高性能钢—混凝土组合梁抗剪性能研究(土木结构工程专业优秀论文).pdf

j 匕壶童通太堂亟 堂僮途塞 擅噩 中文摘要 摘要 本文以国内外钢一混凝土组合梁的研究为基础 进而对高性能钢一混凝土 组合梁进行有限元模拟分析 研究其抗剪性能 本文主要研究内容 首先概括阐述了高性能钢与高性能混凝土的应用以及发 展情况 同时也介绍了组合梁的发展情况 对组合梁的受力性能作了系统介绍 以便对组合梁的分析奠定基础 第二章对组合梁的纵向抗剪 竖向抗剪等计算方 法以及经验公式进行总结分析 着重对栓钉连接件的相关实验 工作机理 破坏 方式以及栓钉的承载力进行了系统介绍 为后面有限元模型的分析建立理论基 础 应用a n s y s 有限元软件对清华大学己做的实验组合梁进行同等条件模拟 并 验证了模型的准确性 分别建立两组合高性能组合梁与普通组合梁 分析他们在 相同截面和作用力的情况下受力 变形 栓钉剪力以及滑移等的影响 结果表明 高性能组合梁在受力 变形以及滑移方面都比普通组合梁的较为有利 最后再建 立六组截面尺寸及配筋相同而连接度不同的高性能组合梁 通过改变栓钉连接度 分析它对高性能组合梁产生的影响 结果表明连接度对组合梁的承载力 变形以 及滑移都有明显影响 同时也给出了影响的具体情况 为高性能组合梁的设计与 应用提供参考 关键词 高性能钢一混凝土组合梁 纵向滑移 纵向抗剪 栓钉承载力 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fs t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m so na n da b r o a d t h es h e a rr e a s i s t a n tb e h a v i o ro ft h eh p s h p cc o m p o s i t eb e a m si sa n a l y s e da n d r e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eh p s h p c a n dc o m p o s i t eb e a m sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e b e a m si sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l w h i c hp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea n a l y s i so f t h ec o m p o s i t eb e a m s t h ec a l c u l a t i o n a lm e t h o d sa n de x p e r i e n t i a lf o r m u l aa b o u tt h e l o g n i t u d i n a ls h e a rr e s i s t a n c ea n dv e r t i c a ls h e a rr e s i s t a n c eh a v eb e e ns u mu pi nt h e c h a p e rt w o t h et e s t w o r km e c h a n i s m c r a bm o d ea n dc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es t u ba r e a l s oi n t r o d e c e d w h i c hp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e p t h es a m p l ew h i c hh a v eb e e nt e s t e db yt s i n g h u au n i v e r s i t ya l es i m u l a t e da n d v a l i d i t i e db ya n s y ss o f t w a r ei nt h es a m ec o n d i t i o n t h e nt w oh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sa n dt h et w oc o m m o n sa r ef o u n d e dr e s p e c t i v e l yf o ra n a l y s i n gt h e i rc a p a c i t y d i s t o r t i o n s h e a rc a p a c i t ya n ds l i p p a g eo ft h es t u b l a s t l ys i xh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sw h i c hh a v es i xd i f f e r e n tc o n n e c t i o n sa r ef o u n d e da n da n a l y s