新型组合结构——给水钢管混凝土组合梁的试验研究.pdf
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1、 四川 I 建筑科学研究 S i c hu a n Bu i l di n g S c i e n c e 第4 0卷第 4期 2 0 1 4年 8月 新型组合结构给水钢管混凝土组合梁 的试验研究 张 祁 , 应 泺 , 王清远 , 沈培文 , 伍云天 ( 1 重庆市建筑科学研究院, 重庆4 0 0 0 1 5 ; 2 协信地产控股有限公司, 重庆4 0 0 0 0 5 ; 3 四川大学建筑与环境学院, 四川 成都6 1 0 0 6 5 ; 4 重庆大学土木工程学院, 重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要: 对模拟实际工程中将给排水钢管埋于梁内的组合梁进行了试验研究, 为在工程中更好地应用与完
2、善钢骨 混凝土结构设计理论提供试验依据。根据 6根不同的埋梁给排水钢管组合梁的三点弯试验结果, 研究该特殊的组 合结构构件正截面抗弯的受力性能、 刚度和构件的裂缝发展与破坏形态。从现有的几种计算方法出发建立适合该 组合梁的计算公式。并对几种计算方法的优缺点进行了分析和讨论, 以便工程应用。 关键词 : 组合梁 ; 粘 结滑移破 坏 ; 正截面抗弯承载力 ; 延性 ; 二期承载力 中图分类号 : T U 3 9 8 7 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 6 0 0 7 A n e w t y p e c o m p o s i t
3、 e s t r u c t ur e e x p e r i me n t a l r e s e a r c h o f c o mp o s i t e b e a ms wi t h wa t e r s u p p l y s t e e l p i p e Z H A N G Q i , Y I N G L u o , WA N G Q i n g y u a n , S H E N P e i w e n , WU Y u n t i a n ( 1 C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d
4、 i n g S c i e n c e , C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 5 , C h i n a ; 2 S i n c e r e P r o p e y Ho l d i n g s L i mt e d, C h o n g q i n g 4 0 0 0 0 5, C h i n a; 3 Th e Co l l e g e o f Ar c hi t e c t u r e a n d En v i r o n me n t o f S i c hu a n Uni v e r s i t y, Ch e n g du 61 00 65, Chi n
5、a; 4 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 , C h i n a ) Abs t r ac t: I n t h i s p a p e r , t h e e x p e rime n t a l ba s e i s pr o v i d e d t o pe r f e c t t he s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e
6、 s t r uc t ur e d e s i g n t h e o r y a n d a pp l y i t wi d e l y i n t he a c t ua l e n g i ne e rin g, b y d o i ng e x pe r i me n t al r e s e a r c h o f c o mp o s i t e b e a ms wi t h wa t e r s u pp l y a nd d r a i n a g e s t e e l p i p e t ha t b u ri e d i n t h e b e a m s i mu
7、l a t e t h e p r a c t i c al e n g i n e e ri n g T h e c r o s s s e c t i o n b e n d i n g f o r c e p e rf o r ma n c e , s t i f f n e s s o f t h e s p e c i a l c o mp o s i t e s t r u c t u r e c o mp o n e nt a n d i t S f r a c t u r e d e v e l o pme n t a n d f a i l u r e t y pe i s
8、r e s e a r c h e d, a c c o r d i n g t o t he t h r e e b e n di n g t e s t r e s ul t s o f s i x d i f f e r e n t c o mp o s i t e b e a ms wi t h wa t e r s u p p l y a n d d r a i n a g e s t e e l p i p e T h i s p a p e r t r i e s t o e s t a b l i s h s u i t a b l e c a l c u l a t i o
