高性能鋼—混凝土組合梁抗剪性能研究(土木結(jié)構(gòu)工程專業(yè)優(yōu)秀論文).pdf

j 匕壺童通太堂亟 堂僮途塞 擅噩 中文摘要 摘要 本文以國(guó)內(nèi)外鋼一混凝土組合梁的研究為基礎(chǔ) 進(jìn)而對(duì)高性能鋼一混凝土 組合梁進(jìn)行有限元模擬分析 研究其抗剪性能 本文主要研究?jī)?nèi)容 首先概括闡述了高性能鋼與高性能混凝土的應(yīng)用以及發(fā) 展情況 同時(shí)也介紹了組合梁的發(fā)展情況 對(duì)組合梁的受力性能作了系統(tǒng)介紹 以便對(duì)組合梁的分析奠定基礎(chǔ) 第二章對(duì)組合梁的縱向抗剪 豎向抗剪等計(jì)算方 法以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行總結(jié)分析 著重對(duì)栓釘連接件的相關(guān)實(shí)驗(yàn) 工作機(jī)理 破壞 方式以及栓釘?shù)某休d力進(jìn)行了系統(tǒng)介紹 為后面有限元模型的分析建立理論基 礎(chǔ) 應(yīng)用a n s y s 有限元軟件對(duì)清華大學(xué)己做的實(shí)驗(yàn)組合梁進(jìn)行同等條件模擬 并 驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性 分別建立兩組合高性能組合梁與普通組合梁 分析他們?cè)?相同截面和作用力的情況下受力 變形 栓釘剪力以及滑移等的影響 結(jié)果表明 高性能組合梁在受力 變形以及滑移方面都比普通組合梁的較為有利 最后再建 立六組截面尺寸及配筋相同而連接度不同的高性能組合梁 通過(guò)改變栓釘連接度 分析它對(duì)高性能組合梁產(chǎn)生的影響 結(jié)果表明連接度對(duì)組合梁的承載力 變形以 及滑移都有明顯影響 同時(shí)也給出了影響的具體情況 為高性能組合梁的設(shè)計(jì)與 應(yīng)用提供參考 關(guān)鍵詞 高性能鋼一混凝土組合梁 縱向滑移 縱向抗剪 栓釘承載力 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 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通火學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特授權(quán)北京交 通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 并采用影印 縮印或掃 描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印 件和磁盤(pán) 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明 學(xué)位論文作者簽名 導(dǎo)師簽名 簽字日期 年月日簽字日期 年 月日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所是交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得北京交通人學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料 與我一同工 作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 簽字日期 年月日 5 9 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師高日教授的悉心指導(dǎo)下完成的 高日教授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?治學(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響 在此衷心感謝兩年來(lái)高日 老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo) 高日教授悉心指導(dǎo)我們完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作 在學(xué)習(xí)上和生活上都給予 了我很大的關(guān)心和幫助 在此向高日老師表示衷心的謝意 高同教授對(duì)于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見(jiàn) 在此表示衷心 的感謝 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫(xiě)論文期間 栗榮剛等同學(xué)對(duì)我論文中的研究工作給予了 熱情幫助 在此向他們表達(dá)我的感激之情 另外也感謝家人 他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè) 1 1 高性能材料研究與應(yīng)用 1 1 1 高性能鋼 1 3 1 緒論 高性能鋼材主要是指材料的某項(xiàng)或幾項(xiàng)性能較普通鋼材得到改善的鋼材 主要分為高強(qiáng)度鋼材和普通強(qiáng)度高性能鋼材 1 高強(qiáng)度鋼 在高層 大跨度結(jié)構(gòu)建設(shè)中 使用高強(qiáng)度鋼材可減薄所用鋼板的厚度 從 而減輕結(jié)構(gòu)的重量 獲得大跨度 且方便施工 選用承重鋼結(jié)構(gòu)的鋼材時(shí) 如 能取得較高的經(jīng)濟(jì)效益 應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)度低合金鋼 在普通鋼材中加入少量 的合金元素來(lái)提高鋼材的承載力 使鋼材發(fā)揮更高的效能 低合金鋼按照新的 鋼材牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn) q 3 4 5 鋼包括5 種鋼材 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 鋼包括3 種鋼材 即1 5 m n v 1 5 m n t i 1 6 m n n b 而q 4 2 0 鋼則包括2 種鋼材 即1 5 m n v n 1 4 m n v t i r e q 4 2 0 鋼是這次規(guī)范新推薦的鋼種 強(qiáng)度較高 雖然q 4 2 0 鋼的統(tǒng)計(jì)資料尚不夠充分 也沒(méi)有足夠的使用經(jīng)驗(yàn) 但其中的1 5 m n v n 曾用于九 江長(zhǎng)江大橋 2 耐候鋼 耐候鋼是指在惡劣環(huán)境條件下 主要是指腐蝕較強(qiáng)的環(huán)境 具有較強(qiáng)工作 性能的鋼材 為了降低橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)與維修成本 耐候鋼在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng) 用正在日益增加 耐候鋼在無(wú)涂裝使用時(shí) 影響腐蝕的最主要因素是大氣中的 鹽分含量 具體結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況由鹽分附著容易與否和濕度決定 還與有無(wú)雨 水沖洗有關(guān) 在濕度高 腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境條件下 結(jié)構(gòu)鋼的防腐性能將成為設(shè) 計(jì)考慮的重點(diǎn) 近年來(lái) 日本的鋼鐵制造商推出了一些新的耐候鋼 部分已經(jīng) 投入實(shí)際應(yīng)用 