型鋼輕骨料混凝土梁彎曲性能的試驗(yàn)研究

1、型鋼輕骨料混凝土梁彎曲性能的試驗(yàn)研究*劉 凡 翁曉紅 邵永健(蘇州科技學(xué)院 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 江蘇蘇州 215011摘 要 :為研究型鋼輕骨料混凝土梁的彎曲性能 , 進(jìn)行了 8根型鋼輕骨料混凝土梁 和 2根型鋼普通 混凝 土梁的抗彎性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明 , 型鋼輕骨料混凝土梁受力過程經(jīng)歷彈性、 彈塑性和破壞 3個(gè)階段 ; 開裂荷載 約為極限荷載的 15%左右 , 試件開裂對(duì)試驗(yàn)梁的剛度沒有明顯的影響 ; 試驗(yàn)梁的屈 服是以型 鋼的受拉翼 緣屈 服為標(biāo)志 ; 試件屈服前 , 平均應(yīng)變的平 截面假 定成立 ; 屈服 后 , 平 截面假 定不再 成立 , 此后型 鋼與混 凝土間 的 滑移對(duì)

2、試驗(yàn)梁的變形及裂縫寬度的影響加大 ; 試驗(yàn)梁達(dá)到極限 承載力以后 , 表現(xiàn) 出良好的 延性。可見型 鋼輕 骨料混凝土梁的彎曲性能是優(yōu)越的。關(guān)鍵詞 :型鋼輕骨料混凝土 ; 梁 ; 彎曲性能 ; 延性EXPERIMENTAL STUDY ON BENDING BEHAVIOR OF STEEL REINFORCEDLIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE BEA MSLiu Fan Weng Xiaohong Shao Yongjian(Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering, Universi ty of Science

3、 and Technology of Suzhou, Suzhou 215011, China Abstract :In order to study the bending behavior of steel reinforced lightweight aggregate concrete beams, eight s teel rei nforced lightweight aggregate concrete beams and two steel reinforced normal density concrete beams were tested. The resul ts of

4、 test have indicated that the bearing process of SRLC beams included three phases:elas tic, elastic plastic, and failure. Cracking load was abou t 15percent of ultimate load, and the crackin g of members had no obvious effect on the stiffness of testi ng beams. The si gn of testing beams yield was t

5、hat tension flange of steel section began to yield. Before yielding, the level section hypothesis of average strain was true, but it was not true after yielding. Afterward, the movement between steel section and concrete had more remarkable effects on deformation and crack width of testing beams. Th

6、ese testing beams behaved good ductility behavior after they reached ultimate strength. As a resul t, the bending behavior of s teel rei nforced lightweight aggregate concrete beams was superior.Keywords :steel reinforced li ghtwei ght aggregate concrete(SRLC ; beams; bending behavior; ductili ty*建設(shè)

7、部科技研究基金項(xiàng)目。第一作者 :劉凡 , 男 , 1963年出生 , 副教授。E-mail:liufan -sz163. com收稿日期 :2008-03-20將輕骨料混凝土與型鋼結(jié)合 , 形成的型鋼輕骨 料混凝土結(jié)構(gòu) , 除了具有型鋼混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、 剛 度大以及延性好等優(yōu)點(diǎn)外 , 還具有減輕結(jié)構(gòu)自重、 減 小結(jié)構(gòu)的地震作用以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn) , 可擴(kuò)大型 鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。同時(shí)國內(nèi)外的研究1-6表明 , 實(shí)腹式配鋼的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形 性能 , 尤其是抗震性能明顯優(yōu)于空腹式配鋼的型鋼 混凝土結(jié)構(gòu)。因此 , 在國內(nèi)對(duì)型鋼輕骨料混凝土結(jié) 構(gòu)的研究少之又少的背景下 , 本文首選對(duì)

8、稱配置充 滿型實(shí)腹型鋼的型鋼輕骨料混凝土梁進(jìn)行研究。 1 試驗(yàn)方案在參照國內(nèi)外型鋼普通混凝土梁抗彎試驗(yàn) 1, 7-10的基礎(chǔ)上 , 本文選擇型鋼規(guī)格、 截面尺寸、 剪力件和輕 骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為主要變化參數(shù) , 設(shè)計(jì)了 8根型鋼輕骨料混凝土梁。同時(shí)作為對(duì)比試驗(yàn) , 設(shè)計(jì)了 2根型鋼普通混凝土梁。 10根試件的基本設(shè)計(jì)參數(shù)、 混凝土立方體強(qiáng)度實(shí)測值以及輕骨料混凝土的干表觀 密度實(shí)測值見表 1, 試件的配筋見圖 1。輕骨料混凝土的粗骨料選用江蘇金壇海發(fā)新型 建材有限公司生產(chǎn)的 516mm 連續(xù)級(jí)配的圓球型頁巖 陶粒 , 陶粒 的堆積密度為 865kg m 3, 表 觀密度為 1350kg m

