钢_混凝土预制板组合梁的试验研究

戴益民1,2廖莎2

(1湖南工业大学土木系株洲412008;2湖南大学土木学院长沙410082)

[提要]为研究钢-混凝土预制板组合梁在静载作用下的组合效应,完成了3根钢-混凝土预制板组合梁在跨中集中荷载作用下的试验,结合试验结果与现有的组合梁理论,对钢-混凝土预制板组合梁的抗弯受力性能及其组合效应进行了分析,为该方向的进一步研究提供实用参考价值。

[关键词]钢-混凝土预制板组合梁试验研究受弯承载力组合效应

Expe rime ntal Stu dy on Ste el-pre cast Concre te Composite Be ams P Dai Yi min1,2,Liao Sha2(1Depa rtment of Civil Engine ering,Huna n I ndustrial Univer sity,Zhuzhou412008,China;2Department of Civil Enginee ring,Hunan Unive rsity, Changsha410082,China)

Abstrac t:To analyze the co mposite effec t of Stee-l pre cast concre te be ams under static loads,thre e tests of ste e-l preca st

c onc rete c o mposite be ams unde r static c oncentrate lateral loads were pe rfo rmed.Ba se

d o n th

e e xperimental study and rela tive

theore tical a nalysis of the co mposite beams in e xistenc e,the bending c apacity and co mposite ac tion of ste e-l preca st c onc rete

c omposite bea ms are studied,whic h ca n be use

d for th

e reference for more study o

f ste e-l prec ast concre te co mposite bea ms.

K eyword s:stee-l pre cast c onc rete c omposite bea ms;e xpe ri me ntal study;bending capacity;co mposite effec t

0引言

钢梁与混凝土预制板结合形成组合结构,能取得快速施工、预制装配的优势,这种组合结构是将钢纵梁与钢横梁形成施工单元,预制混凝土板对位栓钉就位后,在预制板的栓钉位置处预留孔洞内,在施工现场浇灌比预制板混凝土强度等级高的填充混凝土,利用钢梁上翼缘的预制混凝土板板端的处理和栓钉连接件的作用,使钢梁与混凝土预制板连成整体而形成钢-混凝土预制板组合梁。国内外对钢梁与混凝土预制板由栓钉连接形成组合结构方面的研究很少,文[2]以Vigina 的一座4跨桥梁为原型,设计了3根钢-混凝土预制板组合梁模型,并对此进行了静力和疲劳试验,其结果表明,只要栓钉数量合适,开洞构造合理,钢梁与预制板就能够通过板中预留孔中的混凝土与栓钉有机结合,形成组合梁结构[2]。

1试验方案与试件制作

根据简化的塑性极限状态方法,设计了3根钢-混凝土预制板组合梁,之前做了12个不同预留孔形,孔内填充不同混凝土材料的推出试验,对栓钉剪力连接件在组合梁中的作用进行了试验研究,栓钉能够有效地将预制板与钢梁连接为整体,形成组合梁共同工作。

试验采用H150@150型钢及横向双排<13@50栓钉剪力连接件,混凝土预制板组合梁翼板中钢筋的配筋率以满足组合梁纵横向的抗剪设计能力为依据[5]。材料性能试验以及其他相关参数见表1。

试验均在1000kN加载架下进行,试件为简支,跨中采用一台50kN油压千斤顶单点加载。试验中栓钉的纵向布置及试验装置分别见图1~3

。

图1组合梁试验装置

2主要的试验结果

试验梁的主要试验结果如表2所示,其中P

yt

,P ut 分别表示试验梁下翼缘开始屈服时的承载能力和试验

极限承载能力,f

y t

,f ut分别表示试验荷载达到P yt和P ut 时,跨中最大的挠度实测值。

SCB-1,2,3三根组合梁分别在115,110,100kN时,试件的主要参数以及材料试验结果表1试件

预留

孔形

板内配筋率(%)

横向纵向

钢梁f

(N P m m

2

)

f c(N P mm2)

槽、孔内板

a

(m m)

b

(m m)

剪力连接SCB-1方孔013013

SCB-2圆孔013013

SCB-3圆孔01714013

3061144130

1509@300完全

1509@300完全

1757@375部分

75钢-混凝土预制板组合梁试验结果特征值表2

试件

P t y

(kN)

P t u

(kN)

f t y

(mm)

f t u

(mm)

P t u

P t y

f t u

f t y

SCB-1132101811016983719051137131543 SCB-2130151821015603911851139531711 SCB-3128151671017473819241129931622

在加载位置混凝土翼板的下表面出现裂缝,其中SCB-1,2的裂缝范围全部集中在加载点下预制板(600@ 600)板底。SCB-3加载点恰好在预制板板缝(板缝宽50mm,千斤顶下的分配梁宽100mm,搭每边混凝土预制板板长25mm)处,在加载的过程中,板缝槽内混凝土一直没有剥落,在达到荷载P t

u

时,板缝上表面还没有肉眼可见的裂缝,裂缝的范围主要在加载点下2块板各自300mm的范围内,这说明板缝即使没有经过特殊加强处理,仅依靠缝内填充强度等级较高的混凝土,也完全能够使组合梁在承受荷载过程中不至提前破坏,即使当板缝处于组合梁的最大弯矩处,试验结果显示,这对组合梁的承载能力以及组合梁的组合效应影响也不明显,这为钢-混凝土预制板组合梁的设计提供了强有力的设计依据。裂缝具体分布见图4。

3根梁的荷载-挠度关系如图5所示,其中计算理论值曲线代表的是钢梁在加载过程中以刚度为参数时的曲线。典型截面的应变曲线如图6所示(以SCB-1组合梁为代表)。混凝土预制板与钢梁之间的相对滑移如图7所示。