這些新的耐候鋼能減少材料在大氣中有鹽分環(huán)境條件下的腐蝕 且不引起過(guò)量層狀撕裂和無(wú)粘節(jié)的片狀銹物 與傳統(tǒng)鋼材的化學(xué)成分相比 這 些新型耐候鋼是低合金鋼 不含鉻 但含有鈮 鉬 磷 鈦等元素 根據(jù)含鹽環(huán) 境中進(jìn)行的暴露試驗(yàn) 這些鋼的腐蝕損失比普通鋼少 工程實(shí)踐中 耐候鋼不涂裝就可以使用 是極好的結(jié)構(gòu)用材 并且可以將 鋼結(jié)構(gòu) 如橋梁 壽命期內(nèi)的總費(fèi)用降到最低 3 高焊接性能鋼 焊接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性和金屬在一定的焊接方法 焊 接材料 工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式條件下 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度 焊接工 藝中 焊接預(yù)熱是一個(gè)關(guān)鍵因素 控溫控軋技術(shù) t m c p 技術(shù) 是高性能鋼板降低 焊接預(yù)熱溫度所采用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 最初僅用于4 9 0 n m m 二級(jí)鋼 屈服強(qiáng)度 3 5 5 m p a 采用t m c p 技術(shù)的7 8 0 m p a 級(jí)鋼 屈服強(qiáng)度 6 8 5 m p a 在商業(yè)上的應(yīng)用始 于日本明石海峽橋的加勁鋼板 普通7 8 0 m p a 級(jí)鋼焊接時(shí)需要1 2 0 c 以上的預(yù)熱 溫度 這帶來(lái)了各方面的問(wèn)題 比如由熱膨脹引起的構(gòu)件變形和高溫所帶來(lái)的 工作荷載增加 因此 不需要預(yù)熱或預(yù)熱溫度較低的高性能鋼板應(yīng)運(yùn)而生 并 且在日本明石海峽大橋項(xiàng)目中得到了大量的應(yīng)用 4 高韌性鋼 在寒冷工作條件下 鋼板的沖擊韌性對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能非常重要 修建在 寒冷地區(qū)的橋梁用鋼要求在最低環(huán)境溫度的條件下能保證沖擊韌性 目前用于 橋梁鋼板的標(biāo)準(zhǔn)要求必須保證o c 或一5 c 時(shí)的韌性 有時(shí)甚至要保證一2 0 c 和 一4 0 時(shí)的良好韌性 一般來(lái)說(shuō) 橋梁鋼材在寒冷工作條件下 其應(yīng)變的時(shí)效效應(yīng)將降低鋼板的 韌性 降低的幅度與鋼板的制作方法有關(guān) 通過(guò)減少碳 磷 硫和氮的含量 細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)及引入t m c p 技術(shù) 可以減少鋼板韌性降低的幅度 對(duì)于耐候鋼來(lái) 說(shuō) 可以通過(guò)引入t m c p 技術(shù)來(lái)增加其韌性 5 抗強(qiáng)疲勞性能鋼 工程上 疲勞主要是指金屬材料在應(yīng)力的反復(fù)作用下 由于內(nèi)部微小的缺 陷或應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形 萌生裂紋 隨著外力反復(fù)作用次數(shù)的增加 微 小的裂紋逐漸擴(kuò)展 最后導(dǎo)致材料開(kāi)裂或破壞 目前改善鋼材疲勞性能的途徑主要有 通過(guò)磁化提高結(jié)構(gòu)疲勞性能 通過(guò) 細(xì)化鋼材晶?？梢愿纳频椭芷谛阅?通過(guò)加入微量鎂和鋯可改善鋼材的低周 疲勞性能 通過(guò)這些方法提高材料抗裂紋產(chǎn)生的能力 延遲材料產(chǎn)生裂紋的萌 生期 從而達(dá)到提高鋼材疲勞性能的目的 1 1 2 高性能鋼材的應(yīng)用 高性能鋼材在結(jié)構(gòu)及橋梁工程的應(yīng)用將具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì) 橋梁結(jié)構(gòu)中使用 高性能鋼材 會(huì)使得材料的用量減少了 當(dāng)然原材料及其加工費(fèi)用卻有可能提 高許多 高性能鋼材價(jià)格昂貴方面的缺點(diǎn)使得在許多結(jié)構(gòu)中采用這種材料不經(jīng) 濟(jì) 但對(duì)于某些結(jié)構(gòu) 如果高性能鋼材用在結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)牟课?減少材料用量所 節(jié)省的費(fèi)用卻足以彌補(bǔ)高性能鋼材昂貴的花費(fèi) 結(jié)構(gòu)材料用量減少 自重也會(huì) 2 減小 對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu) 又可進(jìn)一步減小橋墩的尺寸 使施工相對(duì)簡(jiǎn)便 工程造 價(jià)降低 由此 材料替換所取得的經(jīng)濟(jì)效益可導(dǎo)致整個(gè)工程總造價(jià)的降低 1 9 6 3 年美國(guó)推出了h p s i o o w 鋼 1 9 6 9 年列入美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì) a s t m 標(biāo)準(zhǔn) 并在美國(guó)橋梁建設(shè)中沿用至今 1 9 9 5 年由美國(guó)聯(lián)邦公路局 f h w a 美海 軍 美鋼鐵學(xué)會(huì) a i s i 共同開(kāi)發(fā)出另一種耐腐蝕鋼h p s 7 0 w 其屈服強(qiáng)度為 4 8 3 m p a 并于1 9 9 6 年應(yīng)用于美國(guó)田西納州杰克遜縣的一座橋梁上 我國(guó)在九 江長(zhǎng)江大橋中已成功使用的q 4 2 0 鋼 并列入了g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 范 中 黑龍江電視塔一龍塔處于高寒地區(qū) 冬季氣溫可降低到一4 0 要考 慮材料的低溫沖擊韌性 u 蕪湖長(zhǎng)江大橋是公路 鐵路兩用 橋 低塔斜拉橋 跨度3 1 2 m 采用1 4 m n n b 鋼 鋼板厚度由2 4 m m 發(fā)展到5 6 m m 采用栓焊混合連接 1 1 3 高性能混凝土的研究和應(yīng)用 對(duì)高性能混凝土的定義或含義 國(guó)際上迄今為止尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理解 各個(gè)國(guó)家不同人群有不同的理解 一般說(shuō)來(lái) 高性能混凝土是指高強(qiáng) 高耐久 性 高工作性 一些美國(guó)學(xué)者更強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性 北美型 歐洲學(xué)者 更注重耐久性 歐洲型 而日本學(xué)者偏重于高工作性 日本型 這可能由于日 本更重視混凝土振搗工藝對(duì)工人聽(tīng)力的不利作用 而推廣不需振搗的自密實(shí)混 凝土 在我國(guó) 對(duì)高性能混凝土的含義也有爭(zhēng)論 馮乃謙 開(kāi)宗明義地指出了 高性能混凝土必須是高強(qiáng)的 因?yàn)橐话闱闆r下高強(qiáng)對(duì)耐久性有利 同時(shí)他認(rèn)為 高性能混凝土發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)是現(xiàn)在有了好的摻合料和減水劑 因此高性能混 凝土必須摻摻合料 