钢-混凝土组合扁梁受弯性能理论分析与试验

钢-混凝土组合扁梁楼盖以其楼盖结构高度小、防火性能好、下表面平整观感好、便于管线铺设以及在经济跨度范围内梁高更小的优势,在国外(特别是英国和北欧地区)得到了较广泛的应用。实际工程中,钢-混凝土组合扁梁楼盖应用较多的是SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合楼板,用于住宅建筑时,存在以下不足:1)钢梁下翼缘外露,需要进行防腐防火保护;2)深肋压型钢板组合扁梁下翼缘不平整需做吊顶,增加了成本和结构高度;3)SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合楼板均为单向板,导致楼盖厚度较大,且楼盖高度难以进一步降低等,制约了钢-混凝土组合扁梁楼盖在实际工程中的应用。为此,提出了预制叠合密肋楼板和预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖的概念,预制叠合密肋楼板由预制带肋底板和现浇层组成,可实现双向传力。由于该新型预制叠合密肋楼板组合扁梁楼盖区别于传统的SP预应力混凝土叠合楼板和深肋压型钢板组合扁梁楼盖,为研究该新型组合扁梁楼盖预制叠合密肋楼板与钢梁协同工作性能及其设计方法,结合某高层钢结构住宅示范工程的设计,对该新型钢-混凝土组合扁梁的受弯性能进行了理论分析与试验研究。设计制作了2个预制叠合密肋楼板组合扁梁试验试件,主要变化参数为钢梁腹板开孔形式和剪力键设置方式。钢梁采用焊接不等翼缘钢梁,楼板采用预制叠合密肋楼板,预制板均不出筋。钢材牌号为Q345B,楼板混凝土强度等级为C35,钢筋为HRB400级。试件计算长度为3 800 mm,几何长度为4 000 mm。通过试验研究该新型钢-混凝土组合扁梁的承载能力、延性、变形性能、裂缝开展、应力及应变发展情况等。在试验研究的基础上,提出了预制叠合密肋楼板组合扁梁抗弯极限承载力计算简化假定,并基于破坏强度理论推导了预制叠合密肋楼板组合扁梁抗弯极限承载力计算公式。通过理论分析和试验研究得到以下结论:1)预制叠合密肋楼板组合扁梁具有优良的承载能力和延性性能。试件挠跨比达到1/32时,试件承载力仍未有明显下降,试件呈延性破坏特征。2)在钢梁下翼缘边缘和受拉钢筋屈服时,试件达到屈服承载力;在钢梁全截面屈服、受拉和受压钢筋屈服、受压区混凝土压溃时,试件达到极限承载力。在峰值荷载之前,混凝土和钢梁截面应变分布近似呈线性分布,可以采用平截面假定。3)基于破坏强度理论提出的预制叠合密肋楼板组合扁梁的抗弯承载力计算公式,与试验结果吻合良好,且偏于安全。     

钢-混凝土组合扁梁楼盖承载性能有限元分析

钢 混凝土组合扁梁楼盖的采用可以降低结构层高,改善钢结构的防火性能,形成无柱大空间与“无梁楼盖”的建筑效果;组合扁梁楼盖具有良好的力学性能,在多高层结构中,既能做框架梁受力,又能承载楼面的作用荷载;同时深肋压型钢板的采用可以降低楼板自重同时可作为永久模板使用,大大提高施工速度,带来很好的经济效益,在多高层钢结构建筑中有广阔的应用前景。论文采用有限元软件ANSYS建立钢－混凝土组合扁梁整体楼盖三维实体模型。对组合扁梁楼盖在竖向荷载作用下的承载性能、变形特点以及楼板自振频率进行了分析,同时对组合扁梁的有效宽度及肋部混凝土的影响进行了计算分析。分析结果表明：钢－混凝土组合扁梁楼盖具有良好的承载性能并能较好地满足正常使用的要求;肋部混凝土及配筋对楼盖的承载力有较大的影响;楼盖主梁的有效宽度分析应建立在整体模型和试验的基础之上。     

组合扁梁楼盖水平荷载作用下承载性能分析

为了研究组合扁梁楼盖在水平荷载作用下的承载性能和有效宽度,采用有限元分析软件建立了钢—混凝土组合扁梁整体楼盖三维实体有限元模型,并进行了相应的计算分析.计算结果表明:钢—混凝土组合扁梁楼盖具有较大的水平刚度和较好的空间作用,组合扁梁楼盖在水平荷载情况下有效宽度较竖向荷载作用时小.建议进行组合扁梁整体楼盖试验,进一步研究其有效宽度取值.     

