其数量，其滑移面上的剪力全由剪力件承担，称为完 全剪切连接，这样可以认为型钢和混凝土完全共同工作；另种方法是不设或仅在梁端设置 少量的剪力件，而在计算中考虑粘结滑移对承载能力的影响。前一种处理方法，虽然受力比 较理想，主材的配钢量亦可减少，但是剪力件( 一般用特制拴钉) 的数量很多，也消耗相当 一部分钢材。更主要的是这些拴钉的焊接即使在有特别工具的情况下，焊接工作量也很大， 这给施工安装单位增加了很大的工作量。采用第二种处理方法，即在承载能力的计算中考虑 粘结滑移的影响，由于在加荷后期存在着明显的粘结滑移，承载能力降低。这是目前两种对 于粘结滑移的考虑，这两种方法都有其不足之处，而本次试验的外包型钢混凝土梁，由于构 造合理，型钢和混凝土的粘结滑移不是很明显，这对其承载能力的提高和施工方便等带来有 益的影响。 3 1 2 正常使用下的正截面承载能力分析 通常的型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的显著区别就是型钢与混凝土的粘结应力远远小 于钢筋与混凝土的粘结应力1 2 1 ，本次试验的型钢混凝土梁，由于构造合理，基本上克服了型 钢和混凝土的粘结滑移。本次试验的梁使型钢、钢筋和混凝土三者共同工作的粘接力是由以 下四部分构成： 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 ( 1 ) 型钢与混凝土的粘结力，这个丰占结力的大小除了与粘结强度k 有关( t 粘的具体大 小目前国内外还处于研究中，而在本分析只是定性考虑) 还和型钢与混凝土的接触面积有很 大的关系。本试验的三个型钢混凝土梁的混凝土与型钢充分接触，所以其接触面积大( 本文 所说的接触面大是相对的大，是相对于要使之共同工作的混凝土的体积和它们共同工作要传 递的剪力而言的) 。当核心区混凝土受到的压强较高而发生侧向膨胀或梁发生挠曲时，在型 钢与核心混凝土的界面上将产生径向压力而具有相当的剪切摩擦力，显然这种剪切摩擦力将 随挠曲的增加而增加，尽管其确切数据还有待专门的科学试验予以量测，但可以肯定这种剪 切摩擦力会比上述的粘接力大得多嘲。( 见图3 - i ) m 图3 - i 剪切摩擦力与粘接力比较图 ( 2 ) 钢筋与混凝土的粘结应力。在传统的型钢混凝土梁的粘接滑移分析中通常没有考虑 钢筋与混凝土之间的粘接作用，而如果我们能通过合理的构造措施首先保证型钢和钢筋能够 共同工作，那么钢筋和混凝土的粘接作用就不可忽略，相对于钢筋混凝土粱来说，钢筋和混 凝土的粘接力能保证钢筋和混凝土共同工作，也就 是对本试验的外包型钢混凝土梁来说，钢筋与混凝 土的粘接力的作用是比较大的。 ( 3 ) 本试验梁中的箍筋，由于其构造和普通型 钢混凝土的构造不同，所以其不仅起普通型钢混凝 土梁的箍筋的作用，而且起普通型钢混凝土梁里的 剪力件的作用。 图3 2 典型裂缝图 西安建筑科技大学硕士论文 ( 4 ) 由于混凝土开裂后，体积增加，而混凝土又受到型钢上下翼缘的约束，膨胀受到限 制，在型钢上下翼缘和混凝土之间产生挤压力，这样上下翼缘和混凝土之间的粘结应力增加。 尽管现在不能求出这四者所能提供的具体粘接应力，也就不能定量地分析其是否能保证 不产生粘结滑移，但通过本试验的三根梁来看，并没有出现混凝土和型钢产生滑移后的水平 裂缝，( 见图3 - 2 ) 黜实验可得出他们之阆是共同工作的，也就是说其粘结滑移对正截面的 承载能力影响不大。 这样基于没有产生粘结滑移的结论，得出以下关于粱的正截面强度的计算公式，在本论 文里引剧1 】【翔型钢混凝土的正截面承载能力的计算公式，和试验结果对比，基本i - 4 - , 于试验 结果的承载能力，因为引用的公式是考虑了粘结滑移，而通过实验结果看，本试验即使在后 期滑移也是很小的，尽管分析结果有些差异，但差异量不是很大，而且采用参考文科1 1 嘲的 计算公式分析本试验的型钢混凝土梁是偏于安全的。 