馮乃謙的這些觀點(diǎn)代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)大多數(shù)混凝土學(xué)者對(duì)高 性能混凝土的認(rèn)識(shí) 吳中偉 針對(duì)當(dāng)時(shí)科研界過(guò)度追求高強(qiáng)度的趨向 及時(shí)提 出 有人認(rèn)為高強(qiáng)度必須高耐久性 這是不全面的 因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)?lái)不 利于耐久性的因素 高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土 如c 3 0 混凝 土 吳中偉 高度重視耐久性 并早在1 9 8 6 年就提出高強(qiáng)未必一定高耐久 低 強(qiáng)也不 定就不耐久的觀點(diǎn)是非常有前瞻性的 而且今天他的這個(gè)觀點(diǎn)也是正 確的 1 9 9 0 年5 月由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 n i s t 與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì) a c i 主辦了第一屆高性能混凝土的討論會(huì) 定義高性能混凝土為具有所需性能要求 的勻質(zhì)混凝土 必須采用嚴(yán)格的施工工藝 采用優(yōu)質(zhì)材料配制的 便于澆搗 不離析 力學(xué)性能穩(wěn)定 早期強(qiáng)度高 具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的 混凝土 1 9 9 8 年美國(guó)a c i 又發(fā)表了一個(gè)定義為 高性能混凝土是符合特殊性 能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土 如果采用傳統(tǒng)的原材料組分和一般的拌和 澆 筑與養(yǎng)護(hù)方法 未必總能大量地生產(chǎn)出這種混凝土 而歐洲混凝土學(xué)會(huì)和國(guó)際 預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)則將高性能混凝土定義為水膠比低于0 4 0 的混凝土 在日 本 將高流態(tài)的自密實(shí)混凝土 即免振混凝土 稱為高性能混凝土 強(qiáng)度一般為 4 0 4 5m p a 混凝土中除水泥外 還有礦渣粉 粉煤灰及膨脹劑 2 0 0 3 年廉慧珍教授 1 專門撰文反思了對(duì)高性能混凝土的理解存在的若干誤 區(qū) 造成對(duì)高性能混凝土使用的盲目和混亂 她對(duì)高性能混凝土的理解為 高 性能混凝土不是混凝土的 個(gè)品種 而是達(dá)到工程結(jié)構(gòu)耐久性的質(zhì)量要求和目 標(biāo) 是滿足不同工程要求的性能和具有勻質(zhì)性的混凝土 近年 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng) 建筑業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之 一也得到了快速發(fā)展 由于目前我國(guó)建筑主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式 因此 混凝土的消耗量在逐年遞增 據(jù)統(tǒng)計(jì) 2 0 0 5 年混凝土用量為1 5 億立方米 建 筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一 要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 就必須調(diào)整建筑材料 消耗結(jié)構(gòu) 大力推廣應(yīng)用高性能混凝土 走節(jié)約型發(fā)展道路 隨著高層 超高 層和大跨度結(jié)構(gòu)工程的出現(xiàn) 對(duì)高強(qiáng)度 高性能混凝土提出了更高的要求 過(guò) 去采用c 6 0 高強(qiáng)度混凝土的工程都不多 現(xiàn)在 不僅生產(chǎn)和使用c 6 0 高強(qiáng)度混 凝土已經(jīng)相當(dāng)普遍 而且開(kāi)始使用c 8 0 甚至c 1 0 0 在建筑物的梁 柱結(jié)構(gòu)中采 用高強(qiáng)度混凝土優(yōu)越性非常明顯 在同等條件下 混凝土強(qiáng)度越高 其結(jié)構(gòu)構(gòu) 件的尺寸 體積就會(huì)相對(duì)減少 混凝土用量也將成比例地減少 同時(shí)由于結(jié)構(gòu) 斷面的減少 不但使建筑物在觀感上給人以舒適的感覺(jué) 而且增加了建筑物的 實(shí)際使用面積 經(jīng)濟(jì)效益非常明顯 對(duì)橋梁來(lái)說(shuō) 高性能混凝土除高耐久與高 強(qiáng)要求外 又增加了輕質(zhì)的要求 因?yàn)闃蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)使用輕質(zhì)高性能混凝土 容 重約1 9 t m 3 橋梁自重減輕了 可以降低橋梁下部結(jié)構(gòu)的成本 輕質(zhì)高強(qiáng) 5 6 7 4 m p a 的高性能混凝土已經(jīng)成功地在一些工程中應(yīng)用 高性能混凝土在我國(guó)實(shí) 際工程中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 尤其是在高層建筑 大跨度橋梁 海上采 油平臺(tái) 礦井工程 海港碼頭等工程中的應(yīng)用日益增多 例如 上海金茂大廈 c 6 0 北京靜安中心大廈 c 8 0 遼寧物產(chǎn)大廈 c 8 0 南京希爾頓國(guó)際大酒店 c 3 0 和c 5 0 長(zhǎng)春國(guó)際商貿(mào)城 c 5 5 廣州虎門大橋 c 5 0 上海楊涌大橋 c 5 0 等都是應(yīng)用的典范 有理由相信 高性能混凝土將獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 并 且會(huì)成為2 l 世紀(jì)工程建設(shè)的優(yōu)選材料 正如中國(guó)工程院院士陳肇元教授 所 述 高性能混凝土是混凝土技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物 它的生產(chǎn)需要有素質(zhì)的操作人員 較完善的生產(chǎn)設(shè)備和高水平的質(zhì)量管理控制 推廣應(yīng)用高性能混凝土 我們應(yīng) 不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn) 對(duì)推廣應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題 不斷地進(jìn)行研究并盡快給予解決 隨著高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用量的不斷增大 我國(guó)建筑業(yè)的整體水平將 得到很大的提高 4 1 2 鋼一混凝土組合梁發(fā)展動(dòng)態(tài) 1 2 1 組合梁的起源 9 1 建筑和橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及抵抗與承受荷載 因?yàn)闆](méi)有更好的材料像 鋼筋混凝土那樣有低造價(jià) 高強(qiáng)度 并且耐腐蝕 耐磨損 耐火的優(yōu)點(diǎn) 除了 大跨度橋梁外 一般樓板 橋面板均使用鋼筋混凝土 對(duì)于跨度大于幾米的情 況 