腹板圓形開孔PEC梁抗剪承載能力分析

黃雙成

摘要：隨著建筑業的發展，高層建筑的數量增長不斷提升，混凝土包裹腹板開孔梁逐漸展現著優勢，適應時代發展。梁腹板上的開孔使結構更為美觀、對管線布置提供了便利，且降低了建筑的層板厚度，發展前景可觀。本文通過對工字型型鋼腹板圓形開孔PEC梁進行了數據分析、理論推導及合理的有限元建模分析，驗證了其抗剪承載可靠性。提出了對該類復合梁研究的前景展望。

關鍵詞：部分混凝土包裹PEC梁，腹板圓形開孔，抗剪承載分析，有限元建模

1 引言

隨著建筑智能化程度的普及，建筑結構輔助設施應用程度不斷提升，使得建筑管線安裝不得不考慮從結構梁底進行穿行布設，在保證建筑物凈高滿足功能需求的條件下，房屋層高勢必會增加，從而使得工程造價增加，高層結構中此現象尤為突出。傳統復合梁雖然有著制作方便的優點，但是隨著建筑工業的發展，傳統鋼-混梁在高層建筑中的管線架設、通風等方面的缺陷已逐漸滿足不了時代的需求。新型腹板開孔鋼-混凝土PEC梁克服了此缺點，腹板開孔為栓釘的布置提供了便利，具有良好縱向抗剪性能，并且可在工廠里加工時直接將栓釘布置妥當，從而很大程度的節約了現場加工產生的成本。因此，對型鋼開孔的PEC梁的研究有著重大的意義。

2 理論分析

（1）開孔梁斜截面抗剪承載破壞形態

對于開孔梁的抗剪切承載能力，在對型鋼梁腹板位置進行圓形開孔后，梁的整體性就會被削弱，從而使得梁體腹板開孔處成為了全梁的薄弱部位，可能造成提前開裂及失效破壞。對于開孔梁斜截面，破壞形態主要體現為剪壓破壞、斜拉破壞、開孔側砼的斜壓破壞、開孔側砼的斜拉破壞和弦桿的剪切破壞五種形式。腹板圓形開孔PEC梁的受力大致可分為彈性、彈塑性和極限破壞三個階段。

（2）剪應變分析

型鋼梁的剪切應變是通過三向應變花測量得到，應變花布置角度為45°，根據平面應變理論分析：剪應變：

兩主應變及主應變與x軸的夾角為：

分析得出，雖然數據具有一定的離散性，但仍呈現一定的規律。在構件開裂前，各混凝土測點應變基本呈線性變化，構件處于彈性階段，砼體主要承受抗剪作用。當試件開裂時，砼體應變突然增加，隨著繼續增加荷載，砼體最終被切斷，荷載溢出。

（3）滑移微分方程分析

在正常荷載作用下，鋼梁處于彈性工作階段，混凝土翼緣板的最大壓應力也處于應力-應變曲線的上升段，這已被大量的試驗分析及數值理論計算所驗證。為了使得問題更為簡化，可將組合梁簡化成一個彈性體來進行對其滑移效應的分析。在荷載作用下復合梁中的型鋼與混凝土的應變沿著截面方向呈線性分布。混凝土梁和型鋼交界面的彎曲曲率相同，兩者間無豎向翹起，復合梁中剪力連接構件處于彈性工作狀態。

（4）抗剪破壞機理

由于無腹筋梁在破壞時無征兆且裂縫開展迅速，承載能力較差，在實際工程中的應用價值較低。因此在實際情況中，需要配置一定數量的箍筋及斜筋來提高構件的抗剪承載力。對于有腹筋梁的結構，在未發生開裂前，腹筋處應力幾乎為零，剪力主要在梁腹板中的砼體內傳遞。當構件產生斜裂縫后，構件整體內力發生重分布情況，表現為：斜裂縫處的箍筋和混凝土共同承受剪力作用，與斜裂縫相交的箍筋應力產生突變，對于此時梁的受力模型，可將其簡化成一個多腹桿的桁架模型，而箍筋和梁腹板內被斜裂縫所分割的砼可分別看做為桁架受拉腹桿及受壓腹桿，縱向受拉筋變為桁架的下弦受拉弦桿，上部剪壓區內的砼可看作為整個桁架的受壓弦桿。

（5）公式推導

實腹梁（未開孔梁）抗剪強度計算公式可統一為：，在集中力荷載作用下簡化為一個公式計算，當考慮抗震作用時，集中力荷載作用下的剪力計算公式為：

由已有的開孔梁研究資料顯示，型鋼的開孔直徑不宜大于0.4倍的梁高，剪跨比為2.5時作用的承載力為最大。開孔處取斜壓角為45°，取受力最大處的截面進行計算，根據實腹梁的抗剪承載力的計算公式推導分析可得，型鋼腹板圓形開孔PEC梁的抗剪承載計算公式可以表達成：

通過現有的型鋼混凝土梁抗剪開裂荷載的計算理論分析得到：在合理的開孔情況與環箍補強的作用下，工字梁腹板圓形開孔的混凝土包裹梁的開裂荷載與實腹梁的開裂荷載較為接近。采用環形箍筋補強作用下的開孔梁，開孔處和未開孔處的開裂荷載差異不大，證實了環形箍筋對型鋼開孔造成的抗裂度下降有著一定的補強作用。

3 限元建模分析

通過ABAQUS軟件進行建模分析顯示，有限元模擬與試驗結果良好吻合。梁體隨著荷載的增加，跨中撓度也不斷增加，且撓度值最大部位位于梁跨中;在不同剪跨比下，梁體的抗剪承載力極限有差異，剪跨比越小的抗剪承載力越大，且通過對比得到：剪跨比對影響梁體抗剪承載力程度大。受力過程明顯分為了彈性、彈塑性及破壞極限三個階段，分析結果與現有理論吻合。

4 結論

部分包裹混凝土PEC梁作為一種新型復合截面形式梁，通過對梁體進行混凝土部分包裹可提高結構的防腐及抗火性能，也為結構提供了一定的剛度，從而避免其失穩破壞;混凝土的抗壓性能特點及鋼材的翼緣抗拉性能、腹板抗剪性能在復合梁中得到了綜合發揮。

在現有的混凝土梁抗剪承載力理論分析的基礎上，與型鋼腹板圓形開孔混凝土梁抗剪破壞模態進行合理分析，分析得到了相應的抗剪承載力計算公式，為類似的型鋼開孔混凝土組合梁抗剪承載力的分析提供了重要的理論依據。PEC梁腹板開孔工藝對改善梁結構承載力具有一定的改良效果，改善了房建的施工工藝，為房屋設施設備管線的布置提供了便利，合理的降低了建筑成本。腹板開孔PEC梁的發展前景可觀。

【參考文獻】

[1] 鐘新谷，舒小娟，沈明燕，莫時旭，謝文.鋼箱-混凝土組合梁彎曲性能試驗研究.建筑結構學報，2006，27（1）：71-98.

[2] 趙橋榮.外包型鋼混凝土梁性能研究：[碩士學位論文].西安：西安建筑科技大學，2004.

[3] 陳以一，王拓. 半組合結構壓彎構件滯回試驗的有限元模擬. 建筑科學與工程學報2010，27（1）：84-88.

中建八局第二建設有限公司