H型鋼-混凝土梁負彎矩的力學變化

李朋亞，孫長昊，高承香，倪亮賢，晏永東

(甘肅電通電力工程設計咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730046)

0 引言

近年來,隨著鋼結構住宅體系的大力推廣和建筑工業化水平的提高,鋼-混凝土復合結構由于其具有結構上的優越性、低碳、環保等優點,已被大眾所接受。且H型鋼混凝土組合梁因其自重輕、承載能力高等優良特性,在鋼結構建筑中得到廣泛應用[1]。

組合梁混凝土板在正彎矩作用下與鋼梁表現出良好的協同效應。目前,現澆和預制裝配式組合梁在正彎矩下的力學性能在學術界已經得到了較好的研究。在框架結構中,由于處于支撐狀態的連續梁構件通常會產生很大的負彎矩,因此必須對其進行分析。混凝土板在組合梁負彎矩作用下承受拉應力,由于混凝土開裂強度低,裂縫的發展對組合梁的力學性能有較大的不利影響。邢萬里等[2]研究了現澆柱組合梁在負彎矩下的抗裂性。結果表明,外預應力可有效提高組合梁的綜合應力性能,對滑移有顯著影響。張冬芳等[3]和秦華乾等[4]考慮了混凝土板和鋼梁之間滑動對組合梁剛度的不利影響。在原有等效截面的基礎上改進撓度計算方法計算剛度,對現澆柱組合梁撓度計算具有較高的精度。武芳文[5]提出了一種新的抗拔限制和允許滑移技術。結果表明,對剪切連接器的改進可以在不改變試件剛度和極限承載力的情況下大大改善混凝土的開裂性。

目前,H型鋼混凝土疊合板組合梁在負彎矩下的力學性能尚不清楚。基于此,本文分析了負彎矩下3種不同結構形式的H型鋼混凝土疊合板組合梁破壞模式、荷載撓度、撓度分布、界面滑移、斷裂分布的差異,驗證了預制底板預埋角連接器鋼疊合板組合梁應力的合理性。通過對鋼筋混凝土復合結構體系的受力分析,可以為實際工程的實際應用及設計工作帶來一定的借鑒意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣設計

新能源商用車電控及驅動系統研發與產業化建設項目2號樓(研發廠房)為鋼結構廠房,其中鋼結構采用H型鋼混凝土疊合板組合梁,該組合梁具有較好的強度與抗彎性能,可以滿足該工程的使用。但在鋼結構安裝時,發現組合梁由于鋼結構變化,會產生負彎矩,對組合梁的力學性能會產生極大的影響,且會對鋼結構整體性能產生不利的影響。需要對組合梁進行加固,并研究組合梁在負彎矩下的變化。因此根據規范要求,設計了三個全尺寸復合梁試件ZJB,SCL1和SCL2。ZJB為H型鋼混凝土疊合板復合梁。SCL1是一種H型鋼筋混凝土疊合板復合梁,采用預制底層平面帶彎頭鋼筋的形式。SCL2為預制底板嵌入新型角鋼連接件,組合梁的具體尺寸見圖1。

1.2 試驗材料

三組試件的鋼梁尺寸和材質相同,鋼梁的尺寸為熱軋中翼緣H型鋼,梁具有316 mm的高度、200 mm的翼緣、6 mm的腹板和8 mm的翼片的厚度。梁的總長3 960 mm,其設計強度為Q235。梁用單排螺柱剪切連接器焊接,螺柱的類型是M16-100,直徑為16 mm,高度100 mm,螺柱的間距是250 mm。

鋼筋混凝土板的整體長度是3 960 mm,和鋼梁一樣。單個預制底板的大小是1 320 mm×450 mm×60 mm,縱向和橫向鋼筋用8@100。預埋件和現澆混凝土的設計強度分別為C30。SCL1,SCL2各有6個預制底板,預制底板的上弦和下弦分別為10 mm和8 mm HRB400級鋼筋,腹板為6 mm HPB300級鋼筋。角鋼為∠50 mm×32 mm×4 mm,長度為60 mm,角鋼上的彎曲鋼筋為6 mm HRB400級鋼筋。ZJB是在SCL1和SCL2現澆層中澆筑的對比組,鋼筋網是雙向雙層鋼筋,鋼筋規格為8@100 mm。

1.3 試驗方法

使用范圍為50 kN的液壓千斤頂在簡支梁跨度內提供垂直集中荷載。為了在負彎矩下使受拉組合梁上的混凝土板和受壓鋼梁下翼緣的應力狀態相等,組合梁的頂部和底部倒置并簡單支撐,荷載通過厚度為2 mm、邊長為200 mm的鋼板施加在組合梁跨中鋼梁的下翼緣上。測試確保垂直荷載與組合梁的重心位于同一垂直平面內。在開始荷載作用下,先用20 kN左右的載荷進行預荷,然后進行卸荷。載荷可劃分成力矩和位移兩種形式,15 kN為第一級加載,直到載荷達到150 kN,150 kN之后為300 kN,直到力不能明顯增加,再轉換成連續載荷的位移。在發生過量變形后,繼續對試件進行持續的加載,直至其處于測試終止狀態。