a 抗弯强度的基本假定 1 弯曲前的平截面在弯曲后仍保持平面 2 达到极限状态时，混凝土的抗拉强度可以忽略不计。 3 达到极限状态时，混凝土受压区的应力图形可取为矩形分布，其应力值可按【1 q 中的取 值口正取用，极限压应变取0 0 0 3 3 是偏于安全的，受压区高度为x = 0 8 x 。，x 。为实际受压 区高度。 4 钢筋的应力_ 应变曲线己知，确定混凝土压应力大小及分布的应力应交曲线为 己知。 5 达到承载能力极限状态时，受拉型钢与受压型钢均能屈服。 第一项假定，即贝努里( b e r n o u l l i ) 法则，它的含义是截面上各点的混凝土和钢筋、型 钢的纵向应变与其到中性轴的距离成正比。利用沿截面高度在混凝土表面贴的长标距电阻应 变片，测得构件在纯弯段的平均应变可以看出，加载初期能很好地符合平截面假定，但在后 期，平截面假定已不大符合。不过在直至型钢上下翼缘屈服的整个阶段，这项假定还是正确 的【1 0 】。 1 4 西安建筑科技大学硕士论文 妊。器。丞 图3 _ 3 沿梁高度范围内的混凝土应变图 试件破坏以后，砸开外包混凝土发现即使在后期混凝土仍能对型钢提供很好的约束，并 未发现有局部屈曲的现象。因此可以得出结论，在型钢混凝土构件中型钢不需要再加入任何 加劲肋，在计算中也不需要考虑型钢的局部屈曲。较之钢结构，型钢混凝土梁中的型钢强度 能得到更充分的发挥，所以型钢上下翼缘都能屈服( 通过实验中贴在上下翼缘的应变片也可以 得到) 。 本次试验的三个外包型钢混凝土梁承受弯曲破坏，在裂缝出现之前构件基本处于弹性工 作阶段，m f 曲线大致呈直线。 型钢混凝土梁在达到极限状态时，其应力分布如图3 4 所示，即混凝土应力呈抛物线分 布。根据前述假定，采用了折算受压区高度x 及折算混凝土强度以后，可以作为矩形应力图 形。型钢应力在型钢受拉翼缘屈服的前提下可近似简化为矩形应力图形。这是因为腹板厚度 较翼缘小，且力臂较小，因此腹板对承载能力的贡献只占- - , b 部分。同时，腹板只是在局部 不屈服，而在极限状态时由于塑性的发展，其未屈曲区很小，且分布在中和轴附近。因此这 样的简化并不引起很大的误差，这已为实验所证实【1 5 i 。 b 受压区高度计算 蔓 l d 1 芒，苣一 图3 4 极限应力分布图 西安建筑科技大学硕士论文 根据力的平衡可得受压区高度，按式( 3 1 ) 计算 x ：五坠生 垒! 墨塑二翌i - f( 3 1 ) 1 ：= - - - - - - - - 一一f ，t ， 正( 6 1 2 5 t 。) + 2 5 正r 。 钢筋的屈服强度 工型钢的屈服强度 a 矿a 。2 受拉区钢筋面积 4 ：受压区钢筋面积 t 。腹板厚度 x o = 0 8 x 1 3 极限弯矩计算 极限弯矩按式3 - 2 计算 m 。= 正4 矿( 矗一x 。) + i 1 六f 。( h - x o - t ) 2 + f , a # x o + i 1 正f ，( x o - - t ) 2 ( 3 2 ) + 4 。( 矗- x o - a 。, ) + f y a , 2 ( h - x o - a t 2 ) + l a , ( x 。一口：) + l f 。( b 1 2 5 f 。) ( x 。一f ) 2 这样基于没有产生粘结滑移的结论，得出以上关于梁的正截面强度的计算公式，在本文 里引用唧型钢混凝土的正截面承载能力的计算公式，约小于试验结果的承载能力，因为引用 的公式考虑了粘结滑移，而通过实验结果看，本试验即使在后期，受压区的混凝土已经被压 坏了，滑移也是很小的，尽管分析结果有些差异，但差异量不是很大，而且采用参考书 5 1 的计算公式分析本试验的型钢混凝土梁是偏于安全的。