e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ec a r r y i n gc a p a c i t y d i s t o r t i o na n ds l i p p a g eo ft h eh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sc a nb ea f f e c t e db yt h ec o n n e c t i o no ft h es t u bc l e a r l y a n dt h ee f f e c ti sa l s o s h o w e d w h i c hc a no f f e rt h er e f e r r e n c ef o rd e s i g na n da p p l i c a t i o ni np r a c t i c e k e yw o r d s h p s h p cc o m p o s i t eb e a m s l o n g i t u d i n a ls l i pe f f e c t l o n g i t u d i a ls h e a r r e s i s t a n c e c a r r y i n gc a p a c i t yo fs t u b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通火学有关保留 使用学位论文的规定 特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年月日签字日期 年 月日 独创性声明 本人声明所是交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年月日 5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师高日教授的悉心指导下完成的 高日教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来高日 老师对我的关心和指导 高日教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助 在此向高日老师表示衷心的谢意 高同教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见 在此表示衷心 的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 栗荣刚等同学对我论文中的研究工作给予了 热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 1 高性能材料研究与应用 1 1 1 高性能钢 1 3 1 绪论 高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较普通钢材得到改善的钢材 主要分为高强度钢材和普通强度高性能钢材 1 高强度钢 在高层 大跨度结构建设中 使用高强度钢材可减薄所用钢板的厚度 从 而减轻结构的重量 获得大跨度 且方便施工 选用承重钢结构的钢材时 如 能取得较高的经济效益 应优先采用高强度低合金钢 在普通钢材中加入少量 的合金元素来提高钢材的承载力 使钢材发挥更高的效能 低合金钢按照新的 钢材牌号标准 q 3 4 5 钢包括5 种钢材 即1 6 m n 1 2 m n v 1 4 m n n b 1 6 m n r e 1 8 n b 0 3 9 0 钢包括3 种钢材 即1 5 m n v 1 5 m n t i 1 6 m n n b 而q 4 2 0 钢则包括2 种钢材 即1 5 m n v n 1 4 m n v t i r e q 4 2 0 钢是这次规范新推荐的钢种 强度较高 虽然q 4 2 0 钢的统计资料尚不够充分 也没有足够的使用经验 但其中的1 5 m n v n 曾用于九 江长江大桥 2 耐候钢 耐候钢是指在恶劣环境条件下 主要是指腐蚀较强的环境 具有较强工作 性能的钢材 为了降低桥梁结构的养护与维修成本 耐候钢在桥梁结构中的应 用正在日益增加 耐候钢在无涂装使用时 影响腐蚀的最主要因素是大气中的 盐分含量 具体结构的腐蚀状况由盐分附着容易与否和湿度决定 还与有无雨 水冲洗有关 在湿度高 腐蚀性强的环境条件下 结构钢的防腐性能将成为设 计考虑的重点 近年来 日本的钢铁制造商推出了一些新的耐候钢 部分已经 投入实际应用 这些新的耐候钢能减少材料在大气中有盐分环境条件下的腐蚀 且不引起过量层状撕裂和无粘节的片状锈物 与传统钢材的化学成分相比 这 些新型耐候钢是低合金钢 不含铬 但含有铌 钼 磷 钛等元素 根据含盐环 境中进行的暴露试验 这些钢的腐蚀损失比普通钢少 工程实践中 耐候钢不涂装就可以使用 是极好的结构用材 并且可以将 钢结构 如桥梁 寿命期内的总费用降到最低 3 高焊接性能钢 焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性和金属在一定的焊接方法 焊 接材料 工艺参数及结构型式条件下 获得优质焊接接头的难易程度 焊接工 艺中 焊接预热是一个关键因素 控温控轧技术 t m c p 技术 