配置改造型鋼混凝土T形梁受力性能試驗研究

陳立云

型鋼混凝土是鋼與混凝土組合結構的一種主要形式,由于其承載力高、抗震及耐久性能好等特點,被廣泛運用于各種工程結構中,特別是大跨、高層、重載結構。這種結構在歐美以及日本等國家已經得到了廣泛的運用,尤其在日本這樣一個多地震的國家,型鋼混凝土結構已經成為中高層建筑的首選結構形式[1-4]。近年來,我國也開始推廣使用型鋼混凝土結構,且已經建成了一些具有代表性的中高層建筑。雖然我國型鋼混凝土結構的設計理論已經有了很大的發展[5,6],但還不能適應工程實際的需要。因此,對型鋼混凝土受彎構件的破壞形態、承載能力、粘結性能、延性等力學性能及其影響因素進行深入研究有著重要的意義。

1 試件設計及試驗方案

1.1 試件設計

本次試驗T形型鋼混凝土梁采用內含改造后的工字型鋼,即沿工字型鋼中部進行切割,然后再進行錯位焊接,型鋼加工圖見圖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根梁長度均為3.2 m,試件一與試件二的區別為下部受拉縱筋不同,試件二與試件三的區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,各材料材性試驗實測值見表1,表2。

1.3 加載方案

試驗采用四點彎曲加載方案,在距梁兩端支座1 000 mm處施加兩個集中荷載,純彎段長1 000 mm。加載裝置采用45 t級液壓千斤頂,在加載過程中,數據采用DH3815靜態電阻應變測試儀記錄。

表1 鋼材力學性能實測值

表2 混凝土試驗實測值 MPa

試驗采用單調加載的靜力試驗。在正式加載前,先對試件進行預加載,預加載值為試件計算開裂荷載的60%。正式加載時,通過DH3815靜態電阻應變測試儀的定時采樣功能,每隔1.5 s采樣一次,以獲得混凝土、鋼筋、型鋼應變變化規律以及極限荷載時的應變。先以極限荷載的10%作為每級加載值,每級荷載的持荷時間約為10 min;當受拉區縱筋鋼筋應變超過2 000個微應變后,放緩加載速度,改為位移控制,直至試件破壞。

試驗主要測試內容有:混凝土的開裂及裂縫發展,試件破壞形態,混凝土、鋼筋及型鋼的應變、混凝土和型鋼之間的滑移。跨中截面應變片布置見圖2。

2 試件結果分析

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:

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趨勢,試件處于彈性階段;

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

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,但試件沒有發生脆性破壞,承載能力也未見減小,而是略有增加,說明型鋼混凝土梁具有很好的延性。

2.2 應變分析

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

型鋼應變分布在極限荷載80%以前,都呈現平面分布規律,中和軸約在距型鋼上翼緣30 mm處,應變隨著荷載而線性增加。隨著荷載的進一步加大,型鋼下翼緣逐漸發生塑性應變,每級荷載的應變增加幅度明顯變大,而中和軸的位置只有微小上移。

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

3 型鋼混凝土T形梁力學性能的影響因素分析

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

2)粘結力的影響。型鋼和混凝土之間粘結比鋼筋和混凝土之間粘結相對差一些,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力的好壞對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作用能保證剪力的可靠傳遞;而當型鋼和混凝土之間沒有粘結作用時,抗剪連接件的設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性,一般在加載后期才出現明顯的滑移,在接近極限荷載時滑移迅速增加。

4 結語

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)縱筋配筋率對型鋼混凝土T形梁的影響較小,在一定范圍內,隨著翼緣尺寸的增大對型鋼混凝土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性,一般在加載后期出現明顯的滑移。

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