通过实验后的承载能力发现计算公式 的受压区混凝土的极限压应变取为0 0 0 3 的承载能力和实际比较符合，这样得出来的正截面 承载能力公式基本和试验吻合。实际承载能力与计算值( 用的是各种材料的平均值嘲) 比较 见表3 1 。 本文作者还将外包型钢混凝土梁的承载能力和纯钢梁进行了比较，发现外包型钢混凝土 梁的承载能力是纯钢梁的2 1 倍。 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 实际承载能力与计算值比表3 - 1 实际承载能力与计算值比较( 计算中采用的都是各种材料的平均值) 试件号 实际承载能力( i n h d 计算值( k n m )差异( ) l g g l l 9 7 3- 3 8 l g g l 七1 0 8 9 7 2 1 0 1 5 7 l g g l 01 0 0 41 2 3 1 3 极限强度分析 分析本试验后，知该三根梁有两种不同的试验状态，根据翼缘塑性发展的不同程度有两 种不同阶段的承载能力【1 6 】。本试验的后期，即使粱的承载能力还能继续增加，但其过度的变 形已经不能满足正常使用的要求，在本试验中由于采用的是在对称位置受两个相同荷载p 的 梁，所以还没有得到其极限强度时，梁已经由于过度的变形而不能继续承载。由于本试验的 试件太少，在本试验的模型下不能得到其正截面极限承载能力。从梁的下翼缘与荷载关系图 ( 见图3 5 ) 来看，下翼缘不光屈服甚至进入了强化阶段。 图3 5 型钢下翼缘随荷载变化的应变图 西安建筑科技大学硕士论文 3 2 刚度及变形分析 3 2 1 本试验的荷载位移曲线 结构构件在使用期间如产生过大的变形，将损害甚至丧失使用功能。为了保证结构构件 在使用期间预期的实用性，对构件的变形应加以控制。下面简单的极少一下本次试验的荷载 位移曲线，( 见图3 6 到图3 8 ) 并结合实验数据，利用弹性理论进行变形及刚度分析。 图3 6l g g l - 1 荷载位移曲线 图3 7l g g l - 2 荷载位移曲线 1 8 西安建筑科技大学硕士论文 图3 8l g g l - 3 荷载位移曲线 3 2 ，2 型钢混凝土梁的冈度及变形计算 对于弹性材料，构件在使用阶段应力应变成直线关系，刚度e i 为常数。与弹性材料不 同，型钢混凝土构件是弹塑性构件，随着荷载的变化，构件的刚度也在发生变化。如果能求 得型钢混凝土梁的刚度值b ，则仍可采用结构力学的方法求得其变形。因此计算型钢混凝土梁 的变形问题，可以归结为如何计算型钢混凝土粱的刚度问题。 a 变形特点及影响因素 通过实验发现，与钢筋混凝土梁相比，型钢混凝土梁的荷载变形曲线具有两个显著的特 点。当型钢混凝梁达到开裂荷载后，在m f 曲线上并没有明显的转折点，这是因为裂缝的 开展受到刚度较大的型钢翼缘的约束，一旦型钢屈服，裂缝迅速发展，高度急剧上升。也正 由于m _ f 曲线上没有明显的转折点，型钢混凝土梁变形的另特点是使用阶段刚度刚氐比 较小，比较接近于直线。对于弹性材料，构件在使用阶段应力应变呈直线关系，刚度e i 为 常数。与弹性材料不同，型钢混凝土构件是弹塑性构件。随着荷载的变化，构件刚度变化， 并且构件刚度的大小与含钢率等因数有关。如果能求得型钢混凝土粱的剐度b ，则仍可采用 结构力学的方法求得其变形。因此，计算型钢混凝土梁的变形问题，可以归结为如何计算型 钢混凝土梁的刚度问题。 西安建筑科技大学硕士论文 通过实验发现，与钢筋混凝土梁相比，型钢混凝土梁的荷载变形曲线具有两个显著的特 点【1 2 1 ：当型钢混凝土粱达到开裂荷载后，在m 一厂曲线上并没有明显的转折点；型钢混凝土 梁的另一个变形特点是使用阶段网q 度降低很小，比较接近于直线关系。和普通型钢混凝土梁 有点不一样，那就是本次试验的三根外包型钢混凝土梁，是型钢先于钢筋屈服，然后m 一， 曲线开始转折，然后腹板开始屈服，最后受拉钢筋也开始屈服，最终达到其承载能力极限状 态。