測量包括撓度、滑移、裂縫。撓度、滑移是用位移計測量的[6];裂縫是用裂縫觀測儀測量寬度的。其中W-1—W-6為組合梁撓度測定位移計,R-1—R-4為組合梁組合界面自由端滑移,S-1—S-3為組合梁組合界面相對滑動測定位移計。具體布置如圖2所示。

2 結果與討論

2.1 荷載位移曲線

圖3為跨中荷載位移曲線。由圖3可知,在加載階段開始時,組合梁處于彈性階段,隨著荷載的增加,位移呈線性增加,鋼梁和混凝土疊合板共同作用,抵抗荷載。SCL1和SCL2的開裂荷載相同,大致在75 kN,這個階段的線剛度為39 kN/m。ZJB比這兩個小,開裂荷載約為60 kN,線剛度為30 kN/m。當試件開裂后,隨著荷載的增加,曲線由線性變為非線性并逐漸變慢,線剛度逐漸變小,三組試件的抗彎能力都有所下降。造成這種現象的原因是,隨著荷載的增加,混凝土疊合板和鋼梁逐漸滑移,協同效應降低,裂縫迅速增長[7]。SCL1的屈服荷載為240.9 kN,SCL2的屈服荷載為255.2 kN,整澆疊合板的屈服荷載為248.2 kN。SCL1的屈服位移為10.2 mm,SCL2的屈服位移為13.8 mm。這說明角鋼剪力連接件可以抵抗混凝土疊合板和鋼梁之間一定的滑移,加強鋼梁-混凝土疊合板的整體性,增加其協同能力,提高整體剛度。加載后期為破壞階段,由于荷載的增加,鋼梁翼緣在加載墊附近發生局部屈曲。隨著位移的增加,承載力急劇下降,三塊板的最終破壞形式大致相同,在組合梁的混凝土板底中心形成貫穿性裂縫。三塊板的極限荷載大致相同,可以看出,角鋼連接件對極限荷載的影響很小。

2.2 荷載-滑移分布

角鋼連接件的拉桿伸入疊合板的內部,與整個板塊一起澆筑,下部與鋼梁焊接,可以傳遞混凝土疊合板與鋼梁界面產生的剪力,是整個鋼筋混凝土復合板梁協同作用的關鍵。在試驗中,為了測量中跨、1/4L、支座上部與梁末端與梁末端的鋼混凝土接觸面的相對滑動,同時根據載荷和位置的對稱性選取了半跨進行測量。但由于滑移呈現出不規則性,這是因為在加載后期出現了更嚴重的裂縫開口,所以本文只選擇了構件屈服前的相對滑移進行分析。

圖4為荷載滑移曲線。除加載后期外,三組組合梁的梁端滑移與支座滑移大致相同。隨著荷載的增加,相對位置的滑移也在增加,跨中部分的滑移基本為0。對于SCL1,當荷載為90 kN時,滑移量發生了突變,而突變的位置在兩塊預制底板的連接處。這一現象與SCL2相同,但SCL2的加載力為180 kN。ZJB的滑移量突然變化的位置與SCL2相似,這說明SCL2的整體性與現澆板相同,比SCL1好,能更好地傳遞界面剪力。SCL1的最大滑移產生在1/4L。SCL2和ZJB的最大滑移是在組合梁的末端產生的。造成這種現象的主要原因是SCL2的剪切連接效果最好,SCL1最差,而ZJB處于中間。對于加載的SCL1,軸承在板上產生的局部反作用力很大,大于滑移產生的剪切力,大大限制了其滑移。對于SCL2和ZJB,支座產生的局部壓力較小,混凝土疊合板和鋼梁共同作用產生的合力超過了支座的局部壓力,對支座滑移的抑制作用降低[8]。從整體上看,在相同的相對位置和相同的荷載水平下,SCL2產生的滑移量最小,ZJB次之,而SCL1最大。在100 kN的載荷下,SCL1的滑移量為0.356 mm,SCL2為0.184 mm,ZJB為0.196 mm。SCL2的滑移小于SCL1的一半,是ZJB的95%。由于界面的滑移量隨著剪切連接度的增加而減少,剪切連接的角鋼不僅有拉桿伸入上層疊合板,而且與鋼梁焊接在一起,可以有效傳遞疊合板和鋼梁截面產生的部分剪切力,從而抑制截面的滑移。