9、n f o r mu l a o f t h e c o mp o s i t e b e a ms f r o m s o me e x i s t i n g c alc u l a t i o n me t h o d s I t a l s o a n aly s e s a n d d i s c u s s e s me rit a n d d e me ri t o f t h e s e v e r a l c alc u l a t i o n me t h o ds f o r e ng i ne e rin g p r a c t i c e Ke y wo r d s
10、: c o mp o s i t e b e a ms ; b o n d s l i p d a ma g e; fl e x u r a l c a p a c i t y ; d u c t i l i t y ; p h a s e 1 I b e a ri n g c a p a c i t y O 引 言 我国从 2 0世纪 8 0年代开始对该类组合结构进 行 了较为系统的研究 , 并已经应用于工程实践 。先 后颁布了 钢骨混凝土结构设计规程 和 型钢混凝 土组合结构技术规程 两部规程, 但由于两部规程 只列出了一般的受力情况。连十字形钢骨都没有完 整的理论公式 , 只提出了一种对
11、于压弯构件非常粗 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 0 6 - 0 3 作者简介 : 张祁 ( 1 9 8 1一) , 男 , 湖南 祁 阳人 , 工学 硕士 , 主任 工程 师 , 主要从事复杂高层结构设计 和高边坡 、 加 固与组合结 构 、 结构优 化方面设计与研究工作。 E m a i l : z h a n g q i t h x 1 63 C O II l 略的查表核算法。对于本文研究的圆钢管与空心圆 钢管并未提及 。但两部规程都建议在抗震结构中宜 采用实腹式钢骨混凝土构件 。此外 , 两部规程 只介 绍了钢骨对称配置 的情况 , 而钢骨不对称配置 的情 况研究的比较少 , 并且
12、其他研究者也是停 留在工字 钢与 T型钢的不对称配置 的情况 , 钢管 的情况更 复 杂。本文研究 的新型组合梁是以给排水钢管内埋作 为钢骨的组合梁 , 该组合 梁结构属于钢骨混凝 土梁 的特殊形式。 1 试件概况 1 1 试件设计与制作 本次试件的制作和试验都在四川大学水力学与 2 0 1 4 N o 4 张祁 , 等: 新型组合结构给水钢管混凝土组合梁的试验研究 6 1 山区河流保护国家重点实验室完成 。试验包括 6根 梁 : 1根钢筋混凝土梁 L B用 于对 比, 2根空钢管混 凝土组合梁 , 2根内填膨胀混凝土钢管加 固组合梁 , 1 根空钢管外包钢筋混凝土加 固组合梁。试件详图 见图
13、 1 , 试件截面属性见表 1 。 ( a ) L W梁横截面 ( b ) L P 梁横截面 ( c ) L R梁横截面 ( d ) L C 梁横截面 图 1 受弯试件截面详图 Fi g1 De t a i l s o f fle xur al s pe c i me ns c r os s s e c t i on s 表 1 梁试件的截面属性 Ta bl e 1 Cr os s s e c t i on pr o pe r t i e s of be ams t e s t s p e c i m e n s 注 : L C 1梁与 L C 2梁分别 内填 C 3 0与 C 3 5的膨胀混
14、凝土( 掺 量 5 ) ; 试件长度均为 1 6 0 0 mm, 架立钢筋 每根梁都 为 2 b l 0 。L P梁与 L R 梁加了钢纤维 , 在 梁中只改善构件性能不考虑受力 。保护层厚均 为 2 5 mm, 箍筋 间距均为 1 0 0 mm。 1 2试验加载与测量装置 试验采用分级加载制 , 加载方式 为力控制的两 点单调同步加载 , 弹性范围内每级荷载为预计极 限 荷载的 1 1 0 。当钢管屈服后 , 每级荷载约为极限荷 载的 5 , 并在试件中部及两端支座设置位移计 , 以 测量各试件的挠度变化情况 。每级荷载的持荷时间 约为 2 m i n , 接近破坏时 , 慢速连续加载。应变
15、和百 分表数值通 过 I MP数据采集 系统 自动采集 。对于 试件 的变形 , 在每个试件 中截 面 4个面的钢板 中部 纵向和横 向贴 电阻应变片 , 并在试件的三分点及支 座处共设置了 5块百分表 以测量试件的挠度变化 , 如 图 2所示 。 I l I l l l 筋 曲 率 仪 f I 钢垫板 百分表 埋梁钢管 座 1 5 0 l 4 0 0 i 2 5 0 i 2 5 0 j 4 0 0 1 5 0 l 60 0 图 2 纯弯试 验测量装 置示意 Fi g 2 Fl e xur i ng t e s t m e a s ur e me nt de v i c e 为 了防止加载 的