是高性能钢板降低 焊接预热温度所采用的一项关键技术 最初仅用于4 9 0 n m m 二级钢 屈服强度 3 5 5 m p a 采用t m c p 技术的7 8 0 m p a 级钢 屈服强度 6 8 5 m p a 在商业上的应用始 于日本明石海峡桥的加劲钢板 普通7 8 0 m p a 级钢焊接时需要1 2 0 c 以上的预热 温度 这带来了各方面的问题 比如由热膨胀引起的构件变形和高温所带来的 工作荷载增加 因此 不需要预热或预热温度较低的高性能钢板应运而生 并 且在日本明石海峡大桥项目中得到了大量的应用 4 高韧性钢 在寒冷工作条件下 钢板的冲击韧性对结构的工作性能非常重要 修建在 寒冷地区的桥梁用钢要求在最低环境温度的条件下能保证冲击韧性 目前用于 桥梁钢板的标准要求必须保证o c 或一5 c 时的韧性 有时甚至要保证一2 0 c 和 一4 0 时的良好韧性 一般来说 桥梁钢材在寒冷工作条件下 其应变的时效效应将降低钢板的 韧性 降低的幅度与钢板的制作方法有关 通过减少碳 磷 硫和氮的含量 细化晶粒结构及引入t m c p 技术 可以减少钢板韧性降低的幅度 对于耐候钢来 说 可以通过引入t m c p 技术来增加其韧性 5 抗强疲劳性能钢 工程上 疲劳主要是指金属材料在应力的反复作用下 由于内部微小的缺 陷或应力集中而产生塑性变形 萌生裂纹 随着外力反复作用次数的增加 微 小的裂纹逐渐扩展 最后导致材料开裂或破坏 目前改善钢材疲劳性能的途径主要有 通过磁化提高结构疲劳性能 通过 细化钢材晶粒可以改善低周疲劳性能 通过加入微量镁和锆可改善钢材的低周 疲劳性能 通过这些方法提高材料抗裂纹产生的能力 延迟材料产生裂纹的萌 生期 从而达到提高钢材疲劳性能的目的 1 1 2 高性能钢材的应用 高性能钢材在结构及桥梁工程的应用将具有相当的优势 桥梁结构中使用 高性能钢材 会使得材料的用量减少了 当然原材料及其加工费用却有可能提 高许多 高性能钢材价格昂贵方面的缺点使得在许多结构中采用这种材料不经 济 但对于某些结构 如果高性能钢材用在结构适当的部位 减少材料用量所 节省的费用却足以弥补高性能钢材昂贵的花费 结构材料用量减少 自重也会 2 减小 对于桥梁结构 又可进一步减小桥墩的尺寸 使施工相对简便 工程造 价降低 由此 材料替换所取得的经济效益可导致整个工程总造价的降低 1 9 6 3 年美国推出了h p s i o o w 钢 1 9 6 9 年列入美国试验与材料协会 a s t m 标准 并在美国桥梁建设中沿用至今 1 9 9 5 年由美国联邦公路局 f h w a 美海 军 美钢铁学会 a i s i 共同开发出另一种耐腐蚀钢h p s 7 0 w 其屈服强度为 4 8 3 m p a 并于1 9 9 6 年应用于美国田西纳州杰克逊县的一座桥梁上 我国在九 江长江大桥中已成功使用的q 4 2 0 钢 并列入了g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规 范 中 黑龙江电视塔一龙塔处于高寒地区 冬季气温可降低到一4 0 要考 虑材料的低温冲击韧性 u 芜湖长江大桥是公路 铁路两用 桥 低塔斜拉桥 跨度3 1 2 m 采用1 4 m n n b 钢 钢板厚度由2 4 m m 发展到5 6 m m 采用栓焊混合连接 1 1 3 高性能混凝土的研究和应用 对高性能混凝土的定义或含义 国际上迄今为止尚没有一个统一的理解 各个国家不同人群有不同的理解 一般说来 高性能混凝土是指高强 高耐久 性 高工作性 一些美国学者更强调高强度和尺寸稳定性 北美型 欧洲学者 更注重耐久性 欧洲型 而日本学者偏重于高工作性 日本型 这可能由于日 本更重视混凝土振捣工艺对工人听力的不利作用 而推广不需振捣的自密实混 凝土 在我国 对高性能混凝土的含义也有争论 冯乃谦 开宗明义地指出了 高性能混凝土必须是高强的 因为一般情况下高强对耐久性有利 同时他认为 高性能混凝土发展的物质基础是现在有了好的掺合料和减水剂 因此高性能混 凝土必须掺掺合料 冯乃谦的这些观点代表了当时我国大多数混凝土学者对高 性能混凝土的认识 吴中伟 针对当时科研界过度追求高强度的趋向 及时提 出 有人认为高强度必须高耐久性 这是不全面的 因为高强混凝土会带来不 利于耐久性的因素 高性能混凝土还应包括中等强度混凝土 如c 3 0 混凝 土 吴中伟 高度重视耐久性 并早在1 9 8 6 年就提出高强未必一定高耐久 低 强也不 定就不耐久的观点是非常有前瞻性的 而且今天他的这个观点也是正 确的 1 9 9 0 年5 月由美国国家标准与技术研究所 n i s t 与美国混凝土协会 a c i 主办了第一届高性能混凝土的讨论会 定义高性能混凝土为具有所需性能要求 的匀质混凝土 必须采用严格的施工工艺 采用优质材料配制的 便于浇捣 不离析 力学性能稳定 早期强度高 具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的 混凝土 1 9 9 8 年美国a c i 又发表了一个定义为 高性能混凝土是符合特殊性 能组合和匀质性要求的混凝土 如果采用传统的原材料组分和一般的拌和 浇 筑与养护方法 未必总能大量地生产出这种混凝土 而欧洲混凝土学会和国际 预应力混凝土协会则将高性能混凝土定义为水胶比低于0 4 0 的混凝土 在日 本 将高流态的自密实混凝土 