钢混凝土组合梁正弯矩区截面的组合抗剪性能

　　摘要:为研究钢混凝土组合梁正弯矩区的复合抗剪能力,对16 根密实截面钢混凝土组合梁的组合抗剪性能进行了试验研究。试件全部简支,跨中两点对称单调静力加载。试验结果表明,钢混凝土组合梁截面的组合抗剪承载力为现行有关规范计算值的1. 06～ 2. 88 倍;为同剪跨比(剪跨比为1. 0 和2. 0 时)纯钢梁的1. 26～ 1. 72 倍。混凝土翼板对组合梁的抗剪承载力有明显的贡献。组合梁的破坏形态不仅与组合梁的剪跨比有关,而且与钢梁的剪跨比有关。

　　关键词:钢混凝土组合梁;组合抗剪性能;混凝土翼板作用;剪跨比

　　近年来,钢混凝土组合梁结构在我国发展很快,在建筑和桥梁结构等领域已经得到越来越多的应用[1]。钢梁通过连接件与钢筋混凝土翼板组合后,其抗弯强度和刚度显著提高。由于组合梁的钢梁部分比相应纯钢梁的腹板高度小,故在某些情况下(如采用宽翼缘H 型钢或剪跨比较小的情况),组合梁的剪力有可能起控制作用,可能出现仅仅依靠组合梁钢梁腹板抗剪不足的情况。

　　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。

　　文[2～ 4]试验研究表明,混凝土翼板占总抗剪能力20% 左右;对于纤细截面(按欧洲规范4 为第四类截面)组合梁,混凝土翼板占总抗剪能力高达50% [5]。文[6]研究表明,钢混凝土组合梁中,钢梁腹板仅占总抗剪能力的60% ～ 70% 。在剪力起主要控制作用的情况下,单纯依靠加大腹板的厚度是不经济的。事实上,钢梁和混凝土翼缘通过连接件连成整体共同工作,截面抗弯按整体截面考虑,抗剪也可以按组合作用来考虑。因此,对钢混凝土组合梁的组合抗剪作用进行试验研究,有利于进一步提高组合梁的经济效益。

　　本文主要介绍关于钢混凝土组合梁抗剪试验的基本情况和主要试验结果。

　　1 试 验

　　1. 1 试验参数

　　试验共设计钢混凝土简支组合梁试件16 个。主要改变的参数有组合梁的剪跨比λ、混凝土翼板
的厚度hf 和宽度be 。试验仅考虑密实截面组合梁(钢梁板件宽厚比满足塑性设计要求的组合梁),翼板混凝土为普通混凝土。为了对比,专门设计纯钢梁试件2 个,纯钢梁的截面尺寸同组合梁的钢梁截面 尺寸。钢梁翼缘的屈服强度f f= 273 M Pa,钢梁腹板的屈服强度f w = 340 M Pa。各试件参数变化如表1、表2 所示。其中f cu 表示混凝土立方体(150 mm × 150 mm× 150 mm)强度,参数a,b 见图1 所示。

　　1. 2 加载方案和试验步骤 [Page]

　　全部试件简支,跨中两点对称单调静力加载。量测内容包括典型截面的应变、跨中及加载点处的挠度、支座转角、混凝土翼板与钢梁交界面的相对滑移等,数据采集均由计算机自动完成。加载方案示意如图1 所示。

　　2 试验结果

　　2. 1 试验现象及分析

　　由于剪跨比的不同,16 根组合梁表现出了不同的破坏形态(如表1 所示)。当剪跨比为1.0和2.0(CBS-14 除外)时,混凝土翼板的破坏呈剪压、斜拉或剪压与斜拉之间的破坏形态。CBS-13 为斜拉破坏;CBS-6 为剪压破坏;CBS-1,CBS-2,CBS-5, CBS-9,CBS-10 为剪压与斜拉之间的破坏,即一侧为斜拉破坏另一侧为剪压破坏。钢梁在弯应力和剪应力共同作用下沿主拉应力方向首先屈服,然后在达到极限荷载时局部屈曲破坏,并伴随有明显的剪切变形。当剪跨比为3. 0(包括CBS-14)时,混凝土翼板的破坏呈弯曲破坏的形态;钢梁在双向应力的作用下屈服(CBS-15 除外),钢梁无明显的剪切变 形。当剪跨比为4. 0(包括CBS-15)时,混凝土翼板的破坏呈弯曲破坏的形态;钢梁翼缘在弯应力的作
用下屈服,钢梁腹板未进入全截面屈服阶段。