16、应力集 中而产生局部脆性破 坏 , 在集 中加载与支座部分设置 了钢垫板用于均匀 分配局部集 中力。为了使钢管与混凝 土更好 的粘 结 , 钢管上采用绕管预应力钢丝。 2主要试 验结果 2 1 试验破坏过程分析 采用两点集中加载方法, 对 6根梁进行破坏试 验。从试验结果可知 , 组合梁 的受力与钢筋混凝土 梁相似。试验结果表 明, 该组合梁的受力过程可分 为 3个阶段 : 未 裂阶段 、 带 裂缝工作 阶段 和破坏 阶 段。破坏形态有两种 : 抗弯破坏 、 粘结破坏。 1 ) 未裂阶段 : 混凝土开裂前 , 荷载值较小 , 梁截 面弯矩与挠度基本上成正 比, 整个梁处 于弹性工作 阶段 ,
17、截面抗弯刚度很大 , 挠度很小 。 2 ) 带裂缝 工作 阶段 : 当荷 载达 到破坏 荷载 的 1 8 一 3 0 时, 在荷载作用点对应 的梁底首先出现 裂缝 , 因为该处 的弯矩与剪力 同时为最大。此时对 应的荷载可称为开裂荷载。此后 , 随荷载增加 , 裂缝 逐渐增多。刚度开始减小 , 挠度发展加快。 3 ) 破坏阶段 : 当荷 载增至破 坏荷 载的 7 0 9 0 时, 底部裂缝发展充分 , 混凝土压应变达到极限 压应变时, 混凝土压溃, 但不同的试件有不同的破坏 形态( 图 3 ) 。 图 3 组合梁破坏时的现场照片 Fi g 3 Co m po s i t e be a ms b
18、e i ng d e s t r oy e d 试验结果显示 , 有局部异常破坏 , 组合梁异常破 坏形态的原因分析如下 : 1 ) 发生粘结滑移破坏 L C 2梁 , 从梁 的钢管 、 钢 筋与混凝土的应变值可 以看出 , 在弹性 阶段各组成 部分的变形基本协调一致。在临近破坏 即达到极限 承载力的 8 0 左右时, L C 2梁的钢管与混凝土之间 发生滑移 , 至破坏 时最大滑移量达 5 m m。当然 , 结 构内部发生滑移受到很多因素的影 响, 如钢管截面 尺寸大小及表面粗糙程度 、 绕管预应力钢丝的锚 固, 混凝土振捣 密实程 度等。但从试验 可以看 出, L C 2 梁滑移后有一定
19、的二期承载力 ( 图4 ) 。 2 ) L W2梁几乎在破坏 的同时在 梁跨 中底部 钢 管部位 出现水平撕裂裂缝 , 但仍为弯 曲破坏。出现 的水平撕裂裂缝 , 主要是 因为靠近钢管 的混凝土的 6 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 图4组合梁粘结滑移破坏的现场照片 Fi g 4 Co mp o s i t e b e a ms b o n d - s l i p d a m a g e 侧 向保护层厚度不够 , 在临近破坏时, 钢管处于高应 力状态使混凝土水平发生部分撕裂。 3 ) L R梁发生超筋破坏 , 并且 开裂荷载较小 , 是 因为梁底钢筋太密 , 临近破坏时 , 压区混凝土被架
20、立 筋顶裂然后突然压碎 , 但 因为梁底配钢量较大 , 后期 的延性较好。另一方面 , 试验设计时纯弯段 未配箍 筋 , 容易使受压架立筋发生失稳。 此外 , 所有梁卸载后均有位移 回弹现象 , 其 中以 组合梁回弹最为明显 , 最大可达到 3 5 m m。 从试 验可 以看出, 组合梁都是以混凝土破坏为 最终破坏特征。应 力应变数据显示 , 破坏前混凝 土 与钢筋 、 钢管有 良好 的共 同工作性能。具体的破坏 形态见表 2 。 表 2 梁试件的破坏形态 Tab l e 2 The da m a g e of be am s pe c i me ns 当加载到 N= 8 9 k N时, 在荷
21、载作用点对应的梁底首先出现竖向微裂缝 , 随着荷载 的增加 , 竖向裂缝数量 增多 , 同时梁 两端靠近支座处 有明显 的 斜裂缝 , 达 到承载力极 限状态时 , 受压 区边缘混凝土 出现压 碎现象 , 并且 端部出现水平 裂缝 , 荷载增 至 3 6 4 k N时试件破 坏 正截面 弯曲破坏 虽然端部也 出现 了斜 裂缝 , 但 由弯 曲裂 缝诱 发的并 非 主裂缝 2 2荷载与挠度曲线 该组合梁与普通钢筋混凝土梁的荷载变形曲线 类似 。在裂缝 出现前 , 梁基本上处于弹性状态 , 裂逢 出现 ( 开裂 ) 后 , 梁进入非 弹性状 态 , 其刚度开始下 降 , 如图 5所示 。 昌暑器量
22、里甍善善蓦蚤 P k N ( a 1 L W2 粱荷 载 挠 度 曲线 1 6 l 1 2 8 4 0 虽量善 蚕量曼 P f b 1 L C 2 粱 图 5梁的荷载一 挠度关 系 F i g 5 Th e l o a d o n a b e a m a n d i t s d e f l e c t i o n 2 3试 验结 果 试验时的应变分析表 明, 在荷载达到极限荷载 的 7 5 以前还可 以保证钢骨与混凝 土整体共 同工 作 , 之后钢管与混凝土的变形不能协调一致 , 极限承 载力比按整体共同工作 的理论计算值偏低。表 3列 出了试件开裂及破坏时的荷载值和极限破坏时跨 中 挠度与破
23、坏形态。 表 3 梁的开裂荷载和极 限荷载试验 结果 Ta bl e 3 Ex pe r i me nt r e s ul ts of t he c r a c ki ng l o ad a nd ul t i m a t e l o a d on a be a m 延性是反映构件屈服后变形能力和抗震耗能性 能的重要指标。延性 的大小 以延性系数来衡量 , 延 性系数 是指在保持结构或 材料基本承载 力情况 下 , 极限变形与初始屈服变形的比值 , 即 t =d u d ; 极限变形与初始屈服 变形 由相应 的荷载一 位移 曲线 来确定 , 见表 4 。 2 0 1 4 N o 4 张祁, 等
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