9、3, 筒壓強(qiáng)度為 9 5MPa 。試件制作時(shí) , 按規(guī) 定留制混凝土材性試塊 , 材性試塊與試件同條件自然 養(yǎng)護(hù) , 實(shí)測得到的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值見表 1。鋼筋與型鋼的材料強(qiáng)度實(shí)測平均值見表 2。No 3, 2009工業(yè)建筑 39期表 1 試驗(yàn) 梁的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Designed parameters of test beams試件編號(hào) 截面尺寸 b h mm型鋼 配鋼率 %混凝土種類 混凝土立方體強(qiáng)度 f cu MPa干表觀密度 (kg m -3 剪力件SRLCB-1a 200 260I165 0輕骨料 28 51803無 SRLCB-1b 200 260I165 0輕骨料

10、 28 51803有 SRLCB-1c 200 260I165 0輕骨料 46 01897無 SRLCB-1d 200 260I165 0輕骨料 46 01897有 SRCB-1200 260I165 0普通 44 7-無 SRLCB-2a 200 300I20a 5 9輕骨料 28 51803無 SRLCB-2b 200 300I20a 5 9輕骨料 28 51803有 SRLCB-2c 200 300I20a 5 9輕骨料 46 01897無 SRLCB-2d 200 300I20a 5 9輕骨料 46 01897有 SRCB-2200 300I20a5 9普通44 7-無 圖 1 試件配

11、筋 Fi g. 1 Rebars of specimens表 2 鋼筋和型鋼強(qiáng)度實(shí)測平均值Table 2 The measured mean of rebar and section steel MPa強(qiáng)度 6 8 ! 16I16I20a 屈服強(qiáng)度 378 6348 3373 2334 6347 5極限強(qiáng)度530 8453 8559 8438 6456 7試驗(yàn)在江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5000kN 的長柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 , 為兩點(diǎn)集中對(duì)稱加載 , 試驗(yàn)裝置 見圖 2。試驗(yàn)按 GB 50152-92 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方 法標(biāo)準(zhǔn) #11的規(guī)定進(jìn)行分級(jí)加載。試 驗(yàn)過程中主 要采集各測試 點(diǎn)的應(yīng)變以及撓

12、度。應(yīng)變通過 DH3816靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集。撓 度通過布置在支座的 2個(gè)位移計(jì)及梁底的 5個(gè)位移 計(jì)測量 , 其布置見圖 3。梁開裂后 , 還須測試各級(jí)荷載下試驗(yàn)梁的裂縫寬度和裂縫間距。 圖 2 試驗(yàn)裝置 Fig. 2 Test se tup在試驗(yàn)過程中 , 人工肉眼觀察試驗(yàn)梁的受力過 程及受力性能 ,并記錄試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)和破壞特圖 3 位移計(jì)布置Fi g. 3 Layout of displacement gauges征 , 繪制裂縫發(fā)展圖。 2 試驗(yàn)過程試驗(yàn)表明 , 型鋼輕骨料混凝土梁在荷載作用下 具有與型鋼普通混凝土梁類似的受力過程 , 同樣有 彈性階段、 彈塑性階段和破壞階段。

13、2 1 彈性階段分析試驗(yàn)測得的荷載、 撓度、 應(yīng)變等數(shù)據(jù)可知 , 在受荷初期 , 型鋼輕骨料混凝土梁表現(xiàn)出良好的彈 性性能。型鋼、 鋼筋和混凝土的應(yīng)變均較小 , 且沿截 面高度呈線性分布 , 荷載與撓度曲線同樣呈線性分 布。隨著荷載的增大 , 受拉區(qū)混凝土首先出現(xiàn)塑性 , 雖然受拉區(qū)混凝土的 應(yīng)變沿截面高度乃呈線 性分布 , 但其應(yīng)力已不再呈線性分布 , 當(dāng)受拉邊緣輕骨料 混凝土的應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí) , 混凝土開裂 , 裂縫 首先在純彎段出現(xiàn) , 開裂彎矩約為極限彎矩的 15%左右。從開始加載至裂縫出現(xiàn)的過程中 , 型鋼輕骨! ! , 等料混凝土梁整體表現(xiàn)出較好的彈性性能。2 2 彈塑性階段