即免振混凝土 称为高性能混凝土 强度一般为 4 0 4 5m p a 混凝土中除水泥外 还有矿渣粉 粉煤灰及膨胀剂 2 0 0 3 年廉慧珍教授 1 专门撰文反思了对高性能混凝土的理解存在的若干误 区 造成对高性能混凝土使用的盲目和混乱 她对高性能混凝土的理解为 高 性能混凝土不是混凝土的 个品种 而是达到工程结构耐久性的质量要求和目 标 是满足不同工程要求的性能和具有匀质性的混凝土 近年 随着我国经济持续高速增长 建筑业作为我国国民经济支柱产业之 一也得到了快速发展 由于目前我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式 因此 混凝土的消耗量在逐年递增 据统计 2 0 0 5 年混凝土用量为1 5 亿立方米 建 筑业作为资源消耗量较大行业之一 要实现可持续发展 就必须调整建筑材料 消耗结构 大力推广应用高性能混凝土 走节约型发展道路 随着高层 超高 层和大跨度结构工程的出现 对高强度 高性能混凝土提出了更高的要求 过 去采用c 6 0 高强度混凝土的工程都不多 现在 不仅生产和使用c 6 0 高强度混 凝土已经相当普遍 而且开始使用c 8 0 甚至c 1 0 0 在建筑物的梁 柱结构中采 用高强度混凝土优越性非常明显 在同等条件下 混凝土强度越高 其结构构 件的尺寸 体积就会相对减少 混凝土用量也将成比例地减少 同时由于结构 断面的减少 不但使建筑物在观感上给人以舒适的感觉 而且增加了建筑物的 实际使用面积 经济效益非常明显 对桥梁来说 高性能混凝土除高耐久与高 强要求外 又增加了轻质的要求 因为桥梁上部结构使用轻质高性能混凝土 容 重约1 9 t m 3 桥梁自重减轻了 可以降低桥梁下部结构的成本 轻质高强 5 6 7 4 m p a 的高性能混凝土已经成功地在一些工程中应用 高性能混凝土在我国实 际工程中获得了越来越广泛的应用 尤其是在高层建筑 大跨度桥梁 海上采 油平台 矿井工程 海港码头等工程中的应用日益增多 例如 上海金茂大厦 c 6 0 北京静安中心大厦 c 8 0 辽宁物产大厦 c 8 0 南京希尔顿国际大酒店 c 3 0 和c 5 0 长春国际商贸城 c 5 5 广州虎门大桥 c 5 0 上海杨涌大桥 c 5 0 等都是应用的典范 有理由相信 高性能混凝土将获得越来越广泛的应用 并 且会成为2 l 世纪工程建设的优选材料 正如中国工程院院士陈肇元教授 所 述 高性能混凝土是混凝土技术进步的产物 它的生产需要有素质的操作人员 较完善的生产设备和高水平的质量管理控制 推广应用高性能混凝土 我们应 不断总结经验 对推广应用中发现的问题 不断地进行研究并尽快给予解决 随着高性能混凝土技术的发展和应用量的不断增大 我国建筑业的整体水平将 得到很大的提高 4 1 2 钢一混凝土组合梁发展动态 1 2 1 组合梁的起源 9 1 建筑和桥梁的结构设计主要涉及抵抗与承受荷载 因为没有更好的材料像 钢筋混凝土那样有低造价 高强度 并且耐腐蚀 耐磨损 耐火的优点 除了 大跨度桥梁外 一般楼板 桥面板均使用钢筋混凝土 对于跨度大于几米的情 况 将板放置在墙或梁上比单纯增加板厚要经济 单梁也是钢筋混凝土的情况 下 结构的整体式特性使得板可充当梁的上部翼缘 当跨度超过l o m 特别是 在钢易于被火破坏的敏感性不成问题的情况下造价低 过去常常习惯于将钢架 设计成既承受混凝土板自重又承受混凝土板的荷载 现在剪力连接件的发展使 剪力连接件的连接板与梁中得到应用 取得了已被长期使用的混凝土t 型梁的 效果 1 9 2 6 年 j k a h n 依据上述思想 在钢梁上外包混凝土 并在它们之间加 入各式各样的连接件 获得了组合构件的专利权 标志着钢一混凝土组合构件的 出现 1 2 2 钢一混凝土组合梁特点n 订 由于组合梁能按照各组成部件所处的受力位置和特点 较大限度地发挥了 钢与混凝土各自材料的特性 所以不但满足了结构的功能要求 而且也有较好 的经济效益 概述起来 组合梁的特点有 1 充分发挥了钢材和混凝土各自材料的特性 尤其对于简支梁 钢一 混凝土组合梁截面的上缘受压 下缘受拉 正好发挥了混凝土受压性能好和钢 材受拉性能好的长处 2 节省钢材 实践表明 由于钢筋混凝土板参与了共同工作 提高了梁 的承载能力 减少了钢梁上翼板的截面 组合梁方案与钢结构方案比较 可节 省2 0 4 0 每平方米造价可降低1 0 3 0 3 增大了梁的钢度 组合梁方案和钢梁方案相比较 由于钢筋混凝土板 有效参加工作 截面刚度大 梁的挠度减小1 3 1 2 另外 还可提高梁的自 振频率 4 减少结构高度 组合梁和钢梁或者钢筋混凝土相比可减少结构高度 对于高层建筑结构 若每层减少十几厘米 数十层累计将是一个可观的数字 从而可降低整个房屋造价 对于桥梁 由于结构高度减小 可以降低桥面标高 减小两端路堤长度 5 组合梁可利用己安装好的钢梁支模板 然后浇注混凝土板 节约了模 板的费用 对于高度较大的大跨度结构 如栈桥 这一优点就更为突出 6 抗震性能好 噪音小 由于组合梁整体性强 抗剪性能好 表现出了 良好的抗震性能 组合梁一开始出现就广泛地在桥梁结构中应用 另外 组合 梁在活载作用下比全钢梁桥的噪音小 在城市中采用组合梁桥更合适 7 耐火等级差 耐腐蚀性差 耐火等级高的房屋结构 需对钢梁涂耐火 涂料 对有水流的组合梁桥需采取防腐措施 8 