將板放置在墻或梁上比單純?cè)黾影搴褚?jīng)濟(jì) 單梁也是鋼筋混凝土的情況 下 結(jié)構(gòu)的整體式特性使得板可充當(dāng)梁的上部翼緣 當(dāng)跨度超過(guò)l o m 特別是 在鋼易于被火破壞的敏感性不成問(wèn)題的情況下造價(jià)低 過(guò)去常常習(xí)慣于將鋼架 設(shè)計(jì)成既承受混凝土板自重又承受混凝土板的荷載 現(xiàn)在剪力連接件的發(fā)展使 剪力連接件的連接板與梁中得到應(yīng)用 取得了已被長(zhǎng)期使用的混凝土t 型梁的 效果 1 9 2 6 年 j k a h n 依據(jù)上述思想 在鋼梁上外包混凝土 并在它們之間加 入各式各樣的連接件 獲得了組合構(gòu)件的專利權(quán) 標(biāo)志著鋼一混凝土組合構(gòu)件的 出現(xiàn) 1 2 2 鋼一混凝土組合梁特點(diǎn)n 訂 由于組合梁能按照各組成部件所處的受力位置和特點(diǎn) 較大限度地發(fā)揮了 鋼與混凝土各自材料的特性 所以不但滿足了結(jié)構(gòu)的功能要求 而且也有較好 的經(jīng)濟(jì)效益 概述起來(lái) 組合梁的特點(diǎn)有 1 充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自材料的特性 尤其對(duì)于簡(jiǎn)支梁 鋼一 混凝土組合梁截面的上緣受壓 下緣受拉 正好發(fā)揮了混凝土受壓性能好和鋼 材受拉性能好的長(zhǎng)處 2 節(jié)省鋼材 實(shí)踐表明 由于鋼筋混凝土板參與了共同工作 提高了梁 的承載能力 減少了鋼梁上翼板的截面 組合梁方案與鋼結(jié)構(gòu)方案比較 可節(jié) 省2 0 4 0 每平方米造價(jià)可降低1 0 3 0 3 增大了梁的鋼度 組合梁方案和鋼梁方案相比較 由于鋼筋混凝土板 有效參加工作 截面剛度大 梁的撓度減小1 3 1 2 另外 還可提高梁的自 振頻率 4 減少結(jié)構(gòu)高度 組合梁和鋼梁或者鋼筋混凝土相比可減少結(jié)構(gòu)高度 對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu) 若每層減少十幾厘米 數(shù)十層累計(jì)將是一個(gè)可觀的數(shù)字 從而可降低整個(gè)房屋造價(jià) 對(duì)于橋梁 由于結(jié)構(gòu)高度減小 可以降低橋面標(biāo)高 減小兩端路堤長(zhǎng)度 5 組合梁可利用己安裝好的鋼梁支模板 然后澆注混凝土板 節(jié)約了模 板的費(fèi)用 對(duì)于高度較大的大跨度結(jié)構(gòu) 如棧橋 這一優(yōu)點(diǎn)就更為突出 6 抗震性能好 噪音小 由于組合梁整體性強(qiáng) 抗剪性能好 表現(xiàn)出了 良好的抗震性能 組合梁一開(kāi)始出現(xiàn)就廣泛地在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用 另外 組合 梁在活載作用下比全鋼梁橋的噪音小 在城市中采用組合梁橋更合適 7 耐火等級(jí)差 耐腐蝕性差 耐火等級(jí)高的房屋結(jié)構(gòu) 需對(duì)鋼梁涂耐火 涂料 對(duì)有水流的組合梁橋需采取防腐措施 8 在鋼梁制作過(guò)程中需要增加焊接件的工序 有的連接件需要專門的焊 接工藝 有的連接件在鋼梁吊裝就位后還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校正 1 2 3 鋼一混凝土組合梁的發(fā)展 9 m 1 1 1 2 1 鋼一混凝土組合梁從開(kāi)始出現(xiàn)到現(xiàn)在 其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 從橋梁結(jié)構(gòu)上 的大跨橋面梁 工業(yè)建筑上的重荷載平臺(tái)梁和吊車梁 到要求所用梁截面高度 小 自重輕的民用建筑中的組合樓層 都有廣泛應(yīng)用 它的應(yīng)用發(fā)展大致可分 為四個(gè)階段 1 鋼一混凝土組合梁大約出現(xiàn)于2 0 世紀(jì)2 0 年代 當(dāng)時(shí)主要考慮防火的 要求 在鋼梁外面包圍混凝土 而未考慮兩者的組合工作效應(yīng) 隨后 在3 0 年 代中期出現(xiàn)了在鋼梁和混凝土板之間加入各式各樣連接件的構(gòu)造方法 2 從2 0 世紀(jì)4 0 年代到6 0 年代可認(rèn)為是組合梁發(fā)展的第二階段 在這 一階段 對(duì)組合梁開(kāi)始進(jìn)行深入 細(xì)致的試驗(yàn)研究 6 0 年代前主要是應(yīng)用彈性 理論分析的 許多技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家都制定了有關(guān)組合的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程 最早 的組合梁設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程大都針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu) 美國(guó)頒布于1 9 4 4 年 1 9 4 4 年美 國(guó)州際公路協(xié)會(huì) a s s h o 制定的 公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 單獨(dú)列出了組合梁有 關(guān)規(guī)定的章節(jié) 1 9 4 6 年美國(guó) 房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制造安裝規(guī)范 也列入組合梁 的內(nèi)容 德國(guó)頒布于1 9 4 5 年 1 9 5 5 年德國(guó)制定了 橋梁組合梁 d i n l 0 7 8 1 9 5 6 年制定了 房屋建筑組合梁 d i n 4 2 3 9 標(biāo)準(zhǔn) 日本制定于1 9 5 9 年 各 國(guó)應(yīng)用和研究鋼一混凝土組合梁幾乎都是從橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)始的 3 從2 0 世紀(jì)6 0 年代到8 0 年代可認(rèn)為是組合梁發(fā)展的第三階段 本階 段在總結(jié)以前研究和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上 迸一步改進(jìn)了有關(guān)組合梁設(shè)計(jì)規(guī)范或 規(guī)程 6 0 年代后開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)為塑性理論分析 隨著鋼產(chǎn)量的增加和高層建筑 的發(fā)展 使得組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展幾乎日趨趕上鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展 各國(guó)3 0 層以 上的高層建筑中有2 0 采用了壓型鋼板混凝土組合樓蓋 其中也包括組合梁 早在1 9 6 0 年美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)及鋼筋混凝土協(xié)會(huì)就聯(lián)合組成了a i s c a c i 組合梁 聯(lián)合委員會(huì)開(kāi)展工作 1 9 6 5 年英國(guó)制定了 鋼與混凝土結(jié)構(gòu) 房屋建筑中的簡(jiǎn) 6 支梁 及1 9 6 7 年制定了 