冷弯薄壁型钢组合楼盖抗剪性能试验研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合楼盖抗剪性能,进行了1个冷弯薄壁C型钢—压型钢板混凝土组合楼盖、3个冷弯薄壁C型钢桁架—压型钢板混凝土组合楼盖和1个冷弯薄壁C型钢桁架—ALC板组合楼盖试件的抗剪性能试验。详细考察了组合楼盖在低周反复荷载作用下的应变分布规律和破坏形式,分析了组合楼盖的滞回曲线、骨架曲线、荷载强度退化、刚度退化。试验研究表明:采用冷弯薄壁C型钢梁组合楼盖的抗剪极限承载力要高于采用冷弯薄壁C型钢桁架梁组合楼盖;抗剪件在一定程度上可以提高组合楼盖的抗剪承载力。     

框架深肋组合扁梁受弯性能的试验研究

对两根尺寸完全相同但纵向配筋率不同的框架深肋组合扁梁进行了静力单向加载试验研究,得到其荷载-挠度关系,不同荷载条件下截面应变分布,混凝土裂缝的发展和分布特征以及试件的破坏模式。试验结果表明:纵向配筋率对框架深肋组合扁梁的弹性阶段刚度影响较小,对极限承载力有一定的影响,同时配筋的增加改善了负弯矩区的开裂状况;在弹性阶段,钢梁、钢筋与受压区的混凝土在弹性受力阶段能够近似保持平截面,板肋处的混凝土分担的荷载很小。     

扁梁楼盖中组合节点的试验研究

进行组合扁梁楼盖中梁柱钢节点及组合节点的足尺试验。试件由钢管混凝土组合柱及轴对称钢梁与组合柱通过剪切钢板连接的组合楼盖组成。进行部分包裹混凝土组合梁的试验,确定扁梁楼盖锚钉的布置点。试验结果表明:组合节点和钢节点均为半钢性节点,且各自单独锚固;楼盖对提高节点抗弯承载力起重要作用。     

超大截面钢管混凝土柱分配梁构造节点下轴压荷载传递试验研究

为保证超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同工作性能,在前期研究的基础上对荷载作用于管壁的超大截面矩形钢管混凝土柱1∶5缩尺模型进行轴压承载力试验研究,试件在节点核心区采用压力分配梁构造参与荷载传递,试验参数考虑钢管宽厚比、压力分配梁刚度。结果表明:所有试件试验承载力均基本达到90%以上名义承载力(Nu=fyAs+fckAc),表明采用压力分配梁构造具有良好的荷载传递性能;竖向荷载通过界面黏结强度及滑动摩擦力传递至核心混凝土非常有限,主要通过分配梁传递至核心混凝土;分配梁刚度的变化会导致试件破坏模态的转变,分配梁H200×100×10×10试件为混凝土压溃破坏,分配梁H130×70×6×6试件为钢梁剪切撕裂破坏,且分配梁刚度相对较小时尽管试验承载力达不到名义承载力,但具有更好的延性性能;采用分配梁构造无法保证钢-混凝土之间变形协调,主要原因是分配梁加载过程中产生较大塑性变形,但试验荷载-位移曲线及破坏模态表明分配梁与钢梁周围混凝土的组合作用能够保证竖向荷载直接有效地传递至核心混凝土。     

大型钢-混凝土组合楼盖系统的连续倒塌试验与失效机理研究

为研究钢-混凝土组合楼盖系统在连续倒塌工况下的抗力机制和破坏过程,按照中国现行规范设计了1个典型的组合楼盖钢框架原型结构,并从该原型结构中提取出两个单层2×1跨钢-混凝土组合楼盖子结构。分别开展了移除边中柱和角柱侧边柱两种工况下的足尺连续倒塌试验研究,并得到了相应的荷载-位移曲线、破坏模式、裂缝分布等。在移除边中柱时,破坏主要集中在梁端负弯矩区,且峰值荷载出现在梁悬链线抗力充分发展的大变形阶段。而在移除角柱侧边柱时,破坏主要集中在正弯矩区,峰值荷载出现在梁翼缘断裂前的抗弯阶段。两个试件后期承载力的差别主要由梁悬链线抗力引起。组合楼盖系统中楼板受拉薄膜作用的发展不易受边界水平约束条件的影响,但梁悬链线抗力的发展明显受边界水平约束条件的影响。在边柱失效工况下,塑性铰线法可以用来预测组合楼盖系统在抗弯阶段的承载力。     