在钢梁制作过程中需要增加焊接件的工序 有的连接件需要专门的焊 接工艺 有的连接件在钢梁吊装就位后还需要进行现场校正 1 2 3 钢一混凝土组合梁的发展 9 m 1 1 1 2 1 钢一混凝土组合梁从开始出现到现在 其应用范围不断扩大 从桥梁结构上 的大跨桥面梁 工业建筑上的重荷载平台梁和吊车梁 到要求所用梁截面高度 小 自重轻的民用建筑中的组合楼层 都有广泛应用 它的应用发展大致可分 为四个阶段 1 钢一混凝土组合梁大约出现于2 0 世纪2 0 年代 当时主要考虑防火的 要求 在钢梁外面包围混凝土 而未考虑两者的组合工作效应 随后 在3 0 年 代中期出现了在钢梁和混凝土板之间加入各式各样连接件的构造方法 2 从2 0 世纪4 0 年代到6 0 年代可认为是组合梁发展的第二阶段 在这 一阶段 对组合梁开始进行深入 细致的试验研究 6 0 年代前主要是应用弹性 理论分析的 许多技术先进的国家都制定了有关组合的设计规范或规程 最早 的组合梁设计规范或规程大都针对桥梁结构 美国颁布于1 9 4 4 年 1 9 4 4 年美 国州际公路协会 a s s h o 制定的 公路桥涵设计规范 单独列出了组合梁有 关规定的章节 1 9 4 6 年美国 房屋钢结构设计 制造安装规范 也列入组合梁 的内容 德国颁布于1 9 4 5 年 1 9 5 5 年德国制定了 桥梁组合梁 d i n l 0 7 8 1 9 5 6 年制定了 房屋建筑组合梁 d i n 4 2 3 9 标准 日本制定于1 9 5 9 年 各 国应用和研究钢一混凝土组合梁几乎都是从桥梁结构开始的 3 从2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代可认为是组合梁发展的第三阶段 本阶 段在总结以前研究和应用成果的基础上 迸一步改进了有关组合梁设计规范或 规程 6 0 年代后开始逐步转为塑性理论分析 随着钢产量的增加和高层建筑 的发展 使得组合结构的应用和发展几乎日趋赶上钢结构的发展 各国3 0 层以 上的高层建筑中有2 0 采用了压型钢板混凝土组合楼盖 其中也包括组合梁 早在1 9 6 0 年美国钢结构协会及钢筋混凝土协会就联合组成了a i s c a c i 组合梁 联合委员会开展工作 1 9 6 5 年英国制定了 钢与混凝土结构 房屋建筑中的简 6 支梁 及1 9 6 7 年制定了 钢与混凝土组合结构 桥梁 设计标准 几乎同时 1 9 6 6 年印度标准协会制定了 组合结构设计规范 日本于1 9 7 5 年制定了 组 合梁结构设计施工指南及说明 最值得注意的是 在国际土木工程师协会联合 委员会主持下 于1 9 7 1 年由欧洲国际混凝土协会 c e b 欧洲钢结构协会 e c s s 国际预应力联合会 f i p 以及国际桥梁与结构工程协会 i a b s e 共 同成立了组合结构委员会 并于1 9 8 1 年制定并公布了 钢一混凝土组合结构规 程 它除了广泛反映各国在2 0 世纪7 0 年代及以前的科研成果外 还第一次对 组合结构引用了极限状态设计原则 把组合梁的设计提高到了一个新的阶段 可见 组合结构在当时已经发展为继钢结构和钢筋混凝土结构以后的一种新型 结构 受到广泛重视 4 从2 0 世纪8 0 年代初至今 为组合结构应用和发展的第四阶段 进入 8 0 年代 相继出现了预制装配式钢一混凝土组合梁 预应力钢一混凝土组合梁和 用压型钢板作为楼层混凝土板底模的组合梁等多种型式的组合梁 1 9 8 4 年 在 英国对该规定 组合结构规范 进行了修改补充 形成了 欧洲规范4 草 案 随后 1 9 8 5 年 欧洲规范4 由欧洲共同体委员会 c e c 首次正式颁布 此外 欧洲共同体委员会决定把欧洲规范的制订工作移交给欧洲标准委员会 c e n 近年来 随着组合结构研究应用的深入和发展 欧洲标准委员会正在 对 欧洲规范4 进行修订 修订后的 欧洲规范4 分两部分 第一部分草案 已于1 9 9 2 年由欧洲标准委员会颁布 我国在2 0 世纪5 0 年代初期开始研究组合梁结构 之后在公路 铁路桥梁 方面得到应用 1 9 5 6 年 铁道部编制组合梁标准图并成功地应用于乌江桥及衡 阳的湘江桥等桥梁中 1 9 5 6 年修建的武汉长江大桥上层公路桥也采用了组合梁 结构 1 9 7 4 年 我国交通部颁发的 公路桥梁设计规范 及时1 9 8 6 年颁发的 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 j t j 0 2 5 8 6 对组合梁的构造与计算 作了有关规定 在房屋建筑方面 早在2 0 世纪5 0 年代 北京钢铁工业建筑设 计研究总院对组合梁结构就进行了研究 6 0 年代 当时的北京工业建筑设计院 和建筑研究院 北京钢铁设计总院等单位用组合结构设计过工厂楼盖 吊车梁 2 0 世纪7 0 年代以来 我国对组合梁的性能进行了较系统的研究 取得了可喜 的成果 在此基础上 我国有关部门新修订 编制了 钢结构设计规范 g b j l 7 8 8 高层建筑结构设计与施工规程 和 火力发电厂主厂房组合结 构设计暂行规定 等规范 上述规范 规程中均包括了组合梁的内容 但均未 给出组合梁抗扭设计计算的相关条款 组合梁在实际的工程中已经推广很广 北京国际技术培训中心的两幢1 8 层 楼 楼盖结构彩冷弯薄壁型钢一混凝土简支组合梁 跨度6 