配置改造型鋼混凝土T形梁受力性能試驗(yàn)研究

陳立云

型鋼混凝土是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要形式,由于其承載力高、抗震及耐久性能好等特點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于各種工程結(jié)構(gòu)中,特別是大跨、高層、重載結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在歐美以及日本等國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用,尤其在日本這樣一個(gè)多地震的國(guó)家,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為中高層建筑的首選結(jié)構(gòu)形式[1-4]。近年來(lái),我國(guó)也開(kāi)始推廣使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),且已經(jīng)建成了一些具有代表性的中高層建筑。雖然我國(guó)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)有了很大的發(fā)展[5,6],但還不能適應(yīng)工程實(shí)際的需要。因此,對(duì)型鋼混凝土受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)、承載能力、粘結(jié)性能、延性等力學(xué)性能及其影響因素進(jìn)行深入研究有著重要的意義。

1 試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)T形型鋼混凝土梁采用內(nèi)含改造后的工字型鋼,即沿工字型鋼中部進(jìn)行切割,然后再進(jìn)行錯(cuò)位焊接,型鋼加工圖見(jiàn)圖1。加工后的型鋼放置在3根翼緣尺寸不同的鋼筋混凝土T形梁中,組合成T形型鋼混凝土梁。3根梁長(zhǎng)度均為3.2 m,試件一與試件二的區(qū)別為下部受拉縱筋不同,試件二與試件三的區(qū)別為受壓翼緣尺寸不同。

1.2 材料性能

本次試件混凝土采用C30,縱筋和箍筋分別采用HRB335和HPB235熱軋鋼筋,工字鋼采用Ⅰ14型鋼,各材料材性試驗(yàn)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1,表2。

1.3 加載方案

試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲加載方案,在距梁兩端支座1 000 mm處施加兩個(gè)集中荷載,純彎段長(zhǎng)1 000 mm。加載裝置采用45 t級(jí)液壓千斤頂,在加載過(guò)程中,數(shù)據(jù)采用DH3815靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試儀記錄。

表1 鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)值

表2 混凝土試驗(yàn)實(shí)測(cè)值 MPa

試驗(yàn)采用單調(diào)加載的靜力試驗(yàn)。在正式加載前,先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加載值為試件計(jì)算開(kāi)裂荷載的60%。正式加載時(shí),通過(guò)DH3815靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試儀的定時(shí)采樣功能,每隔1.5 s采樣一次,以獲得混凝土、鋼筋、型鋼應(yīng)變變化規(guī)律以及極限荷載時(shí)的應(yīng)變。先以極限荷載的10%作為每級(jí)加載值,每級(jí)荷載的持荷時(shí)間約為10 min;當(dāng)受拉區(qū)縱筋鋼筋應(yīng)變超過(guò)2 000個(gè)微應(yīng)變后,放緩加載速度,改為位移控制,直至試件破壞。

試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容有:混凝土的開(kāi)裂及裂縫發(fā)展,試件破壞形態(tài),混凝土、鋼筋及型鋼的應(yīng)變、混凝土和型鋼之間的滑移。跨中截面應(yīng)變片布置見(jiàn)圖2。

2 試件結(jié)果分析

2.1 荷載—撓度曲線

圖3為各試件跨中截面荷載—撓度曲線。由圖3可見(jiàn):

荷載在極限荷載的70%～80%以前,跨中截面的撓度呈明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì),試件處于彈性階段;

在極限荷載的80%～90%之間,撓度的增長(zhǎng)速度逐漸加快,試件進(jìn)入彈塑性階段;

到極限荷載的90%以后,荷載增加很慢,而撓度迅速增加,表明型鋼已屈服,但試件沒(méi)有發(fā)生脆性破壞,承載能力也未見(jiàn)減小,而是略有增加,說(shuō)明型鋼混凝土梁具有很好的延性。

2.2 應(yīng)變分析

在加載初期,混凝土、鋼筋、型鋼的應(yīng)變隨著荷載線性變化,但由于混凝土過(guò)早開(kāi)裂,受拉區(qū)部分混凝土應(yīng)變片由于混凝土開(kāi)裂被拉斷,部分由于裂縫間混凝土回縮,輸出應(yīng)變不斷減小,而在試件頂面混凝土受壓區(qū)應(yīng)變片輸出應(yīng)變不斷增大。全部試件極限荷載時(shí)混凝土的極限應(yīng)變平均值為0.003 2。

型鋼應(yīng)變分布在極限荷載80%以前,都呈現(xiàn)平面分布規(guī)律,中和軸約在距型鋼上翼緣30 mm處,應(yīng)變隨著荷載而線性增加。隨著荷載的進(jìn)一步加大,型鋼下翼緣逐漸發(fā)生塑性應(yīng)變,每級(jí)荷載的應(yīng)變?cè)黾臃让黠@變大,而中和軸的位置只有微小上移。

跨中截面受拉縱筋的應(yīng)變都隨荷載線性增大,除個(gè)別試件在加載后期應(yīng)變片損壞外,其余試件縱筋都發(fā)生了屈服;彎剪段的箍筋在加載初期受力很小,在加荷中期應(yīng)變明顯增大,這說(shuō)明彎剪段箍筋在混凝土開(kāi)裂后開(kāi)始承擔(dān)彎剪段的剪力,在極限荷載時(shí)彎剪段箍筋沒(méi)有發(fā)生屈服;純彎段的箍筋在極限荷載以前基本不受力,當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí),應(yīng)變突然增大,說(shuō)明純彎段箍筋在承載力后期對(duì)核心混凝土有一定的約束作用。

3 型鋼混凝土T形梁力學(xué)性能的影響因素分析

1)配筋率的影響。由試件TL1-3的試驗(yàn)結(jié)果可知,縱筋配筋率大小對(duì)試件的剛度和承載力影響較小,翼緣尺寸的大小對(duì)試件的剛度和承載力有明顯影響,在一定范圍內(nèi),一般在6倍的翼緣厚度范圍內(nèi),隨翼緣尺寸的增大可顯著提高構(gòu)件的剛度和承載力。

2)粘結(jié)力的影響。型鋼和混凝土之間粘結(jié)比鋼筋和混凝土之間粘結(jié)相對(duì)差一些,采用改造后的工字鋼可以顯著提高型鋼和混凝土之間的咬合作用,型鋼和混凝土之間的粘結(jié)力的好壞對(duì)型鋼混凝土梁的剛度和承載力影響較為明顯。

3)抗剪連接件的影響。型鋼和混凝土之間的自然粘結(jié)作用能保證剪力的可靠傳遞;而當(dāng)型鋼和混凝土之間沒(méi)有粘結(jié)作用時(shí),抗剪連接件的設(shè)置可以提高型鋼混凝土梁的承載力和剛度。

4)滑移分析。型鋼和混凝土之間的滑移存在一定的隨機(jī)性,一般在加載后期才出現(xiàn)明顯的滑移,在接近極限荷載時(shí)滑移迅速增加。

4 結(jié)語(yǔ)

1)配置改造后的工字鋼型鋼混凝土T形梁具有較高的承載力和較好的延性;

2)改造后的工字鋼可顯著提高型鋼和混凝土的咬合作用;

3)縱筋配筋率對(duì)型鋼混凝土T形梁的影響較小,在一定范圍內(nèi),隨著翼緣尺寸的增大對(duì)型鋼混凝土T形梁的剛度和承載力有顯著提高;

4)型鋼和混凝土之間滑移存在一定的隨機(jī)性,一般在加載后期出現(xiàn)明顯的滑移。

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