考虑楼板组合作用的方钢管混凝土组合框架受力性能试验研究

为研究钢梁与混凝土楼板的组合作用对钢-混凝土组合框架体系的刚度、承载力及耗能能力的影响,并考察组合框架结构在大震作用下进入弹塑性阶段的受力性能,进行了2榀足尺方钢管混凝土组合框架的低周反复荷载试验。2榀组合框架分别为组合梁-钢管混凝土框架及纯钢梁-钢管混凝土框架。试验中结构的最大层间位移角达到1/21。试验结果表明：组合框架结构具有稳定的滞回性能及良好的延性;钢梁与混凝土楼板的组合作用能显著提高结构的刚度、强度及耗能能力,并且能有效保证钢梁上翼缘的局部稳定性及钢梁的整体稳定性;楼板组合作用将使钢梁下翼缘应变显著增大,导致楼盖梁转动能力的减小;两个试件的破坏均是由梁端失效引起,说明试验中采用的梁翼缘贯通式节点能够满足强柱弱梁、强节点弱构件的抗震设计要求。     

钢-混凝土组合转换框架试验研究

为研究钢-混凝土组合转换梁-矩形钢管混凝土柱构成的组合转换框架的受力性能,对1榀组合转换框架缩尺模型进行了竖向荷载和低周往复水平荷载试验。分析了组合转换梁在竖向荷载作用下的刚度及裂缝开展情况以及组合转换框架在水平往复荷载作用下的破坏特点、荷载-位移滞回曲线及骨架曲线、延性、屈服机制和耗能能力等力学性能。试验研究结果表明,在竖向荷载作用下,组合转换梁刚度大,抗裂性能好,满足结构正常使用要求;在水平荷载作用下,转换框架延性好,极限层间位移角大,滞回曲线对称、饱满,耗能能力强。     

楼板对钢筋混凝土柱-钢梁空间组合体抗震性能影响研究

楼板在地震作用下对钢筋混凝土柱-钢梁组合体抗震性能的影响是建立地震作用下节点计算模型的基础,也是准确评价组合结构体系抗震性能的关键问题之一。为此,完成了3个钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合体试件在考虑不同楼板宽度情况下的抗震性能试验,分析整个受力过程中楼板受力性态对组合构件受力特征、破坏模式等抗震性能的影响。各试验模型在加载过程中均产生梁铰破坏,并表现出较好的延性和耗能能力,最终因节点区钢梁屈曲、扁钢箍开裂和柱端混凝土压碎而丧失承载力。分析表明,楼板裂缝以横向裂缝为主,随着楼板宽度增加,次生斜裂缝增多,板底混凝土压碎区域增大;混凝土楼板与钢梁组合体对节点核心区的约束作用较明显地改善了空间组合体受力性能。对楼板混凝土和板内纵筋在受力过程中的应变进行分析,结果表明,随着楼板宽度的增加,楼板对RCS空间组合体刚度、承载力的贡献值有限。对现浇板受拉有效翼缘宽度进行分析,结果表明考虑钢-混凝土组合梁翼缘有效宽度对梁端受弯承载力、惯性矩影响较大。     

钢-混凝土组合梁的简化非线性模拟

建立有效的宏观模拟方法,研究钢-混凝土组合梁的非线性性能,考虑了材料非线性和混凝土板与钢梁之间的表面滑移。通过组合梁宏观模拟和试验的对比,分析了这种方法的有效性。对单调正、反弯曲下的4根足尺组合梁进行了试验研究。结果表明:通过宏观模型能获得组合梁的非线性荷载-位移性能的重要特征。宏观模拟方法对简化形式和准确度做了权衡,是进行有限元分析的可行方法。采用数值宏观模型,进行负弯矩下钢-混凝土组合梁的参数研究,包含:混凝土板的受压强度、型钢翼缘和腹板的屈服强度、剪切连接程度。最后,对加载过程中的滑移和其对组合梁性能的影响进行了分析。     

Experimental investigation on inelastic behavior of composite box girder under negative moment

The mechanical behavior of negative bending moment zone in composite girder is very complex. The nonlinear characteristics due to the cracking of concrete slab need careful studies. In this experimental research, two specimens of steel-concrete composite box girder with inclined webs under hogging moment were cautiously conducted and tested. The relative slips between the steel and concrete, load-displacement relationship, the strain distribution of the steel girder, the reinforcements and the concrete slab, and the cracking behavior of the concrete slab were measured during the tests. The relatively small slips on the surfaces between the concrete slab and the top flange of the steel girder showed the full shear connection composite behavior of the girders. The initial cracking load was compared with the calculation results from linear analysis and nonlinear analysis based maximum strain. The strain of the steel web measured at different positions along the vertical direction showed the establishment of plane section assumption and the variation of neutral axis in the loading process. Moreover, shear lag effect was found in the strain distribution of the bottom flanges. The strain of concrete slab and the crack spacing showed the effect of the longitudinal reinforcement ratio on the cracking behavior of the concrete. The maximum crack width was observed in the loading process and compared with the calculation results according the design codes. The influence of reinforcement ratio on the strain of reinforcement and on the load capacity in serviceability limit state was studied in the context and it was found that the reinforcement ratio play an important role on the crack control of composite girder under hogging moment.     