2.3 裂縫分布和特征

通過對比上述試驗結果,可以明顯看出,與SCL1和ZJB相比,SCL2的裂紋生成延遲。這主要是由于SCL2比SCL1,ZJB的剪力結合要大,在SCL1,ZHB上的滑動比SCL2大,所以可以認為SCL1和ZGB混凝土板的縱向變形比SCL2大。這也進一步表明,在相同載荷水平下,SCL2的撓度小于SCL1和ZJB的撓度,因此彎曲曲率也較小,不太可能產生裂紋。

裂縫的具體分布情況如圖5所示。三組復合梁的主要裂縫都發生在跨中段,從裂縫的分布來看,三組復合梁的排列和分布都很相似。這說明預制層和現澆層之間的混凝土黏結性能良好,沒有發生沿層表面的剪切破壞。且在連接處和支撐段之間,出現了橫向裂縫,說明連接處的力傳遞良好。隨著荷載的增加,支座附近的剪力跨區出現了縱向分裂裂縫,由于鋼梁傳遞的高壓,在支承附近,混凝土產生了剪力開裂。與SCL1,ZJB相比,SCL2具有較小的剪切斜裂縫。其主要原因在于,在同等載荷下,鋼筋混凝土板在同樣的載荷水平下,具有較好的連接性能,且剪力的滯后作用更為顯著。所以,斜縫在支承部位的分布要小于鋼筋的斜縫。且預制底板鋼筋有助于阻止縱向劈裂裂縫,這證明了角鋼連接件對鋼疊合板組合梁縱向劈裂裂縫的抑制作用。這再次驗證了橫向配筋具有抑制縱向劈裂裂縫的效果。由于裂縫對結構影響較大,因此在本工程復合梁就位后,與基座立柱的中線相符合,四邊協調,調整臨時連接板,并將固定螺栓套入。在完成吊裝、初校合格后,才能進行下一步工作。在施工中,應注意復合梁上、下端的對接要精確;對接縫太大,會導致復合梁的受力偏差,增加了校正工作量,也會產生裂縫。在安裝過程中,需要將臨時螺栓固定好,采用雙夾板對接技術,確保鋼柱的連接穩定。在安裝鋼柱之前,應安裝操作平臺,安裝爬梯和安全保護措施,并焊接好防墜繩套和固定爬梯,清除灰塵,防止異物對復合梁產生影響,進而誘發裂縫產生。

2.4 鋼筋的應變分布

為進一步探究三種組合梁在負彎矩作用下的鋼筋變化情況,對鋼筋應變分布進行了研究,結果如圖6所示。

圖6(a)顯示,在SCL1橫斷面上,橫斷面的應變是非線性的曲線,不能滿足平面假定。這主要是由于鋼梁與鋼筋桁架混凝土復合層間的結合界面發生了較大的滑動,使得結構的斷面變形發生在兩種不同的空間軸線上。

圖6(b)為SCL2跨中截面高度方向上的截面應變在加載的第一階段具有線性分布,但剪切滯后效應導致單個混凝土應變的非線性變化,并且截面符合平面截面假設。H型鋼混凝土疊合板與鋼梁配合良好,且鋼梁與H型鋼混凝土疊合板之間的界面不會產生相對滑移。加載后期,截面應變在高度方向上近似呈線性分布,鋼梁與H型鋼混凝土疊合板之間的界面產生的相對滑移很小,但截面符合平面截面假設。

圖6(c)顯示,ZJB的應變分布趨勢與SCL2大致相同,呈線性分布,截面符合平面截面假設。由于在相同載荷下,ZJB相對位置的應力-應變大于SCL1和SCL2,說明在相同條件下,疊合板的傳遞性能優于整塊鑄板。三組試件中的鋼筋中性軸在彈性階段由于混凝土開裂而有上升的趨勢。

3 結語

1)三個復合梁試樣最終都因混凝土板中的鋼筋被拉動而損壞,顯示出典型的彎曲損壞特征和類似的極限承載力。

2)疊合梁的復合面沒有發生剪切破壞,復合梁的整體受力性能良好。三個組合梁間裂縫的位置類似,其中角鋼筋接頭對組合梁體的縱裂開裂具有一定的控制效果。

3)預制底板嵌入新角鋼連接件的H型鋼混凝土疊合板復合梁是一種性能更好、抗彎剛度更大的組合。

4)預埋新角鋼連接的H型鋼混凝土疊合板復合梁的滑移量小于預制底板彎桿突出和疊合澆筑板的滑移量,最大滑移量僅為預制底板彎桿突出的1/2。

5)在負彎矩下的H型鋼混凝土復合板的復合結構中,剪力角連接件可以代替從疊合底板上伸出的彎曲鋼筋,實現不延長疊合底板的配筋。