鋼板-混凝土組合連梁研究現(xiàn)狀

李海超/華北理工大學(xué)

鋼板-混凝土組合連梁研究現(xiàn)狀

李海超/華北理工大學(xué)

連梁是抵抗地震作用的第一道防線，研究連梁的抗震性能是非常有必要的。鋼板-混凝土組合（PRC）連梁是一種新型的組合連梁，其充分利用鋼板的抗剪承載力，有效的防止連梁發(fā)生脆性破壞，能較好的提高連梁的抗震性能。對(duì)國(guó)內(nèi)外PRC連梁的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和對(duì)比總結(jié)，提出自己對(duì)PRC連梁的一些見解。

鋼板-混凝土組合連梁；抗震性能；研究現(xiàn)狀

一、概述

隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，高層建筑被廣泛的采用。在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻是抵抗地震作用的第一道防線，而連梁在剪力墻體系中又是最先抵抗水平地震作用的構(gòu)件。普通的混凝土連梁已經(jīng)很難滿足抗震性能的要求了。鋼板-混凝土組合連梁最早被國(guó)外的Subdei 等[1]人提出，其具體思路是：在普通混凝土連梁中加設(shè)鋼板，充分的利用鋼板的抗剪承載能力，提高其抗震性能。

二、國(guó)外研究現(xiàn)狀

鋼板-混凝土組合連梁的概念最早是由Subedi等人提出的，他們不僅詳細(xì)的分析了影響鋼板混凝土梁變形能力與強(qiáng)度的一些因素，而且還提出了兩種分析模型—剪壓破壞模型，斜拉破壞模型。

Shsharooz[2]等研究了下型鋼連梁在低周往復(fù)荷載作用下的性能。通過(guò)試驗(yàn)他發(fā)現(xiàn)時(shí)間的滯回曲線非常的穩(wěn)定和飽滿，但是在墻梁交界處的混凝土出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂和剝離。

Harries[3]等進(jìn)行了2個(gè)足尺鋼連梁的試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)他得出以下結(jié)論：無(wú)論是彎曲破壞還是剪切破壞，鋼連梁都具有較好的延性和耗能能力，在腹板首先屈服的情況下耗能更好。

Lam[4]對(duì)5個(gè)鋼板混凝土連梁試件采用模擬地震作用的方式進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明配置鋼板后可以大幅度提高混凝土連梁的抗剪承載力，截面平均抗剪強(qiáng)度可以達(dá)到10Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)《建筑工程英標(biāo)規(guī)范BS81110D (混凝土)》中5Mpa的限值。

三、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

廣西大學(xué)鄧志恒[5]提出了鋼桁架形式的連梁，并在鋼桁架上增設(shè)耗能減震裝置以以增加抵抗地震破壞的能力。通過(guò)對(duì)8個(gè)鋼組合桁架連梁的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在地震作用下，交叉腹桿桁架能明顯的提高連梁的抗剪承載力、并且在延性和耗能能力等方面也有很大的優(yōu)勢(shì)；跨高比小、剛度大的試件承載能力強(qiáng)；此種構(gòu)造的連梁滿足抗震所要求的延性高、塑性好、耗能能力強(qiáng)的要求。

清華大學(xué)張剛[6]對(duì)6個(gè)鋼板-混凝土組合連梁進(jìn)行加載，并結(jié)合有限元分析得出了如下結(jié)論：隨著鋼板厚度的增加抗剪承載力也在不斷增大，鋼板高度越大，抗剪承載力的隨著板厚的加大提高的越明顯，在配板率相同時(shí)，試件的抗剪承載能力與鋼板截面的高厚比正相關(guān)。

彭伙水[7]通過(guò)對(duì)PRC連梁研究，提出在鋼板的兩側(cè)焊接栓釘，增強(qiáng)鋼板與混凝土的粘結(jié)，并在鋼板的端部開設(shè)數(shù)條縫寬為水平箍筋直徑的水平縫，這種構(gòu)造的連梁就成為梳齒PRC連梁。這種連梁的優(yōu)點(diǎn)是方便了水平箍筋的布置，加快施工速度。