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu) 橋梁 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 幾乎同時(shí) 1 9 6 6 年印度標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制定了 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 日本于1 9 7 5 年制定了 組 合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工指南及說(shuō)明 最值得注意的是 在國(guó)際土木工程師協(xié)會(huì)聯(lián)合 委員會(huì)主持下 于1 9 7 1 年由歐洲國(guó)際混凝土協(xié)會(huì) c e b 歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì) e c s s 國(guó)際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會(huì) f i p 以及國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì) i a b s e 共 同成立了組合結(jié)構(gòu)委員會(huì) 并于1 9 8 1 年制定并公布了 鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)規(guī) 程 它除了廣泛反映各國(guó)在2 0 世紀(jì)7 0 年代及以前的科研成果外 還第一次對(duì) 組合結(jié)構(gòu)引用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則 把組合梁的設(shè)計(jì)提高到了一個(gè)新的階段 可見(jiàn) 組合結(jié)構(gòu)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)展為繼鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以后的一種新型 結(jié)構(gòu) 受到廣泛重視 4 從2 0 世紀(jì)8 0 年代初至今 為組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用和發(fā)展的第四階段 進(jìn)入 8 0 年代 相繼出現(xiàn)了預(yù)制裝配式鋼一混凝土組合梁 預(yù)應(yīng)力鋼一混凝土組合梁和 用壓型鋼板作為樓層混凝土板底模的組合梁等多種型式的組合梁 1 9 8 4 年 在 英國(guó)對(duì)該規(guī)定 組合結(jié)構(gòu)規(guī)范 進(jìn)行了修改補(bǔ)充 形成了 歐洲規(guī)范4 草 案 隨后 1 9 8 5 年 歐洲規(guī)范4 由歐洲共同體委員會(huì) c e c 首次正式頒布 此外 歐洲共同體委員會(huì)決定把歐洲規(guī)范的制訂工作移交給歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) c e n 近年來(lái) 隨著組合結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用的深入和發(fā)展 歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在 對(duì) 歐洲規(guī)范4 進(jìn)行修訂 修訂后的 歐洲規(guī)范4 分兩部分 第一部分草案 已于1 9 9 2 年由歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布 我國(guó)在2 0 世紀(jì)5 0 年代初期開(kāi)始研究組合梁結(jié)構(gòu) 之后在公路 鐵路橋梁 方面得到應(yīng)用 1 9 5 6 年 鐵道部編制組合梁標(biāo)準(zhǔn)圖并成功地應(yīng)用于烏江橋及衡 陽(yáng)的湘江橋等橋梁中 1 9 5 6 年修建的武漢長(zhǎng)江大橋上層公路橋也采用了組合梁 結(jié)構(gòu) 1 9 7 4 年 我國(guó)交通部頒發(fā)的 公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 及時(shí)1 9 8 6 年頒發(fā)的 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 j t j 0 2 5 8 6 對(duì)組合梁的構(gòu)造與計(jì)算 作了有關(guān)規(guī)定 在房屋建筑方面 早在2 0 世紀(jì)5 0 年代 北京鋼鐵工業(yè)建筑設(shè) 計(jì)研究總院對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)就進(jìn)行了研究 6 0 年代 當(dāng)時(shí)的北京工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院 和建筑研究院 北京鋼鐵設(shè)計(jì)總院等單位用組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)工廠樓蓋 吊車梁 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來(lái) 我國(guó)對(duì)組合梁的性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究 取得了可喜 的成果 在此基礎(chǔ)上 我國(guó)有關(guān)部門新修訂 編制了 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 g b j l 7 8 8 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程 和 火力發(fā)電廠主廠房組合結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定 等規(guī)范 上述規(guī)范 規(guī)程中均包括了組合梁的內(nèi)容 但均未 給出組合梁抗扭設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)條款 組合梁在實(shí)際的工程中已經(jīng)推廣很廣 北京國(guó)際技術(shù)培訓(xùn)中心的兩幢1 8 層 樓 樓蓋結(jié)構(gòu)彩冷彎薄壁型鋼一混凝土簡(jiǎn)支組合梁 跨度6 m 間距1 5 m 組合梁 7 全高3 0 0 r a m 包括混凝土樓板厚度 組合樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以試驗(yàn)研究成果為依 據(jù)的 剪力連接件設(shè)計(jì)節(jié)省栓釘用量達(dá)4 7 與鋼筋混凝土疊合樓板相比較 結(jié)構(gòu)自重降低2 9 水泥節(jié)約3 4 鋼材消耗節(jié)約2 2 木材消耗節(jié)約7 造價(jià) 降低5 施工周期縮短2 5 并且使建筑標(biāo)準(zhǔn)提高了一大步 為我國(guó)城鎮(zhèn)住宅 建設(shè)提供了一種輕型 優(yōu)質(zhì) 大跨的樓蓋結(jié)構(gòu)形式 這種新型組合組合梁在高 層建筑樓蓋結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景 有利于推動(dòng)大開(kāi)間靈活分隔的高層建 筑的發(fā)展 