角鋼連接件木-混組合梁變形計算方法研究

彭樂寧，彭 睿，曹雅蒙

(中南林業科技大學 土木工程學院，長沙 410004)

角鋼連接件木-混組合梁變形計算方法研究

彭樂寧，彭 睿，曹雅蒙

(中南林業科技大學 土木工程學院，長沙 410004)

為了研究角鋼連接件木-混組合梁在靜載作用下變形規律，本文進行了3組木-混組合梁靜載試驗，考察了木-混組合梁的變形發展過程，得到了組合梁跨中的荷載-撓度曲線、組合梁界面滑移沿梁長分布.通過分析界面滑移對組合梁剛度的影響，在參考鋼-混組合梁變形計算的一般公式基礎上，將其應用于木-混組合梁變形計算，并將該方法與目前常用的換算截面法進行對比分析.試驗結果表明：角鋼可以作為連接件用于木-混組合梁，組合梁界面滑移值從梁端向跨中逐漸減小，但不符合線性關系，界面滑移值沿跨中截面對稱.采用換算截面法和采用考慮界面滑移的撓度計算一般公式的撓度計算值均比實測值小，但采用考慮界面滑移的撓度計算一般公式的撓度計算值與實測值之比值穩定在0.8左右.

木-混組合梁；角鋼連接件；荷載-撓度曲線；界面滑移；變形計算公式

木-混組合梁是將木梁與混凝土翼板通過各種剪力連接件組合在一起從而共同工作的構件.20世紀50年代以后，木-混組合結構頗受關注.在美國、芬蘭等歐美國家，木-混組合梁開始用于建造橋梁、房屋以及既有木結構的改造、加固[1]，取得了巨大的經濟和社會效益.自20世紀90年代以來，隨著木-混組合梁應用的增加，國外學者開始對組合梁的剪力連接件和受力性能進行了較為系統的研究[2-4].研究提出了3種常見的剪力連接件：釘類連接件、金屬板連接件、剪力鍵連接件.在國內，對木-混組合梁的研究幾乎處于開始階段，2010年開始，胡夏閩[5]教授對螺釘連接件木-混凝土組合梁進行了靜力試驗研究，分析了剪力連接度、界面滑移對工程木-混凝土組合梁截面抗彎承載力、截面抗彎剛度和撓度的影響.研究表明，隨著剪力連接度的降低，組合梁的變形和界面相對滑移增大，彈性受彎承載力和極限受彎承載力隨之減小.因此，連接件是組合梁在荷載作用下共同受力的關鍵，對組合梁連接件的研究變得尤為重要.角鋼連接件具有較強抗剪能力和抗剪剛度，減少界面滑移從而保證組合梁共同受力，且與木梁和混凝土板有較大的接觸面積，避免在連接件處產生過大的應力集中.

鑒于此，本文通過對3根包含不同角鋼連接件的組合梁在2點靜力荷載下加載試驗，研究其變形發展過程，得到組合梁跨中荷載-撓度曲線、組合梁界面滑移沿梁長分布，通過分析界面滑移對組合梁剛度的影響，提出了在靜載作用下角鋼連接件木-混組合梁的變形計算的一般公式.

1 試驗概況

1.1 試件設計

依據木-混組合梁角鋼連接件推出的試驗結果[6]，確定角鋼埋置木梁的埋深為20 mm，設計3根長 3 200 mm木-混組合梁試件，編號為WCCB-200，WCCB-250，WCCB-400，組合梁截面高度為260 mm，混凝土翼板采用鋼筋混凝土，翼板高60 mm，寬400 mm，木梁高200 mm，寬120 mm板內構造鋼筋為：縱向 Φ6@200，橫向Φ6@100，組合梁截面尺寸如圖1所示.角鋼尺寸為L50×50，木梁通過將東北落葉松板材膠合而成，長 3 200 mm，計算跨徑 3 000 mm.試件WCCB-200按梁長方向間距200 mm在木梁中線處布置角鋼；試件 WCCB-250按梁長方向間距250 mm在木梁中線處布置角鋼；試件WCCB-400按梁長方向間距400 mm在木梁中線處布置角鋼，組合梁角鋼布置如圖2所示.試件參數見表1.