馬思文、馬毅[8]（2011年）利用有限元軟件ABAQUS對(duì)組合鋼板混凝土剪力墻連接節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了數(shù)值分析，證明了組合鋼板混凝土連梁與混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)具有更高的承載力、延性和更好的變形性能，承載力和剛度的退化較慢。

史慶軒，田建勃等[9]（2014年）采用有限元軟件對(duì)鋼板-混凝土組合連梁抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出的結(jié)論為:試件的跨高比對(duì)其峰值荷載和屈服荷載有顯著的影響，跨高比越大，連梁的峰值荷載和屈服荷載就越小，二者成反比的關(guān)系，但試件的延性是在不斷的增強(qiáng)的。鋼板越厚錨固在墻肢處的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，連梁的承載能力和剛度就越大。

四、結(jié)論

我國(guó)對(duì)PRC連梁研究的起步較晚，研究成果和國(guó)外相比還很少。研究領(lǐng)域非常廣泛，和普通混凝土連梁相比PRC連梁的優(yōu)勢(shì)非常明顯。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者成果的介紹總結(jié)分析，得出如下結(jié)論：無(wú)論是在抗剪承載力方面，還是延性，滯回性能、耗能以及剛度退化等方面都有很強(qiáng)的提高。PRC連梁在跨高比較小時(shí)發(fā)生剪切破壞，在跨高比較大時(shí)發(fā)生彎曲破壞。

五、展望

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，高層建筑定會(huì)廣泛的被采用，對(duì)連梁的抗震性能要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。普通的鋼筋混凝土連梁已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)抗震性能的要求，這也勢(shì)必會(huì)激發(fā)新型連梁的產(chǎn)生。而PRC連梁在這種環(huán)境中肯定會(huì)有較快的發(fā)展，也勢(shì)必會(huì)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。所以對(duì)PRC連梁進(jìn)行深入的研究是很有必要的，也是有重大的現(xiàn)實(shí)意義的。在以后的PRC連梁研究中應(yīng)放在以下方面：

（1）研究連梁中鋼板的最優(yōu)錨固長(zhǎng)度，這樣會(huì)大大降低連梁的成本，也更加充分利用鋼板的性能。

（2）研究連梁的最優(yōu)跨高比，找到連梁的最優(yōu)跨高比，能防止連梁發(fā)生脆性破壞，提高建筑物的抗性能，保證建筑物的正常使用功能。

[1]N.K.Subedi.Reinforced concrete beams with plate reinforcement for shear Proceedings of Institution of Civil Engineers, Part Z, 1989, 9.

[2]Shahrooz B. M.,Remmetter M. E. and Qin F. (1992), “Seismic response of composite coupled walls”,Proceedings of the Engineering Foundation Conefrence, 14-19 June 1992, ASCE.

[3]Harries K.A.,Mitchell D., Cook W.D.and Red Wood R.G.(1993),“Seismic response of steel beams coupling concrete walls”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 119, No.12, Dec. 1993.

[4] Wai Yin LAM & Ray Kai Leung SU & Hoat Joen PAM. The performance and design of embedded steel composite coupling beams.Proceedings of 13th World Conference on Earthquake Engineering.

[5]鄧志恒, 潘峰, 陶曉光, 等. 新型組合連梁控制結(jié)構(gòu)體系[J].世界地震工程, 2003, 19(3):6-11.

[6張剛. 鋼板混凝土連梁抗震性能的試驗(yàn)研究:[D]. 北京:清華大學(xué), 2005.

[7]彭伙水. 鋼板-混凝土組合連梁的應(yīng)用研究. [J]福建科技,2009年第3期, 總129期, 33-35.

[8]馬思文, 馬毅. 內(nèi)置鋼板混凝土連梁與混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)性能研究. 科技信息, 2011年第15期, 356-357.

[9]史慶軒, 田建勃, 丁鐵鋒, 王南, 王朋, 王斌. 鋼板-混凝土組合連梁抗震性能有限元分析[J]. 西安: 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 05:622-628.