简支组合梁抗火性能参数研究

采用经试验结果验证的有限元模型,对影响组合梁抗火性能的混凝土板、钢梁、栓钉相关参数,混凝土板中的纵筋参数,钢梁防火保护层相关参数和荷载参数进行分析研究,得出了对组合梁抗火设计有益的结论。     

压型钢板钢-混凝土组合楼盖的抗火性能

对于压型钢板钢一混凝土组合结构，分析了结构钢和混凝土的高温材性特性以及压型钢板与混凝土的粘结强度随温度变化的规律，总结了高温下影响组合楼盖抗火性能的因素。     

Experimental study of bonded steel concrete composite structures

This paper deals with the experimental analysis of the mechanical behaviour of bonded steel-concrete composite structures. The steel girder and the concrete slab are assembled by adhesives. The effect of the main parameters, such as the adhesive nature and the irregular thickness of the adhesive joint, on mechanical performance and ultimate load is studied. Two adhesives are used in this work. The results show that the connection between the steel girder and the concrete slab ensured by epoxy adhesive is perfect and without any slip in the steel-concrete interface. In the case of the composite beam interface ensured by polyurethane, the connection is flexible. The influence of the variation in adhesive thickness, 2 mm in the transverse direction and 4 mm in the longitudinal direction, on the mechanical behaviour and ultimate force is not important. The first cracks in the concrete slab appear in the transverse direction. The experimental results show that it is possible to realise a steel concrete composite structure bonded by adhesive.     

Elastic rigidity of composite beams with full width slab openings

Openings often exist in the concrete slab of composite floors due to the functional requirements of structures. The strength and rigidity of steel-concrete composite beams are reduced by openings. Based on three tests of steel-concrete composite beams with full openings in the concrete flange, the elastic rigidity of composite beams is analyzed. Finite element analysis (FEA) considering the slip effect between the steel and concrete is conducted to simulate the composite beams with full openings in the concrete slab, and the results show that the FEA method is reliable. The analytical calculation method for the deflection of composite beams with full openings in the concrete slab is also proposed, and the results are verified by tests. The predicted deflections using the analytical method and FEA method both agree well with the test results. It is further verified that openings near the supports have insignificant effects on the deflection at the mid-span and this effect can be thus ignored. The simplified method to calculate the rigidity reduction factor is developed by a regression analysis. The analytical method and FEA method can be used for the serviceability limit state design of steel-concrete composite beams with full openings in the concrete flange.     

体外索钢箱-混凝土组合连续梁非线性结构性能试验研究

钢箱-混凝土组合连续梁负弯矩区混凝土的开裂问题影响了这类组合结构向更大跨度的发展。针对这一问题,提出在钢箱-混凝土组合连续梁中施加体外索的新技术,研究施加体外索对增强钢箱-混凝土组合连续梁负弯矩区混凝土的抗裂能力,提高钢箱-混凝土组合连续梁弹塑性结构性能的有利作用。经对比试验表明,施加体外索后,钢箱-混凝土组合连续梁负弯矩区混凝土的开裂荷载提高2.8倍,组合连续梁的弹塑性抗弯刚度提高29.35%,承载力提高34.67%,结构性能显著提高。在试验研究基础上,分析钢箱-混凝土组合连续梁负弯矩区局部力学性能与整体非线性结构性能的关系,揭示体外索提高钢箱-混凝土组合连续梁弹塑性结构性能的力学实质,给出承载力计算建议。研究结果可作为体外索钢箱-混凝土组合连续梁工程应用和理论分析的参考。     

深圳北站组合梁抗弯承载力及稳定性分析

组合梁抗弯承载力和稳定性分析对组合梁的结构设计很关键,但组合钢梁上翼缘受混凝土楼板约束,其稳定性分析应与我国现行规范规定的自由梁弯扭失稳不同,我国《钢结构设计规范》GB50017—2003采用限制绕弱轴的长细比的方法,未能考虑楼板作用,不适用于组合钢梁稳定性分析。此外,在连续组合梁的负弯矩区,局部稳定性问题也要考虑。结合深圳北站站房楼盖组合梁的工程实例,采用GB50017—2003和欧洲规范EC4,对组合梁抗弯承载力和稳定性进行计算分析,同时,利用通用有限元程序SAP2000对组合钢梁进行弹性屈曲分析,进一步确保了结构的安全。     

预应力作用下组合梁混凝土法向应力分析

针对在混凝土翼板中设置后张预应力的连续组合梁，提出由分担预加轴力、主弯矩和次弯矩产生的混凝土法向应力计算公式，主要分析施加于混凝土翼板的预应力通过剪力键向钢梁传递的力学模型，建立混凝土翼板承担的预压力沿梁纵轴的分布函数和理论解，求得考虑剪力键柔性的混凝土法向应力计算公式，作为组合梁抗裂设计依据。