m 间距1 5 m 组合梁 7 全高3 0 0 r a m 包括混凝土楼板厚度 组合楼盖结构设计是以试验研究成果为依 据的 剪力连接件设计节省栓钉用量达4 7 与钢筋混凝土叠合楼板相比较 结构自重降低2 9 水泥节约3 4 钢材消耗节约2 2 木材消耗节约7 造价 降低5 施工周期缩短2 5 并且使建筑标准提高了一大步 为我国城镇住宅 建设提供了一种轻型 优质 大跨的楼盖结构形式 这种新型组合组合梁在高 层建筑楼盖结构中具有广阔的应用前景 有利于推动大开间灵活分隔的高层建 筑的发展 在桥梁方面组合梁的应用也取得了举世公认的进步 1 9 9 4 年建成的上海南 浦大桥为跨径4 2 5 m 的斜拉桥 其加劲梁采用了钢一混凝土组合梁结构 故又称 为钢一混凝土组合梁斜拉桥 近年在北京 上海等城市的立交建设中 钢一混凝 土组合梁桥由于其跨越能力大 建筑高度小 抗震性能好以及施工速度快等优 点 得到了广泛的应用 建成了以北京航天桥 主跨7 3 m 和朝阳桥 主跨6 4 m 为代表的一批钢一混凝土组合连续梁桥 取得了较好的技术经济效益 这些工程 也为进一步扩大钢一混凝土组合梁桥在公路及城市桥梁工程中的应用 积累了宝 贵的经验 1 2 4 高性能钢一混凝土组合梁 日本 美国 英国 前苏联及加拿大等技术先进国家自2 0 世纪6 0 年代就开始 了钢与混凝土组合梁性能研究 比较深入 应用也比较广泛 并取得了显著的经 济效益和社会效益 相继制定了内容丰富的设计规范或规程 目前 国外一些学 者将数值计算理论引入组合梁 但主要假定材料为线弹性的 从国外的研究情况看 尽管国外对钢与混凝土组合梁的研究作了很多工作 但是对钢与混凝土组合梁中的交接面滑移对组合梁的承载力 变形 组合截面应 力传递等 的影响 混凝土徐变对组合梁受力性能的影响及其计算方法 非线性 分析与设计理论等研究较少 特别是对综合考虑交接面连接刚度 混凝土的徐变 及施工顺序与方法等对组合梁受力性能影响的研究更少 有的问题即使研究过 也只是做了定性分析 很多问题有待于解决 而对采用钢和高强混凝土形成的钢 与高强混凝土组合梁的受力性能研究目前尚未见到有关报道 我国对钢与混凝土组合梁的研究始于8 0 年代 研究方法多是借助于国外的研 究方法 并很快将研究成果应用到工业厂房 高层建筑 大跨度桥梁及城市立交 桥等实际工程中去 取得了良好的经济效益和社会效益 尽管我国对钢与普通 轻 骨料 混凝土组合梁作了研究 但在某些方面研究尚不够完善 在某些方面可以 说是空白 而国外对钢与高强混凝土组合梁的研究比较早 在国内尚未见到有关 报道 徐亚丰等 基于钢与高强混凝土组合梁承载能力极限状态及正常使用极限 状态下的工作机理基础上 通过分析钢与高强混凝土组合梁的高度的组成 确定 出梁的混凝土的高度吃及型钢腹板净高度h 为设计变量 并以以与吃 之和为目 标函数 在考虑弯曲约束条件 剪切约束条件 变形约束条件 整体稳定约束条 件的情况下 分别按弯曲强度 剪切强度和变形约束的要求对组合梁高度取值的 优化设计进行了探讨 得出了优化设计后的结果 为降低组合梁的高度提供了理 论根据 n c l 许伟等 通过钢与高强混凝土组合梁的试验研究 得到其荷载一挠度曲线 分析其变形性能 在荷载作用下 钢梁与混凝土板交接面处出现相对滑移 导致 组合梁的承载力降低 刚度变小 变形加大 考虑交接面相对滑移对钢与高强混 凝土组合梁的变形影响 利用弹性分析理论建立了钢与高强混凝土组合梁的变形 微分方程 得到了跨中集中荷载 均布荷载及对称集中荷载作用下的钢与高强混 凝土组合梁的变形计算公式 计算结果与试验结果对比 二者吻合良好 许伟等 研究了4 根钢与高强混凝土组合梁的抗裂性能 试验表明 当荷载 达到极限荷载的4 0 左右 微裂缝首先在加载点下的混凝土板底面出现 然后在 加载点问逐渐增加 最后裂缝贯穿板顶得到组合梁的混凝土板及型钢应变与荷 载关系的曲线 分析钢与高强混凝土组合梁工作机理 利用弹性分析理论建立钢 与高强混凝土组合梁开裂荷载的计算公式 计算结果与试验结果对比 二者吻合 良好 给出了钢与高强混凝土组合梁裂缝宽度的计算公式 聂建国等 为了研究钢一高强混凝土组合梁在静载作用下的抗弯性能 完成 了8 根钢一高强混凝土组合梁在跨中两点对称荷载作用下的试验 对其受力性能进 行了分析 并探讨了翼缘板混凝土强度 钢梁屈服强度和翼缘板宽度对组合梁正 截面受弯承载力 延性的影响 结合试验结果和理论分析 对现行规范中组合梁 正截面受弯承载力计算公式进行了补充修正 以拓宽计算公式中翼缘板混凝土强 度的适用范围 为高强混凝土在钢一混凝土组合梁中的应用提供设计依据 许伟等u 采用a n s y s 通用有限元软件 针对钢与高强混凝土连续组合梁本身 结构及受力性能的复杂性 考虑材料非线性 提出了一个对钢与高强混凝土连续 组合梁从加载到破坏的全过程非线性分析模式 对钢与高强混凝土连续组合梁连 接件设计进行分析 研究连接件的布置方式对连续组合梁的影响 完善钢与高强 混凝土连续组合梁中抗剪连接件的设计理论 敦志毅等u 副在分析国内外钢一混凝土组合梁各种剪切连接件形式的基础 上 着重阐述了钢一高强混凝土组合梁中栓钉连接件的受力性能和承载力计算 方法 提出了有待完善的地方 9 1 3 组合梁的受力性能研究概况 1 3 1 组合梁竖向抗剪研究 目前各国有关规范都规定按塑性理论设计时 组合截面的竖向抗剪计算均 不计混凝土翼缘部分的影响 