而不同于普通型钢混凝土梁里的，钢筋与型钢的屈服大致是同步的，即当型钢下翼缘屈 服后钢筋也随之屈服。 腹板的存在不仅使梁的承载能力提高，同时对梁的刚度也有明显的影响。腹板的存在使 型钢混凝士梁的刚度明显增加。这不仅由于腹板本身具有一定的刚度，更因为腹板对裂缝的 产生与开展具有抑制作用。为了便于分析混凝土中的应力状态，取受力比较简单的中心受拉 构件来模拟梁受拉区裂缝( 见图3 9 ) ，下翼缘与混凝土的应力分布。拉伸试件的长度取横向 裂缝之间的间距。当钢板与混凝土充分粘结时，其与混凝土的工作情况差不多，可推测当钢 板与混凝土有充分粘结且二者的变形得到保证时，对张拉段施加外力，混凝土处于三向应力 状态。靠近张拉段有很大的应力集中现象，该处不仅有剪应力( 握裹应力) 、纵向拉应力仃：、 环向拉应力，而且有很大的径向拉应力盯，。仃，的出现是钢板与混凝土具有充分粘结及径 向变形协调的必然结果，在盯：、盯，及f 。的共同作用下将产生斜向主拉应力，主拉应力在数 值上大于盯，和盯，因此在张拉端将产生内部斜裂缝。当盯，超过收缩引起的径向压应力时， 混凝土与钢板在张拉端将产生脱开，对于钢板，发生脱开意味着在脱开范围内粘结完全失效， 巧，消失，握裹应力k 的峰值内移，混凝土柱体将发生下图所示的变形。 勖囤 笸囊爹惜l 图3 9 受拉区混凝土应力图 在脱开范围内环向拉应力显著增大，当 _ 厶时，将出现径向裂缝，由于较高的环向 拉应力的局部j 性质，这种径向裂缝最初尽发生在钢板附近，随着钢板拉力的增大才逐渐向纵 向及外围发展，从而导致抗弯刚度的急剧下降。 西安建筑科技大学硕士论文 b 使用阶段的刚度计算 如果将型钢混凝土梁的刚度视为钢筋混凝土部分与型钢部分 叠加，刚度计算值比实验实测值明显偏低，这是因为没有考虑钢与 混凝土的组合作用。考虑到型钢对混凝土约束的影响，为了简单起 见，可将型钢混凝土粱的刚度视为两部分之和： b s = b 镕+ b c + b 。 图3 ，1 0 刚度沿截面分布图 段荷载短期效应作用下外包型钢混凝土梁的刚度 b 。型钢部分的刚度 丑，、被型钢约束的混凝土“刚心”部分的刚度，而本试验的三根型钢混凝土梁的所有 的混凝土部分均为“刚心”部分 根据参考文南j c l l 笱知梁的配钢率对刚度也有比较明显的影响。配钢率较大的时候，构件的 m 一中曲线具有钢结构的某些性质，即构件屈服前，m 一曲线近似于直线。屈服后，抗 力仍有缓慢的增加，极限变形很大。而本次试验的三根外包型钢混凝土梁的配钢率很大。因 为型钢混凝土粱是由钢筋混凝土及型钢两部分组成，因此除型钢腹板及梁的含钢率对梁的刚 度变形有明显的影响外，凡是影响钢筋混凝土梁及钢梁的刚度变形的因素，例如梁的截面尺 寸，混凝土及钢的强度等级，荷载作用时间等等均会影响到梁的刚度与变形。 计算型钢混凝土梁的剐度，必须先确定使用荷载作用下的平均中和轴高度x ，受拉钢筋应力 盯，受拉型钢应力盯。，为了计算简便，做以下假定： ( 1 ) 型钢混凝梁在使用荷载阶段符合平截面假定； ( 2 ) 在使用荷载阶段，钢筋、型钢和混凝土均在弹性范围内工作； ( 3 ) 裂缝截面不考虑受拉混凝土的作用 1 平均受压区高度的计算 由受弯构件的裂缝出现及开展过程可知，裂缝出现后，纵向受拉钢筋的应变及型钢的应 变沿构件的纵轴各截面的分布是不均匀的，我们可以用钢筋的平均应变s 。来反映这个特点。 由于裂缝截面的中和轴升高，梁的受压区减小，因而裂缝截面受压区混凝土应变较大，而裂 缝间各截面受压区高度相对较大，混凝土应变相对较小。因此纯弯段受压区混凝土的压应变 2 l 西安建筑科技大学硕士论文 沿构件纵轴各截面的分布也是不均匀的，我们可以用受压区混凝土边缘纤维的平均应变s 。 来表示阳。在裂缝出现后，粱的各截面受压区高度不等，中和轴位置上下波动，纯弯段各截 丽曲率不等。