在橋梁方面組合梁的應(yīng)用也取得了舉世公認(rèn)的進(jìn)步 1 9 9 4 年建成的上海南 浦大橋?yàn)榭鐝? 2 5 m 的斜拉橋 其加勁梁采用了鋼一混凝土組合梁結(jié)構(gòu) 故又稱 為鋼一混凝土組合梁斜拉橋 近年在北京 上海等城市的立交建設(shè)中 鋼一混凝 土組合梁橋由于其跨越能力大 建筑高度小 抗震性能好以及施工速度快等優(yōu) 點(diǎn) 得到了廣泛的應(yīng)用 建成了以北京航天橋 主跨7 3 m 和朝陽(yáng)橋 主跨6 4 m 為代表的一批鋼一混凝土組合連續(xù)梁橋 取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 這些工程 也為進(jìn)一步擴(kuò)大鋼一混凝土組合梁橋在公路及城市橋梁工程中的應(yīng)用 積累了寶 貴的經(jīng)驗(yàn) 1 2 4 高性能鋼一混凝土組合梁 日本 美國(guó) 英國(guó) 前蘇聯(lián)及加拿大等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家自2 0 世紀(jì)6 0 年代就開(kāi)始 了鋼與混凝土組合梁性能研究 比較深入 應(yīng)用也比較廣泛 并取得了顯著的經(jīng) 濟(jì)效益和社會(huì)效益 相繼制定了內(nèi)容豐富的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程 目前 國(guó)外一些學(xué) 者將數(shù)值計(jì)算理論引入組合梁 但主要假定材料為線彈性的 從國(guó)外的研究情況看 盡管國(guó)外對(duì)鋼與混凝土組合梁的研究作了很多工作 但是對(duì)鋼與混凝土組合梁中的交接面滑移對(duì)組合梁的承載力 變形 組合截面應(yīng) 力傳遞等 的影響 混凝土徐變對(duì)組合梁受力性能的影響及其計(jì)算方法 非線性 分析與設(shè)計(jì)理論等研究較少 特別是對(duì)綜合考慮交接面連接剛度 混凝土的徐變 及施工順序與方法等對(duì)組合梁受力性能影響的研究更少 有的問(wèn)題即使研究過(guò) 也只是做了定性分析 很多問(wèn)題有待于解決 而對(duì)采用鋼和高強(qiáng)混凝土形成的鋼 與高強(qiáng)混凝土組合梁的受力性能研究目前尚未見(jiàn)到有關(guān)報(bào)道 我國(guó)對(duì)鋼與混凝土組合梁的研究始于8 0 年代 研究方法多是借助于國(guó)外的研 究方法 并很快將研究成果應(yīng)用到工業(yè)廠房 高層建筑 大跨度橋梁及城市立交 橋等實(shí)際工程中去 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 盡管我國(guó)對(duì)鋼與普通 輕 骨料 混凝土組合梁作了研究 但在某些方面研究尚不夠完善 在某些方面可以 說(shuō)是空白 而國(guó)外對(duì)鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁的研究比較早 在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到有關(guān) 報(bào)道 徐亞豐等 基于鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限 狀態(tài)下的工作機(jī)理基礎(chǔ)上 通過(guò)分析鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁的高度的組成 確定 出梁的混凝土的高度吃及型鋼腹板凈高度h 為設(shè)計(jì)變量 并以以與吃 之和為目 標(biāo)函數(shù) 在考慮彎曲約束條件 剪切約束條件 變形約束條件 整體穩(wěn)定約束條 件的情況下 分別按彎曲強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度和變形約束的要求對(duì)組合梁高度取值的 優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討 得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果 為降低組合梁的高度提供了理 論根據(jù) n c l 許偉等 通過(guò)鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁的試驗(yàn)研究 得到其荷載一撓度曲線 分析其變形性能 在荷載作用下 鋼梁與混凝土板交接面處出現(xiàn)相對(duì)滑移 導(dǎo)致 組合梁的承載力降低 剛度變小 變形加大 考慮交接面相對(duì)滑移對(duì)鋼與高強(qiáng)混 凝土組合梁的變形影響 利用彈性分析理論建立了鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁的變形 微分方程 得到了跨中集中荷載 均布荷載及對(duì)稱集中荷載作用下的鋼與高強(qiáng)混 凝土組合梁的變形計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 二者吻合良好 許偉等 研究了4 根鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁的抗裂性能 試驗(yàn)表明 當(dāng)荷載 達(dá)到極限荷載的4 0 左右 微裂縫首先在加載點(diǎn)下的混凝土板底面出現(xiàn) 然后在 加載點(diǎn)問(wèn)逐漸增加 最后裂縫貫穿板頂?shù)玫浇M合梁的混凝土板及型鋼應(yīng)變與荷 載關(guān)系的曲線 分析鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁工作機(jī)理 利用彈性分析理論建立鋼 與高強(qiáng)混凝土組合梁開(kāi)裂荷載的計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 二者吻合 良好 給出了鋼與高強(qiáng)混凝土組合梁裂縫寬度的計(jì)算公式 聶建國(guó)等 為了研究鋼一高強(qiáng)混凝土組合梁在靜載作用下的抗彎性能 完成 了8 根鋼一高強(qiáng)混凝土組合梁在跨中兩點(diǎn)對(duì)稱荷載作用下的試驗(yàn) 對(duì)其受力性能進(jìn) 行了分析 并探討了翼緣板混凝土強(qiáng)度 鋼梁屈服強(qiáng)度和翼緣板寬度對(duì)組合梁正 截面受彎承載力 延性的影響 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和理論分析 對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中組合梁 正截面受彎承載力計(jì)算公式進(jìn)行了補(bǔ)充修正 以拓寬計(jì)算公式中翼緣板混凝土強(qiáng) 度的適用范圍 為高強(qiáng)混凝土在鋼一混凝土組合梁中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù) 許偉等u 采用a n s y s 通用有限元軟件 針對(duì)鋼與高強(qiáng)混凝土連續(xù)組合梁本身 結(jié)構(gòu)及受力性能的復(fù)雜性 考慮材料非線性 提出了一個(gè)對(duì)鋼與高強(qiáng)混凝土連續(xù) 組合梁從加載到破壞的全過(guò)程非線性分析模式 對(duì)鋼與高強(qiáng)混凝土連續(xù)組合梁連 接件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析 研究連接件的布置方式對(duì)連續(xù)組合梁的影響 完善鋼與高強(qiáng) 混凝土連續(xù)組合梁中抗剪連接件的設(shè)計(jì)理論 