圖1 組合梁橫斷面圖

圖2 組合梁角鋼布置圖

表1 試件的主要參數

1.2 試件加載與數據量測

試件加載如圖3所示，采用2點對稱加載.

圖3 組合梁兩點對稱加載示意圖

試驗主要量測內容有：①跨中撓度；②組合梁界面滑移；③跨中截面混凝土應變；④跨中截面木梁應變等.現場加載試驗裝置如圖4所示，數據采集系統如圖5所示.

圖4 組合梁加載裝置

圖5 組合梁數據采集

2 試驗結果與分析

2.1 破壞特征

3個試件破壞形態均為彎曲破壞，加載初期，木梁與混凝土板共同受力，產生豎向撓曲變形.隨著荷載增加，試件交界面處發出輕微吱吱響聲，表明混凝土板和木梁之間的自然粘結發生局部破壞.當加載到60%～65%Fu(Fu為極限荷載)時，組合梁的撓度明顯增大，集中荷載點下混凝土板下緣出現橫向裂縫；當加載到70%～80%Fu時混凝土板下緣裂縫由下緣向頂部方向發展，木梁發出撕裂聲，木纖維開始出現受拉破壞，且隨著荷載增大，木梁的撕裂聲逐漸增大，混凝土板裂縫向頂板發展貫通；當荷載增加到Fu時，跨中底部木梁突然發出巨裂響聲，發生撕裂破壞(如圖6所示)，混凝土板在集中力位置處裂縫橫向貫通，純彎段出現多道橫向裂縫(如圖 7所示)，跨中撓度急劇增大，發生明顯彎曲變形，組合梁喪失承載能力.

圖6 木梁撕裂

圖7 混凝土板橫向開裂

2.2 荷載-撓度關系曲線

試件測得的跨中截面荷載-撓度曲線如圖 8所示，F為試驗施加荷載，撓度為組合梁跨中截面撓度.試驗初期，組合梁跨中撓度與荷載基本呈線性增加關系，3組試件的荷載-撓度曲線基本重合.當荷載增大時，由于交界面滑移、混凝土板開裂以及木梁底部撕裂，組合梁剛度下降，跨中撓度增長速率明顯快于荷載增加速率，荷載-撓度關系呈非線性關系，3組試件的荷載-撓度曲線逐漸偏離，WCCB-200試件由于制作缺陷，最早破壞.在極限荷載時，組合梁跨中撓度達到最大值，木梁發生脆性破壞.

圖8 組合梁跨中截面荷載—撓度曲線

2.3 組合梁界面滑移沿梁長分布

測得 3組試件在 WCCB-200試件破壞荷載Fu=65 kN時各組合梁界面滑移沿梁長分布曲線如圖9所示，坐標原點為交界面跨中截面，橫軸代表測點距跨中截面距離，豎軸代表滑移值.由圖9可知，界面滑移值由梁端向跨中逐漸減小，跨中滑移值近似為 0，組合梁的界面滑移值沿梁長分布規律為沿跨中截面對稱，且與角鋼布置間距成正相關.

圖9 組合梁界面滑移沿梁長分布曲線

表2 計算結果與實測結果對比

3 組合梁變形計算方法

基于木-混組合梁靜載試驗破壞機理，國內外學者對組合梁的變形計算提出了不同的分析模型，但未形成專門的規范統一公式，目前常用的計算方法主要有換算截面法、“γ法”和Grammar法.本試驗木梁是將天然木材加工成設計尺寸板材，然后再用木結構膠將板材膠合成試驗木梁，由于加工方式工業化，成品質量穩定，力學性能可靠性大大提高，克服了傳統木材的缺陷，因此在計算組合梁跨中撓度時不考慮木材的各向異性.本文參考聶建國、沈聚敏針對鋼-混組合梁考慮滑移效應變形計算的一般公式文獻的基礎上[7]，將其用于角鋼連接件木-混組合梁變形計算，并與實驗結果進行對比.計算式為式中：為木-混組合梁彈性換算截面法計算的撓度；Δω2為木-混組合梁2點對稱加載下由滑移效應引起的附加撓度；和分別表示混凝土翼板和木梁的面積和慣性矩；n為木梁與混凝土的彈性模量之比；F為外荷載之和；h為梁高；a為連接件間距；K為角鋼連接件剛度系數；l為梁跨徑；b為集中荷載加載點距跨中截面距離.