3试验分析

分析试验结果,得到试验值与现有的普通混凝土组合梁设计规范计算值之间的关系见表3。

按现有规范计算的承载力值与实测值的比较表3试件

P c y

(kN)

P t y

(kN)

P t y

P c y

f c ytJ

(mm)

f t y

(mm)

f t y

f c

ytJ

SCB-11511361321

0018729157010

169811

118

SCB-215113613015018629157010156011103

SCB-313718512815019339110710174711180

组合梁SCB-1,2的区别仅仅在栓钉预留孔的孔形

不同,分别为方形与圆形。根据文[3],[4],方形预留

孔推出试件的钢梁与混凝土之间的滑移要比圆形的

小,承载能力也略大于后者。文中试验也证明了方孔

组合梁的组合效应略好于圆形预留孔组合梁。同时这

2根钢梁的下翼缘屈服时,钢梁与混凝土预制板之间图2试验组合梁(板厚75mm)

图3组合梁试件栓钉布置

图4组合梁破坏时板底裂缝分布

图5组合梁荷载-挠度曲线图6SCB-1截面应变分布图7滑移特征曲线

(下转第101页) 76

框架结构中柱内力峰值

表2

地震波

内力天津波人工波

中震(111m P s 2

)小震(0155m P s 2

)弯矩(kN #m)剪力

(kN)弯矩

(kN #m)剪力(kN)弯矩

(kN #m)剪力

(kN)上层柱下层柱

上端83416287193381912014106173712下端3511329914147191101449143616上端402121421615618591151172213下端

69114

15711

26617

6119

8713

2316

图5 天津波作用下框架中柱最上端截面内力时程

中柱最上端节点在天津波作用下的弯矩、剪力时程见图5。

214车站结构强度校核

依据三种波型计算出的动内力包络图,按最不利

内力组合,对设计的车站框架结构配筋图进行校核。其中在小震和中震人工波作用下,结构强度均能满足要求。而在天津波作用下,框架结构中间柱强度达不到要求。3 结论

(1)地铁车站结构设计满足7度抗震设防的要求。

(2)地铁车站结构内部的中柱,因其纵向不连续且

周围没有土体提供抗力,成为结构的薄弱环节。因此,中柱应作为结构抗震设计的重点。

(3)地铁车站在强烈地震作用下,会产生较大的位移,即使车站结构不破坏,也会造成铁轨、管线等的破坏,产生严重的后果。

(4)现行5地下铁道设计规范6(GB50157)92)中,关于地下结构的抗震设计只有简单的描述,需要进一步的加强和补充。

参

考

文

献

[1]地下铁道设计规范(GB50157)92)[S].

[2][日]土木学会地震反应分析及实例[M ].北京:地震出版社,

1983.

[3]瓦尔夫J P.土-结构动力相互作用[M ].北京:地震出版社,

19.

[4]罗定安.工程结构数值分析方法程序设计[M ].天津:天津大学

出版社,1994.

[5]施仲衡,张弥,王新杰.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科

学技术出版社,1996.

[6]博嘉科技.有限元分析软件-AN SYS 融会与贯通[M ].北京:中国

水利水电出版社,2002.

[7]曹炳政等.神户大开地铁车站的地震反应分析[J].地震工程与

工程振动,2002,22(4):102-107.

(上接第76页)

的滑移很小,表示钢梁与混凝土预制板在栓钉剪力连接件下具有良好的组合效应,图6截面应变分布也说明组合梁在加载过程中,仅仅是一根塑性中和轴也显示了良好的整体性。对比试验结果与理论计算值的关系,与普通的混凝土组合梁相比,试验挠度与承载能力均是计算值的0185倍,说明钢-混凝土预制板组合梁载板端没有构造处理以及不增加预应力情况下,整体性要略差于普通组合梁。

SCB -3为部分剪切连接的组合梁,表3和图5,7显示,SCB -3的挠度与滑移比SCB -1,2的要稍大,但承载能力相差很小,说明简单依靠增加栓钉的数量来提高钢-混凝土预制板组合梁承载能力的效果不大。当荷载达到150kN 时,组合梁板与钢梁之间有肉眼能够看见的掀起,而完全剪力连接的组合梁在加载过程中一直没有此现象发生。4

结论

(1)栓钉将钢梁与混凝土预制板通过预留孔内的混凝土连接形成组合梁是可行的,而且设计钢-混凝土预制板组合梁时,完全可以依据现行的组合梁设计规

范的计算方法与公式,对计算的结果取适当的折减系数即可(文中取系数为0185完全能够满足设计要求),至于系数的确定,需要进一步的研究。

(2)方形预留孔组合梁的组合效果要优于圆形预留孔的组合梁,至于孔(板缝槽)内混凝土的强度对组合梁组合效应的影响值得进一步的研究。

(3)钢-混凝土预制板组合梁的整体性要略低于普通组合梁,但相差不大,采用什么样的措施提高钢-混凝土预制板组合梁的整体性能,值得进一步探讨。

参

考

文

献

[1]聂建国.钢-混凝土在我国的研究及应用[J].土木工程学报,

1999,32(2):2-7.

[2]MOHSEN A ISSA.Expei mental behavior of full precas t concorete panels

for bridge rehabilitation[J].ACI Structural Journal,2000(3).[3]戴益民,廖莎.钢-混凝土预制板组合梁栓钉连接件的试验研究

[J].建筑技术开发,2005,(5):27-29.

[4]戴益民.钢-混凝土预制板组合梁的试验研究[D].长沙:湖南大

学土木学院,2005.

[5]聂建国.钢-混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究[J].建筑结构学

报,1997,18(2):13-19.

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