仅考虑钢梁腹板的抗剪作用 对于密实组合截面 的简支梁 在竖向受剪极限状态时 认为钢粱腹板均匀受剪且达到钢材塑性设 计抗剪强度 不考虑混凝土翼板的影响 j o h n s o nr p 的研究指出 对于混凝 土翼板的裂缝宽度小于0 5 m m 裂缝问距在l o o m m 一 2 0 0 m m 之间的情况 如果不 考虑混凝土翼板内纵筋的销栓力作用 则混凝土的骨料咬合力能够提供2 2 的 总抗剪能力 如果考虑混凝土翼板内纵筋的作用 混凝土翼板抗剪能力随着纵 筋面积与钢梁面积之比的增加而增加 可达总抗剪能力的3 5 d a v i e s c 在6 根钢一火山渣砼简支组合梁和6 根钢一火山渣砼连续组合梁试验的基础上 探讨影响组合梁竖向抗剪承载力的主要因素 混凝土翼板 名义剪跨比和力比 等 试验与计算结果表明 在计算组合梁竖向抗剪承载力时 如果不考虑混凝 土翼板的作用 计算结果将趋于保守 对于连续组合粱还应该考虑弯矩比的影 响 聂建国实验 表明 按公式 v h 实测值 一般仅为实测值的6 0 7 0 因此 建议在计算组合梁抗剪承截 力时应考虑混凝土剪板的抗剪能力 并推导了考虑混凝土翼板抗剪承截力的组 台截面抗剪承载力计算公式 计算结果与实测值吻合良好 1 3 2 纵向抗剪研究 组合梁纵向抗剪的研究主要包括剪力连接件的承载力研究和混凝土板的纵 向抗剪研究 在组合结构应用的早期已开始了混凝土板的纵向抗剪研究 1 9 6 9 年 d a v i e s 所做的小尺寸的梁试验时 已发现板的纵向开裂现象 并指出梁 的极限抗弯承载力随着横向钢筋的减少而降低 当横向钢筋配筋降低一定程度 时 会使混凝土板较早出现纵向开裂而不能达到极限抗弯承载力 1 9 7 0 年 j o h n s o n m 怕训提出了影响板纵向开裂的横向钢筋的设计公式 混 凝土板中的横向钢筋应满足 p l 1 2 6 v 一3 8 2 p p 2 8 0 l o 式中 p 一横向钢筋的配筋率 一纵向剪切面上的剪应力 c 一混凝土的轴心抗压强度 y 钢筋的屈服强度 上式不仅强调横向钢筋的配筋率 还强调横向钢筋的位置 在板的上部和板 底部都应该配置钢筋 并且满足一定的配筋率 横向钢筋的配筋率与混凝土的抗 压强度和纵向剪应力有关 1 9 7 2 年 a l a n h m a t t o c k 提出了混凝土的剪力传递理论 认为横向钢 筋的销栓作用是抗剪承载力的主要部分 混凝土也具有一定的抗剪能力 此理论 为组合梁的剪切破坏提供了理论基础 a l a n h m a t t o c k 给出的计算混凝土剪 切面上的剪应力的公式为 屹 2 0 0 p s i 0 8 p 痧 c r 式中 屹一纵向剪切面上的剪应力 一横向钢筋的配筋率 吒 一垂直于剪切面方向上的外力作用在剪切面上产生的应力 m a t t o c k 认为混凝土的强度变化对纵向抗剪强度影响很小 在公式中为定2 0 0 p s i r o 1 1 9 7 5 年 j o h n s o n 根据m a t t o c k 的剪力传递理论 给出了混凝土板的纵 向抗剪公式 认为混凝土板的破坏为纵向剪切破坏 是由于为两剪切面发生相互 的错动导致混凝土板破坏 j o h n s o n 给出的纵向剪切面上的单位长度受剪承载力 公式为 屹l 0 9 0 0 7 厶4 o 2 5 f 式中 s 一系数 取为1 n m m 2 u 一纵向受剪承载力截面的周长 以m i l l 计 4 一纵向晃面单位长度横向钢筋的截面面积 上述公式曾在组合梁设计中应用广泛 1 9 7 5 年 m n e l g h a z z i m 钊等根据纵向剪切破坏模型 利用莫耳圆来分 析混凝土单元 此模型可分析出剪切破坏的开裂的角度 1 9 8 1 年 p r j o h n s o n 和d j 0 e h l e r s 瞄wu w 开始重视劈裂的研究 在 组合粱的推出试验研究中 对栓钉的承载力进行了修正 其承载力不仅与混凝土 的强度及栓钉截面面积有关 还与焊缝的高度 混凝土抗拉强度 栓钉的轴心力 有关 混凝土板的开裂的研究是通过推出试验和有限元分析来研究劈裂破坏的模 型及相关参数 j o h n s o n 认为组合梁混凝土板中栓钉把纵向剪力传递给混凝土板 纵向剪力作用在混凝土板上对混凝土板来说为局部压应力 会在混凝土板中产生 横向的拉应力 当横向拉应力超过混凝土的抗拉强度时混凝土板就会发生劈裂破 坏 拉应力的分布大约为1 7 5 b 兢为板宽 栓钉的纵向间距影响拉应力的重c 叠程度 下图为横向拉应力的分布情况 a l 墨 卜旧j 单个集中力作用在板中产生的横向拉应力分布 d i s t r i b u t i o no ft r a n s v e r s es t r e s sd u et oi n p l a n ec o n c e n t r a t e dl o a da p p l i e dw i t l l i nas l a b r011r 口n 1r 口口1 1 9 8 9 年 d j o e h l e r s uh 对横截面上布置不同个数的栓钉的组合 梁进行了理论和有限元研究 主要是针对板的劈裂破坏 在试验中纵向双排栓 钉的组合梁出现了八字形的裂缝 但也出现了沿栓钉的中心线的直裂缝 o e h l e r s 把组合梁的破坏归结于剪切破坏 并指出纵向双排栓钉的混凝土板中 