但国内大量的试验资料o h 4 h 9 1 ( 1 7 1 【瑚表明，沿构件截面高度量测的平均应变符合 平截面假定。 裂缝截面应力分布图如图3 1 1 所示，应力与应变关系如下： 且 l 吉 i ；1 图3 11 裂缝截面应力分布图 工c 生二血占。 工。 占砧= 占。 ( 3 3 ) s ，t = 孚占。 h x 一一口r 2 l 一s c xc 6 ：。s 。： d ：； d ，a ，。 d 。，a ，r = e 。s 。 o i l = 丘j s “ 盯嚣= e s 对- ( 3 4 ) 盯，= e 。s ， 盯。= e 。 盯n = e j s s 2 由n = 0 ，对裂缝截面有： d 。+ d ，+ d 。一疋1 一瓦2 一瓦= 0 i 1 帆仃。们鸬帕一圭仃，g 。一r - - c ra w l - 圭吖。o - x c - t ) - o a l a 3 1 - - t y s 2 a s 2 = o 扣。鸲一，等帆+ 知也如军一知孚。卅 西安建筑科技大学硕士论文 一e 。爿，皇_ = 二三丑一e ；爿，：皇_ = 二三生丑 x cx 。 = 0 在工程中常用u 级钢筋和普通热轧( 或焊接) 型钢、低合金型钢，故可取 每= 鲁一瑚撇删蜘删有： 吉b x c 2 + 口e x c ( 4 ，+ 一矿+ 丢t 。 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 对本次试验的三根外包型钢混凝土梁来说，采用的是热轧h 型钢。有4 一= 爿矿则( 3 6 ) 式可以化成： 吉搬。2 + 口。，。o ，+ 厶+ 如+ 4 ；：) 一口。 a s t a ，+ l h a 。+ 4 o 一) 一4 。：仍一口，：) = 。 岱。膏。他。+ 爿。+ 爿，。+ 4 ，： 1 4 ，dr i + 去矗氏+ 爿。o 一口n ) 一一，2h - a ，：) 爿。+ 一。+ a 。l + a ，2 ：l b x 。2 ( 3 7 ) 一，口，l + _ 1h a 。+ a 0 一a r l ) 一一。2 0 口，2 ) 令! 一= d a 5 + 4 j + 彳n + 4 订 d 为截面钢筋和型钢的重心到截面混凝土受压区边缘的距离，爿。为型钢截面的合面积， 由于整个梁截面的对称性所以d = 9 7 m 口。x 。0 ，+ 一。+ 彳。+ 4 ，：x d x o ) = 妻k 。2 ( 3 8 ) 则由式( 3 8 ) 可求得在使用阶段裂缝截面的受压区高度x ，由于梁的各个截面弯矩不同， 即使在一定区段内弯矩相等，由于裂缝的出现，梁的各个截面中和轴高度也是变化的，根据 o 1 4 1 1 9 1 1 1 1 8 知梁中裂缝区段中和轴位置接近于三角函数曲线变化，则外包型钢混凝土梁的受 压区高度： r _ p似”犍 叫 一。一厶 一 一 ril月j，l 西安建筑科技大学硕士论文 图3 1 2 梁开裂后中和轴高度变化图 。+ o s x m a x - - x c i h 。偿 。， 混凝土平均受压区高度t 可由( 3 9 ) 式求得 一x c = r 畦= o 5 g 。+ x 一) ( 3 1 0 ) 裂缝截面受压区高度x 。可由( 3 1 0 ) 式求得，x m a x 为裂缝区段中央混凝土受压区高度，由抗 裂强度验算可知x 一= 0 5 h 口。：墨2 0 6 e 55 5 7 2 苗2 i 丽酌。 犁钢漏凝七粱存荷载铺期效i 立作用下的刚度计算模式如前所述 b 。= t b a m ? + ( 鲁一； 2 a 一 c s ，- ， 型钢的刚度由( 3 1 2 ) 式确定： b 。= 瓦 ，。+ 彳。( 等一；) 2 c 。，z ， e 。为型钢弹性模量 j 。为型钢对自身重心轴的惯性矩 彳为型钢截面积 2 4 西安建筑