　　从破坏形态上看,钢梁过大的剪切变形导致了混凝土翼板的剪切破坏,试件CBS-14(剪跨比为2.0)的破坏形态也证明了这一点。钢梁的剪切变形占总变形的比例与钢梁的剪跨比有关。因此,组合梁的破坏形态不仅与组合梁的剪跨比有关,而且与钢梁的剪跨比有关。两根纯钢梁均为局部屈曲破坏,并伴随有明显的剪切变形。

　　2. 2 剪力-挠度曲线

　　16 根组合梁的剪力Vt 跨中挠度f t 曲线如图2所示。从剪力跨中挠度曲线可以看出,除剪跨比等于1.0的情况外,组合梁均具有很好的延性。

　　2. 3 内力比较及分析

　　组合梁抗剪承载力试验结果与现行有关规范及纯钢梁抗剪承载力的比较如表3 所示。梁号有CBS的16 根为本文结果,梁号为J 的6 根为文献[6]的结果。从表3 可以看出,组合梁的抗剪承载力为各国规范计算值的(1. 06～ 2. 88)倍;为同剪跨比纯钢梁的(1. 26～ 1. 72)倍(当剪跨比为1. 0 和2. 0 时)。

　　利用弹塑性理论的数值方法,根据对两根纯钢梁的应力分析验证,得出如下的结论:当剪跨比为1.0和2. 0(CBS-14 除外)时,组合梁腹板的复合应力状态仅进入流动状态;当剪跨比为3. 0 和4. 0(包
括CBS-14)时,组合梁腹板的复合应力状态为刚进入屈服状态或未进入屈服状态。这样就可以计算出 钢梁所承担的剪力,从而证明组合梁的抗剪能力大于腹板的抗剪能力是由于组合梁的混凝土翼板承担
了部分剪力,即由于组合梁的组合抗剪作用所致,并非由于腹板的强化所致。

　　3 结 论

　　1)组合梁受剪破坏形态不仅与组合梁的剪跨比有关,而且与钢梁的剪跨比有关。当剪跨比为1. 0
和2. 0(CBS-14 除外)时,混凝土翼板的破坏呈剪压、斜拉或剪压与斜拉之间的破坏形态。当剪跨比为3. 0(包括CBS-14)时,混凝土翼板的破坏呈弯曲破坏的形态;钢梁在双向应力的作用下屈服(CBS-15除外),钢梁无明显的剪切变形。当剪跨比为4. 0(包括CBS-15)时,混凝土翼板的破坏呈弯曲破坏的形态;钢梁翼缘在弯应力的作用下屈服,钢梁腹板未进入全截面屈服阶段。

　　2)组合梁的抗剪承载力为现行有关规范计算值的(1. 06～ 2. 88)倍;为同剪跨比纯钢梁的(1.26 ～ 1.72)倍(当剪跨比为1. 0 和2. 0 时)。 [Page]

　　3)组合梁的抗剪能力大于腹板的抗剪能力是由于组合梁的混凝土翼板承担了部分剪力,即由于组合梁的组合抗剪作用所致,并非由于腹板的强化所致。

　　4)利用混凝土翼板抗剪潜力最简单的方法是采用叠加法,即组合梁的抗剪承载力为腹板承载力与翼板承载力之和。但是,当剪跨比较小时,叠加法过于保守,不能反映组合梁的组合抗剪特性。关于小
剪跨比组合梁的抗剪机理,笔者正在做进一步的研究。

　　参考文献

　　[1] 聂建国,余志武. 钢混凝土组合梁在我国的研究及应用[J]. 土木工程学报,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.