的局部压应力产生的横向拉力与纵向单排栓钉产生的横向拉力相比较 分布的 曲线有些不同 横向拉应力的长度变短及横向拉力变小 1 9 9 2 年 o e h l e r s 从理论上分析了混凝土板的开裂会降低栓钉的承 载力 指出纵向双排栓钉组合梁 其栓钉总的承载力并不是单个的总和 由于 在横向上单个栓钉的作用长度会重叠 因此每个栓钉并不能达到自身的承载力 但总的承载力还是大于单个栓钉的承载力 横向钢筋不会防止劈裂的发生 但 可以延缓劈裂的开展 并可以使的组合梁达到梁的极限抗弯承载力 但不会超 过其值 在剪切破坏时 混凝土会形成 短柱 横向钢筋可以阻止其发生转动 裂缝就会开展的很慢 防止破坏的发生 而且栓钉的间距也会影响破坏荷载的 大小 r 口t 2 0 0 3 年 c s s i m c p c h a n g 开始研究连续组合梁的纵向抗剪问题 我国对混凝土板的纵向开裂的研究首先在郑州工学院开展 1 9 8 6 年 李 1 2 天 做了1 5 根纵向单排栓钉的组合梁 按规定配置了横向钢筋 发现有1 0 根梁出现了纵向开裂 根据p r j o h n s o n 对组合梁混凝土板受剪力连接件力传 递的纵向剪力进行了讨论 在板较薄或纵向单排栓钉时 混凝土板受栓钉传递 的剪力集中力以作用时 若p 产生的横向拉应力p t 达到混凝土板的抗拉强 度 混凝土板就会被拉裂 出现劈裂破坏 横向钢筋可以延缓开裂的发展 并 提出根据桁架模型来计算横向钢筋的配置 用混凝土 短柱 传递斜向压力而 横向钢筋承受水平拉力 上世纪9 0 年代初 郑州工学院对纵向双排栓钉混凝 土叠合板组合梁进行了研究 发现在横向钢筋不足时组合梁会发生纵向剪切破 坏 横向钢筋对极限承载力影响较大 1 9 9 6 年 清华大学聂建国 王洪全 刈 也做了纵向单排栓钉的组合梁的试验 混凝土板为预制板和现浇板的叠合板 发现横向钢筋的配筋率不同 组合梁的破坏形式也不同 横向钢筋的配筋率在 小于0 4 5 时 混凝土板为纵向劈裂破坏 在0 5 8 0 6 4 之间为弯剪破坏 大 于0 6 4 时为弯压破坏 清华大学认为组合梁剪跨内混凝土板横向拉应力近似 为均匀分布 横向拉应力为 仃 堡 一2 k p 铲君5 可 式中 j 一栓钉的纵向间距 见一混凝土板的有效厚度 2 一剪切面上的横向拉应力 只 混凝土板受到的栓钉连接件的作用力 组合梁混凝土板由于受到栓钉连接件作用引起的横向拉应力作用而开裂时 应满足的平衡条件为 o t 7 f n 七1 9 r 式中 y 一表示混凝土的抗拉塑性系数 取值范围为1 0 一 1 5 其大小与混凝 土板的承压面积有关 并随荷载宽度减小而增大 当为集中力时取值 为1 5 甜一混凝土的抗拉强度 仃 一表示把全跨内横向钢筋所受拉力换算为在整个纵向劈裂面上均匀分 布的等效拉应力 则聂建国得到的组合梁剪跨内连接件内力之和 即混凝土板轴心内力n 为 n 4 9 2 d s t a f a 4 f r y a n f 圪 式中 d 一栓钉的钉杆直径 a 一剪跨长 4 一横向钢筋的总的截面面积 厶一横向钢筋的屈服强度 刀 一组合梁的连接度 圪一单个栓钉连接件的极限抗剪力 由此可以根据塑性理论确定组合梁极限纵向开裂弯矩 以以而2 a 一舟 卜老 靴4 厶 以以 1 甜孝 m 一丽n 鄯 以厶 式中 彳 a 彳 一分别表示钢梁截面和其腹板及翼缘截面的面积 疋 一表示钢梁的屈服强度 c 一混凝土板的轴心抗压强度 m f 钢梁纯弯曲时截面的塑性弯矩和轴压时的屈服轴力 d 一混凝土板顶面至钢梁截面形心的距离 纵向单排栓钉的组合梁 混凝土板破坏形式通常为劈裂破坏 聂建国教授 的试验证明 当混凝土板为叠合板时 混凝土板的破坏模式也为劈裂破坏 计 算横向钢筋的配筋率时同样可以采用桁架模型 东北大学的蒋东红博士 删 4 1 1 也做了几组纵向单排栓钉的连续组合梁试验 同样证实纵向单排栓钉的组合梁 为劈裂破坏 1 3 3 组合梁抗剪研究存在的问题 组合梁在实际的工程中应用的比较多 但还存在许多问题有待进一步解决 1 混凝土纵向抗剪能力不足 如果横向钢筋配置不够或不当 就可能 产生先于抗弯破坏的纵向劈裂破坏 这增加了设计和施工的难度 实际当中不易 把握 2 各国规范对组合梁竖向抗剪计算均不计入混凝土翼板的影响 造成 了工程设计当中材料的浪费 3 相关文献中考虑了混凝土翼板对竖向抗剪的影响 但在计算竖向剪 1 4 力时 只是将混凝土翼板和钢梁各自的竖向剪力进行简单的叠加 而没有考虑 叠合面的相对滑移 抗剪连接件布置方式等因素对竖向剪力的影响 4 相关文献中回归出了计算纵向剪力的经验公式 但仅考虑了混凝土 强度等级和混凝土板横向配筋率这两个因素 未能充分考虑混凝土翼板厚度 宽度 长度 连接件种类等因素对纵向抗剪的影响 5 对于组合梁抗剪性能的研究多集中在普通钢一混凝土组合梁上 而 未考虑如采用高强材料后 由于高强材料与普通材料力学性质不同产生的影响 因此 对于采用高强材料的组合梁 其抗剪性能需进行新的研究和分析 6 按照欧洲规范4 的规定在二类截面预应力组合梁中采用塑性法会过 高估计结构的承载力 虽然有限元非线性分析能够较好的预估组合梁的受力行 为和极限荷载 但计算工作量大 不便于设计计算 因此建立合理的简化计算 模型十分必要 1 4 本文研究的方法和内容 本文在分析国内外普通钢一混凝土组合梁研究的基础上 将高强材料与普 通钢一混凝土组合梁有机的结合在一起 形