14、純彎段內(nèi)出現(xiàn)的第一條 (批 裂縫迅速發(fā)展到型 鋼下翼緣附近 , 隨著荷載的增加 , 裂縫繼續(xù)出現(xiàn)。但 表現(xiàn)出裂縫高度停滯在型鋼下翼緣附近 , 且梁的荷 載 -撓度曲線也不因裂縫的出現(xiàn)而明顯轉(zhuǎn)折 , 這主 要是因?yàn)樾弯摼哂休^大的剛度 , 對(duì)其周圍的混凝土 具有較強(qiáng)的約束作用所致。大約加載到極限荷載的 40%50%時(shí)裂縫基本出齊。繼續(xù)加載 , 受壓區(qū)混 凝土表現(xiàn)出明顯的塑 性性能。對(duì) 比受拉鋼筋的應(yīng) 變、 型鋼受拉翼緣的應(yīng)變以及荷載 -撓度曲線的特 征可知 , 型鋼受拉翼緣的應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí) , 型鋼 輕骨料混凝土梁出現(xiàn)較為明顯的屈服特征。2 3 破壞階段型鋼受拉翼緣屈服后 , 型鋼與混凝土的粘

15、結(jié)開 始明顯破壞。繼續(xù)加載 , 梁的撓度增大明顯加快 , 裂 縫寬度也明顯加大 , 且裂縫迅速向梁頂發(fā)展 , 中和軸 也迅速上升 , 混凝土受壓區(qū)高度減小 , 最后受壓區(qū)混 凝土被壓碎 , 試驗(yàn)梁達(dá)到極限承載力。緩慢卸載 , 發(fā) 現(xiàn)試件乃具有較大的承載力和剛度。試驗(yàn)測得 8根型鋼輕骨料混凝土梁的混凝土極 限壓應(yīng)變 cu 為 2418 10-63956 10-6, 平均值 為 3054 10-6; 測得 2根型鋼普通混凝土梁的 cu 平 均值為 2937 10-6, 可見 , 兩種混凝土具有相近的 極限壓應(yīng)變。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn) , 在受壓區(qū)混凝土被壓碎前 , 輕骨料 混凝 土 強(qiáng) 度 等 級(jí) 較 低

16、的 4個(gè) 試 件 (SRLCB -1a 、 SRLCB-1b 、 SRLCB-2a 、 SRLCB-2b 在純彎段型鋼 受壓翼緣附近有粘結(jié)劈裂裂縫產(chǎn)生。3 試驗(yàn)結(jié)果3 1 試驗(yàn)梁的特征荷載和破壞形態(tài)對(duì)于梁的受彎試驗(yàn)而言 , 其特征荷載主要有開 裂荷載、 屈服荷載和極限荷載。試驗(yàn)實(shí)測得到的 10根試驗(yàn)梁的特征荷載及其對(duì)應(yīng)的位移見表 3, 試驗(yàn) 梁的破壞形態(tài)見圖 4。表 3 10根試驗(yàn)梁的特征荷載及其對(duì)應(yīng)位移的實(shí)測值Table 3 The characteristic loads and their measured values corresponding to displacements of

17、 10test beams 試件編號(hào)開裂荷載及其對(duì)應(yīng)的位移 屈服荷載及其對(duì)應(yīng)的位移 極限荷載及其對(duì)應(yīng)的位移P cr kN f cr mm P y kN f y mm P u kN f u mm破壞形態(tài)SRLCB-1a 250 9120510 19235 023 41彎曲破壞 SRLCB-1b 330 802159 10252 015 43彎曲破壞 SRLCB-1c 381 2920611 02249 022 60彎曲破壞 SRLCB-1d 461 372109 20273 233 86彎曲破壞 SRCB-1370 971987 25247 321 34彎曲破壞 SRLCB-2a 520 943