敦志毅等u 副在分析國(guó)內(nèi)外鋼一混凝土組合梁各種剪切連接件形式的基礎(chǔ) 上 著重闡述了鋼一高強(qiáng)混凝土組合梁中栓釘連接件的受力性能和承載力計(jì)算 方法 提出了有待完善的地方 9 1 3 組合梁的受力性能研究概況 1 3 1 組合梁豎向抗剪研究 目前各國(guó)有關(guān)規(guī)范都規(guī)定按塑性理論設(shè)計(jì)時(shí) 組合截面的豎向抗剪計(jì)算均 不計(jì)混凝土翼緣部分的影響 僅考慮鋼梁腹板的抗剪作用 對(duì)于密實(shí)組合截面 的簡(jiǎn)支梁 在豎向受剪極限狀態(tài)時(shí) 認(rèn)為鋼粱腹板均勻受剪且達(dá)到鋼材塑性設(shè) 計(jì)抗剪強(qiáng)度 不考慮混凝土翼板的影響 j o h n s o nr p 的研究指出 對(duì)于混凝 土翼板的裂縫寬度小于0 5 m m 裂縫問(wèn)距在l o o m m 一 2 0 0 m m 之間的情況 如果不 考慮混凝土翼板內(nèi)縱筋的銷栓力作用 則混凝土的骨料咬合力能夠提供2 2 的 總抗剪能力 如果考慮混凝土翼板內(nèi)縱筋的作用 混凝土翼板抗剪能力隨著縱 筋面積與鋼梁面積之比的增加而增加 可達(dá)總抗剪能力的3 5 d a v i e s c 在6 根鋼一火山渣砼簡(jiǎn)支組合梁和6 根鋼一火山渣砼連續(xù)組合梁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上 探討影響組合梁豎向抗剪承載力的主要因素 混凝土翼板 名義剪跨比和力比 等 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果表明 在計(jì)算組合梁豎向抗剪承載力時(shí) 如果不考慮混凝 土翼板的作用 計(jì)算結(jié)果將趨于保守 對(duì)于連續(xù)組合粱還應(yīng)該考慮彎矩比的影 響 聶建國(guó)實(shí)驗(yàn) 表明 按公式 v h 實(shí)測(cè)值 一般僅為實(shí)測(cè)值的6 0 7 0 因此 建議在計(jì)算組合梁抗剪承截 力時(shí)應(yīng)考慮混凝土剪板的抗剪能力 并推導(dǎo)了考慮混凝土翼板抗剪承截力的組 臺(tái)截面抗剪承載力計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好 1 3 2 縱向抗剪研究 組合梁縱向抗剪的研究主要包括剪力連接件的承載力研究和混凝土板的縱 向抗剪研究 在組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用的早期已開(kāi)始了混凝土板的縱向抗剪研究 1 9 6 9 年 d a v i e s 所做的小尺寸的梁試驗(yàn)時(shí) 已發(fā)現(xiàn)板的縱向開(kāi)裂現(xiàn)象 并指出梁 的極限抗彎承載力隨著橫向鋼筋的減少而降低 當(dāng)橫向鋼筋配筋降低一定程度 時(shí) 會(huì)使混凝土板較早出現(xiàn)縱向開(kāi)裂而不能達(dá)到極限抗彎承載力 1 9 7 0 年 j o h n s o n m 怕訓(xùn)提出了影響板縱向開(kāi)裂的橫向鋼筋的設(shè)計(jì)公式 混 凝土板中的橫向鋼筋應(yīng)滿足 p l 1 2 6 v 一3 8 2 p p 2 8 0 l o 式中 p 一橫向鋼筋的配筋率 一縱向剪切面上的剪應(yīng)力 c 一混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 y 鋼筋的屈服強(qiáng)度 上式不僅強(qiáng)調(diào)橫向鋼筋的配筋率 還強(qiáng)調(diào)橫向鋼筋的位置 在板的上部和板 底部都應(yīng)該配置鋼筋 并且滿足一定的配筋率 橫向鋼筋的配筋率與混凝土的抗 壓強(qiáng)度和縱向剪應(yīng)力有關(guān) 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傳遞理論 認(rèn)為橫向鋼 筋的銷栓作用是抗剪承載力的主要部分 混凝土也具有一定的抗剪能力 此理論 為組合梁的剪切破壞提供了理論基礎(chǔ) a l a n h m a t t o c k 給出的計(jì)算混凝土剪 切面上的剪應(yīng)力的公式為 屹 2 0 0 p s i 0 8 p 痧 c r 式中 屹一縱向剪切面上的剪應(yīng)力 一橫向鋼筋的配筋率 吒 一垂直于剪切面方向上的外力作用在剪切面上產(chǎn)生的應(yīng)力 m a t t o c k 認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度變化對(duì)縱向抗剪強(qiáng)度影響很小 在公式中為定2 0 0 p s i r o 1 1 9 7 5 年 j o h n s o n 根據(jù)m a t t o c k 的剪力傳遞理論 給出了混凝土板的縱 向抗剪公式 認(rèn)為混凝土板的破壞為縱向剪切破壞 是由于為兩剪切面發(fā)生相互 的錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致混凝土板破壞 j o h n s o n 給出的縱向剪切面上的單位長(zhǎng)度受剪承載力 公式為 屹l 0 9 0 0 7 厶4 o 2 5 f 式中 s 一系數(shù) 取為1 n m m 2 u 一縱向受剪承載力截面的周長(zhǎng) 以m i l l 計(jì) 4 一縱向晃面單位長(zhǎng)度橫向鋼筋的截面面積 上述公式曾在組合梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛 1 9 7 5 年 m n e l g h a z z i m 釗等根據(jù)縱向剪切破壞模型 利用莫耳圓來(lái)分 析混凝土單元 此模型可分析出剪切破壞的開(kāi)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 開(kāi)始重視劈裂的研究 在 組合粱的推出試驗(yàn)研究中 對(duì)栓釘?shù)某休d力進(jìn)行了修正 其承載力不僅與混凝土 的強(qiáng)度及栓釘截面面積有關(guān) 還與焊縫的高度 混凝土抗拉強(qiáng)度 栓釘?shù)妮S心力 有關(guān) 混凝土板的開(kāi)裂的研究是通過(guò)推出試驗(yàn)和有限元分析來(lái)研究劈裂破壞的模 型及相關(guān)參數(shù) j o h n s o n 認(rèn)為組合梁混凝土板中栓釘把縱向剪力傳遞給混凝土板 縱向剪力作用在混凝土板上對(duì)混凝土板來(lái)說(shuō)為局部壓應(yīng)力 會(huì)在混凝土板中產(chǎn)生 橫向的拉應(yīng)力 當(dāng)橫向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土板就會(huì)發(fā)生劈裂破 壞 拉應(yīng)力的分布大約為1 7 5 b 兢為板寬 栓釘?shù)目v向間距影響拉應(yīng)力的重c 疊程度 下圖為橫向拉應(yīng)力的分布情況 a l 墨 卜舊j 單個(gè)集中力作用在板中產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)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 對(duì)橫截面上布置不同個(gè)數(shù)的栓釘?shù)慕M合 梁進(jìn)行了理論和有限元研究 主要是針對(duì)板的劈裂破壞 在試驗(yàn)中縱向雙排栓 釘?shù)慕M合梁出現(xiàn)了八字形的裂縫 但也出現(xiàn)了沿栓釘?shù)闹行木€的直裂縫 o e h l e r s 把組合梁的破壞歸結(jié)于剪切破壞 并指出縱向雙排栓釘?shù)幕炷涟逯?