采用組合梁變形計算一般計算公式的計算值和換算截面法的計算值，與本文3組試件在組合梁線性階段末端荷載(F=0.3～0.4Fu=30 kN)加載下變形值實測結果進行對比，如表2所示.

4 結論

(1)角鋼可以作為一種新型剛性連接件應用于木-混組合梁.

(2)角鋼連接件木-混組合梁從初始加載至0.3～0.4Fu荷載(Fu為破壞荷載)，跨中撓度與荷載為線性關系.

(3)角鋼連接件木-混組合梁界面滑移值從梁端向跨中逐漸減小，但不符合線性關系，跨中滑移值可以近似為 0，界面滑移值沿梁長分布規律為沿跨中截面對稱.

(4)界面滑移使組合梁剛度減少，通過換算截面法撓度計算值偏小、考慮界面滑移的撓度計算一般公式撓度計算值與實測值之比值較穩定(0.8倍左右).

[1]NATTERER J, HAMM J, FAVRE P. Composite wood-concrete floors for multi-story buildings[C]//Proceedings of the International Wood Engineering Conference. Vol. 3. Louisiana:New Orleans(USA), 1996: 431-435.

[2]YEOH D, FRAGIACOMO M, MARY D F, et al. State of the art on timber-concrete composite structures: literature review[C].Journal of Structural Engineering, ASCE, 2011: 1085-1095.

[3]CAPRETTI S, CECCOTTI A. Time dependent analysis of timber and concrete composite structures[C]. Proceedings of the RILEM International Symposium, ACMAR-Ravenna, 1992: 200-220.

[4]ENV 1995-1-1. Eurocode 5: Design of timber structures, Part 1.1:General rules and rules for building[S]. European committee for standardisation, 1993

[5]胡夏閩, 李巧, 彭虹毅, 等. 木-混凝土組合梁靜力試驗研究[J].建筑結構學報, 2013, 34(S1): 371-376.

[6]陳偉. 工程木-混凝土組合梁受力性能分析與試驗研究[D]. 長沙: 中南林業科技大學, 2016.

[7]聶建國, 沈聚敏, 袁彥聲. 鋼-混凝土簡支組合梁變形計算的一般公式[J]. 工程力學, 1994(1): 21-27.

(責任編校：陳健瓊)

The Calculation Method of the Transfiguration of theTimber - Concrete Composite Beams

PENG Lening, PENG Rui, CAO Yameng
(College of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, Hunan 410004, China )

In order to study the deformation rule under the static load of the Angle steel connecting pieces of timber - concrete composite beams, three groups of wood - mixed beam static load test were carried out. In this paper the deformation and development process of wood - mixed composite beams were investigated, and the load - deflection curve and the composite beam interface slip along the beam in the span of the composite beams were obtained. By means of the analysis of the influence of interface slip on composite beams stiffness, deformation of steel and mixed finite element calculation in reference on the basis of the general formula is applied to wood - mixed finite element deformation calculation, and the method and the commonly used transformed section method were analyzed. The test results show that the Angle can be used as a fitting for wood composite beam, composite beam interface slip value decreased gradually from the beam end to cross, but do not conform to the linear relationship, the interface slip value along the cross section in symmetry. Using the transformed section method and by considering the interface slip deflection calculation method, the deflection calculation of the general formula is smaller than the measured values, but by considering interface slip deflection calculation formula of the deflection calculated values and the measured values of the ratio stable at around 0.8.

timber-concrete composite beams; angle steel connector; load-deflection curve; interface slippage; deformation calculation formula

TU398+.9

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0004

1672–7304(2017)05–0018–05

2017-09-01

國家自然科學基金項目(51478485)；湖南省工程實驗室開放基金項目(HELFMTS1706)

彭樂寧(1990-)，男，湖南祁東人，碩士研究生，主要從事橋梁與隧道工程研究.E-mail: 1017878031@qq.com