18、287 95405 419 11彎曲破壞 SRLCB-2b 470 863067 78386 720 56彎曲破壞 SRLCB-2c 530 963288 00409 822 14彎曲破壞 SRLCB-2d 551 023247 63392 120 97彎曲破壞SRCB-2530 973277 26396 819 24 彎曲破壞圖 4 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)Fig. 4 Fail ure modes of test beams工業(yè)建筑 39期3 2 試驗(yàn)梁的荷載 -撓度曲線試驗(yàn)實(shí)測得到的跨中撓度 f 隨荷載 P 的變化曲 線見圖 5。需要說明的是 , 由于試驗(yàn)所用長柱試驗(yàn) 機(jī)不能進(jìn)行位移控制 , 所

19、以盡管在達(dá)到最大承載力 后也試圖通過逐級(jí)卸載測量試驗(yàn)曲線的下降段 , 但 試 驗(yàn)得到 的曲線 下降 段效果 較差 , 所 以圖 5中的 P -f 曲線均只有上升段。從圖中曲線反映出 , P -f 曲線并不因受拉區(qū)混 凝土的 開裂而 產(chǎn)生明 顯的轉(zhuǎn) 折 , 在正 常使 用階段(0 5P u 0 7P u , 曲線基本上仍然保持線性。直到 型鋼屈服后 , P -f 曲線才開始明顯彎曲。從圖 5a 、 圖 5b 可以看出 , 設(shè)置支座剪力件的試 驗(yàn)梁 SRLCB-1b 和 SRLCB-1d 的剛度似乎比無剪 力件的試驗(yàn) 梁 SRLCB-1a 和 SRLCB-1c 的剛度略 大 ; 但圖 5c 、 圖

20、 5d 又反映出支座設(shè)置的剪力件對(duì)剛 度沒有影響?？梢?, 在支座設(shè)置剪力件對(duì)梁剛度的 影響非常小。因此 , 在正常使用階段的撓度分析時(shí) ,可不考慮剪力件對(duì)梁剛度的影響。 a ! SRLCB-1a 和 SR LCB-1b; b ! SRLCB-1c 和 SRLCB-1d; c ! SRLCB-2a 和 SRLCB-2b;d ! SRLCB-2c 和 SRLCB-2d; e ! SRCB-1和 SRCB-2圖 5 P -f 曲線Fi g. 5 P -f curves of test bea ms4 結(jié) 論在 8根型鋼輕骨料混凝土梁和 2根型鋼普通混 凝土梁抗彎試驗(yàn)的基礎(chǔ)上 , 通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試

21、驗(yàn) 現(xiàn)象的歸納總結(jié) , 得到以下結(jié)論 :1 型鋼輕骨料混凝土梁具有與型鋼普通混凝土 梁類似的彎曲性能。受力過程同樣經(jīng)歷彈性、 彈塑 性和破壞 3個(gè)階段。2 受拉區(qū)輕骨料混凝土的開裂對(duì)試驗(yàn)梁的剛度 沒有明顯的影響 , P -f 曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折 ; 試驗(yàn) 梁的屈服是以型鋼的受拉翼緣屈服為標(biāo)志 ; 試驗(yàn)梁 達(dá)到極限承載力以后 , 乃具有相當(dāng)?shù)某休d力 , 表現(xiàn)出 良好的延性。3 在合適配鋼率范圍內(nèi) , 其彎曲破壞形態(tài)為延 性良好的適筋梁破壞。本文 10根試驗(yàn)梁的配鋼率 有 5 0%和 5 9%兩種 , 試驗(yàn)得到 10根試驗(yàn)梁的破 壞形態(tài)均為延性良好的適筋梁破壞。4 型鋼輕骨料混凝土梁的開裂荷載約為

22、極限荷 載的 15%左右 , 大約加載到極限荷載的 40%50%時(shí)裂縫基本出齊。5 試驗(yàn)梁在屈服前 , 平均應(yīng)變的平截面假定符 合較好。型鋼受拉翼緣屈服后 , 平截面假定不再成 立 , 同時(shí)型鋼與混凝土間的滑移對(duì)試驗(yàn)梁的變形及 裂縫寬度的影響加大。6 在支座設(shè)置剪力件對(duì)梁剛度及承載力的影響非常小。因此 , 在進(jìn)行梁的撓度分析以及極限承載 力計(jì)算時(shí) , 可不考慮剪力件的影響。參考文獻(xiàn)1 趙鴻鐵 . 鋼與混 凝土組 合結(jié)構(gòu) M. 北 京 :科學(xué) 出版社 , 2001:77-85.2AISC. Load and Resistance Factor Desi gn Speci fications for Struc tural Steel Bui ldings. Chicago:American Institu