的局部壓應(yīng)力產(chǎn)生的橫向拉力與縱向單排栓釘產(chǎn)生的橫向拉力相比較 分布的 曲線有些不同 橫向拉應(yīng)力的長(zhǎng)度變短及橫向拉力變小 1 9 9 2 年 o e h l e r s 從理論上分析了混凝土板的開(kāi)裂會(huì)降低栓釘?shù)某?載力 指出縱向雙排栓釘組合梁 其栓釘總的承載力并不是單個(gè)的總和 由于 在橫向上單個(gè)栓釘?shù)淖饔瞄L(zhǎng)度會(huì)重疊 因此每個(gè)栓釘并不能達(dá)到自身的承載力 但總的承載力還是大于單個(gè)栓釘?shù)某休d力 橫向鋼筋不會(huì)防止劈裂的發(fā)生 但 可以延緩劈裂的開(kāi)展 并可以使的組合梁達(dá)到梁的極限抗彎承載力 但不會(huì)超 過(guò)其值 在剪切破壞時(shí) 混凝土?xí)纬?短柱 橫向鋼筋可以阻止其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng) 裂縫就會(huì)開(kāi)展的很慢 防止破壞的發(fā)生 而且栓釘?shù)拈g距也會(huì)影響破壞荷載的 大小 r 口t 2 0 0 3 年 c s s i m c p c h a n g 開(kāi)始研究連續(xù)組合梁的縱向抗剪問(wèn)題 我國(guó)對(duì)混凝土板的縱向開(kāi)裂的研究首先在鄭州工學(xué)院開(kāi)展 1 9 8 6 年 李 1 2 天 做了1 5 根縱向單排栓釘?shù)慕M合梁 按規(guī)定配置了橫向鋼筋 發(fā)現(xiàn)有1 0 根梁出現(xiàn)了縱向開(kāi)裂 根據(jù)p r j o h n s o n 對(duì)組合梁混凝土板受剪力連接件力傳 遞的縱向剪力進(jìn)行了討論 在板較薄或縱向單排栓釘時(shí) 混凝土板受栓釘傳遞 的剪力集中力以作用時(shí) 若p 產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力p t 達(dá)到混凝土板的抗拉強(qiáng) 度 混凝土板就會(huì)被拉裂 出現(xiàn)劈裂破壞 橫向鋼筋可以延緩開(kāi)裂的發(fā)展 并 提出根據(jù)桁架模型來(lái)計(jì)算橫向鋼筋的配置 用混凝土 短柱 傳遞斜向壓力而 橫向鋼筋承受水平拉力 上世紀(jì)9 0 年代初 鄭州工學(xué)院對(duì)縱向雙排栓釘混凝 土疊合板組合梁進(jìn)行了研究 發(fā)現(xiàn)在橫向鋼筋不足時(shí)組合梁會(huì)發(fā)生縱向剪切破 壞 橫向鋼筋對(duì)極限承載力影響較大 1 9 9 6 年 清華大學(xué)聶建國(guó) 王洪全 刈 也做了縱向單排栓釘?shù)慕M合梁的試驗(yàn) 混凝土板為預(yù)制板和現(xiàn)澆板的疊合板 發(fā)現(xiàn)橫向鋼筋的配筋率不同 組合梁的破壞形式也不同 橫向鋼筋的配筋率在 小于0 4 5 時(shí) 混凝土板為縱向劈裂破壞 在0 5 8 0 6 4 之間為彎剪破壞 大 于0 6 4 時(shí)為彎壓破壞 清華大學(xué)認(rèn)為組合梁剪跨內(nèi)混凝土板橫向拉應(yīng)力近似 為均勻分布 橫向拉應(yīng)力為 仃 堡 一2 k p 鏟君5 可 式中 j 一栓釘?shù)目v向間距 見(jiàn)一混凝土板的有效厚度 2 一剪切面上的橫向拉應(yīng)力 只 混凝土板受到的栓釘連接件的作用力 組合梁混凝土板由于受到栓釘連接件作用引起的橫向拉應(yīng)力作用而開(kāi)裂時(shí) 應(yīng)滿足的平衡條件為 o t 7 f n 七1 9 r 式中 y 一表示混凝土的抗拉塑性系數(shù) 取值范圍為1 0 一 1 5 其大小與混凝 土板的承壓面積有關(guān) 并隨荷載寬度減小而增大 當(dāng)為集中力時(shí)取值 為1 5 甜一混凝土的抗拉強(qiáng)度 仃 一表示把全跨內(nèi)橫向鋼筋所受拉力換算為在整個(gè)縱向劈裂面上均勻分 布的等效拉應(yīng)力 則聶建國(guó)得到的組合梁剪跨內(nèi)連接件內(nèi)力之和 即混凝土板軸心內(nèi)力n 為 n 4 9 2 d s t a f a 4 f r y a n f 圪 式中 d 一栓釘?shù)尼敆U直徑 a 一剪跨長(zhǎng) 4 一橫向鋼筋的總的截面面積 厶一橫向鋼筋的屈服強(qiáng)度 刀 一組合梁的連接度 圪一單個(gè)栓釘連接件的極限抗剪力 由此可以根據(jù)塑性理論確定組合梁極限縱向開(kāi)裂彎矩 以以而2 a 一舟 卜老 靴4 厶 以以 1 甜孝 m 一麗n 鄯 以厶 式中 彳 a 彳 一分別表示鋼梁截面和其腹板及翼緣截面的面積 疋 一表示鋼梁的屈服強(qiáng)度 c 一混凝土板的軸心抗壓強(qiáng)度 m f 鋼梁純彎曲時(shí)截面的塑性彎矩和軸壓時(shí)的屈服軸力 d 一混凝土板頂面至鋼梁截面形心的距離 縱向單排栓釘?shù)慕M合梁 混凝土板破壞形式通常為劈裂破壞 聶建國(guó)教授 的試驗(yàn)證明 當(dāng)混凝土板為疊合板時(shí) 混凝土板的破壞模式也為劈裂破壞 計(jì) 算橫向鋼筋的配筋率時(shí)同樣可以采用桁架模型 東北大學(xué)的蔣東紅博士 刪 4 1 1 也做了幾組縱向單排栓釘?shù)倪B續(xù)組合梁試驗(yàn) 同樣證實(shí)縱向單排栓釘?shù)慕M合梁 為劈裂破壞 1 3 3 組合梁抗剪研究存在的問(wèn)題 組合梁在實(shí)際的工程中應(yīng)用的比較多 但還存在許多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決 1 混凝土縱向抗剪能力不足 如果橫向鋼筋配置不夠或不當(dāng) 就可能 產(chǎn)生先于抗彎破壞的縱向劈裂破壞 這增加了設(shè)計(jì)和施工的難度 實(shí)際當(dāng)中不易 把握 2 各國(guó)規(guī)范對(duì)組合梁豎向抗剪計(jì)算均不計(jì)入混凝土翼板的影響 造成 了工程設(shè)計(jì)當(dāng)中材料的浪費(fèi) 3 相關(guān)文獻(xiàn)中考慮了混凝土翼板對(duì)豎向抗剪的影響 但在計(jì)算豎向剪 1 4 力時(shí) 只是將混凝土翼板和鋼梁各自的豎向剪力進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加 而沒(méi)有考慮 疊合面的相對(duì)滑移 抗剪連接件布置方式等因素對(duì)豎向剪力的影響 4 相關(guān)文獻(xiàn)中回歸出了計(jì)算縱向剪力的經(jīng)驗(yàn)公式 但僅考慮了混凝土 強(qiáng)度等級(jí)和混凝土板橫向配筋率這兩個(gè)因素 未能充分考慮混凝土翼板厚度 寬度 長(zhǎng)度 連接件種類等因素對(duì)縱向抗剪的影響 5 對(duì)于組合梁抗剪性能的研究多集中在普通鋼一混凝土組合梁上 而 未考慮如采用高強(qiáng)材料后 由于高強(qiáng)材料與普通材料力學(xué)性質(zhì)不同產(chǎn)生的影響 因此 對(duì)于采用高強(qiáng)材料的組合梁 其抗剪性能需進(jìn)行新的研究和分析 6 按照歐洲規(guī)范4 的規(guī)定在二類截面預(yù)應(yīng)力組合梁中采用塑性法會(huì)過(guò) 高估計(jì)結(jié)構(gòu)的承載力 雖然有限元非線性分析能夠較好的預(yù)估組合梁的受力行 為和極限荷載 但計(jì)算工作量大 不便于設(shè)計(jì)計(jì)算 因此建立合理的簡(jiǎn)化計(jì)算 模型十分必要 1 4 本文研究的方法和內(nèi)容 本文在分析國(guó)內(nèi)外普通鋼一混凝土組合梁研究的基礎(chǔ)上 將高強(qiáng)材料與普 通鋼一混凝土組合梁有機(jī)的結(jié)合在一起 形