部分包覆T形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究.pdf
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1、第 53 卷 第 16 期2023 年 8 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.16Aug.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20230504第第一一作作者者:张学智,硕士,工程师,主要从事建筑工程技术研究与管理,Email:106877037 。部分包覆 T 形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究张学智1,王颖贺1,傅林峰2,赵必大3,周海敬3(1 北京理工大学,北京 100081;2 浙江工业大学工程设计集团有限公司,杭州 310014;3 浙江工业大学土木工程学院,杭州 310023)摘要:进行了 2 个主钢件为 T 形蜂窝钢的部分包覆
2、钢-混凝土组合梁(PECCS-T 梁)的静力单调弯矩加载试验研究,并将其与已有的部分包覆 H 形蜂窝钢-混凝土组合梁(PECCS 梁)的试验研究结果进行对比,考察主钢件受压翼缘对组合梁受弯性能的影响,并研究用钢量相近情况下增大蜂窝式主钢件截面扩张比对 PECCS-T 梁受弯性能的影响。研究结果表明:PECCS-T 梁的破坏模式与 PECCS 梁的破坏模式不同,表现为受拉钢翼缘屈服后受压区混凝土被压碎。组合梁中的受压钢翼缘能有效地约束混凝土,显著提高组合梁的抗弯承载力、变形能力和延性。PECCS-T 梁按主钢件最大削弱截面计算得到的理论值 Mu与试验值 Mtest比较接近。增大 T 形主钢件的截
3、面扩张比,能够有效提高 PECCS-T 梁的抗弯承载力,且保持变形能力不降低。关键词:部分包覆 T 形蜂窝钢-混凝土组合梁(PECCS-T 梁);部分包覆 H 形蜂窝钢-混凝土组合梁(PECCS 梁);主钢件受压翼缘;受弯性能;静力试验 中图分类号:TU317 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0031-07引用本文 张学智,王颖贺,傅林峰,等.部分包覆 T 形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究J.建筑结构,2023,53(16):31-37.ZHANG Xuezhi,WANG Yinghe,FU Linfeng,et al.Experimental study o
4、n flexural behavior of partially-encased composite beams with T-shaped castellated steel and concreteJ.Building Structure,2023,53(16):31-37.Experimental study on flexural behavior of partially-encased composite beams with T-shaped castellated steel and concrete ZHANG Xuezhi1,WANG Yinghe1,FU Linfeng2
5、,ZHAO Bida3,ZHOU Haijing3(1 Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2 Zhejiang University of Technology Engineering Design Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310014,China;3 College of Civil Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China)Abstract:Static monotonic bending moment
6、 loading test were conducted on two partially-encased composite steel-concrete beams with the main steel make up by T-shaped castellated steels(abbreviated as PECCS-T beam).The experimental results of PECCS-T beams were compared with partially-encased composite steel-concrete beams(abbreviated as PE
7、CCS beam)in the literature.The influence of compression flange main section steel on the bending performance of composite beams was analyzed,and the effect of increasing the sectional expansion ratio of the honeycomb main steel section on the bending performance of PECCS-T beams with similar steel c
8、onsumption was studied.The results show that the damage mode of the PECCS-T beam differs from that of the PECCS beam in that the concrete is crushed in the compression zone after yielding of the tensioned steel flange.The composite beams compressed steel flanges ability to successfully restrict the
9、concrete raises its flexural load capacities,deformation and ductility.Theoretical value Mu for PECCS-T beam based on maximum weakened section of main steel member is reasonably near to experimental value Mtest.The PECCS-T beams flexural load capacity effectively increases with an increase in the T-
10、shaped primary steel members sectional expansion ratio while maintaining its deformation capacity.Keywords:partially-encased composite beam with T-shaped castellated steel and concrete(PECCS-T beam);partially-encased composite beam with H-shaped castellated steel and concrete(PECCS beam);compression
11、 flange of the main steel;flexural behavior;static test 建 筑 结 构2023 年0引言 部分包覆钢-混凝土组合结构(partially encased composite structure,简称 PEC 结构)是由主钢件(H型钢或工字钢)及其腹板和翼缘之间的混凝土构成,并在必要时设置连杆、纵筋和抗剪键等。对比于钢构件,填充在腹板和翼缘之间的混凝土能使PEC 构件节省大量的防火防腐涂料,混凝土和连杆一起有效地抑制主钢件板件局部屈曲,使得主钢件的板件宽(高)厚比较大,起到节约钢材的作用。对比于钢筋混凝土构件,PEC 构件的钢位于构件的最外
12、边缘,在弯矩作用下钢翼缘能够充分发挥其抗拉强度高的优势;PEC 构件在浇筑混凝土时,可以将主钢件侧翻,将其翼缘作为模板,几乎不需要额外的模板,节省了施工成本。PEC 构件的特点使得其非常契合装配式建筑。关于 PEC 梁的研究,Kindmann 等1在对 PEC梁进行试验研究后,认为如混凝土仅起到约束钢翼缘屈曲的作用,则计算得到的 PEC 梁承载力偏于保守。Nakamura 等2对 PEC 梁进行试验研究后发现PEC 梁的抗弯和抗剪承载力分别是纯钢梁的约 2、3倍。Tsavdaridis 等3进行 PEC 梁试验研究,得出结论:没有配置抗剪键时 PEC 梁的抗剪强度主要来自于钢翼缘和混凝土,混凝
13、土在产生较大斜裂缝后仍剩余一定强度,且能继续约束主钢件。Samer 等4对腹板开孔的 PEC 梁进行了试验研究,结果表明:腹板开孔的 PEC 梁与腹板未开孔的 PEC 梁破坏模式相似。Salih 等5对工形截面和箱形截面的 PEC梁进行受弯试验研究,结果表明:工形截面梁的破坏模式与箱形截面梁的相似,但工形截面梁的抗弯承载力更大。陈以一等6-9对 PEC 梁进行了一系列试验研究,提出了两种新型连杆(C 形和 X 形),试验结果表明:新型的 C 形和 X 形连杆能较好地拉结钢翼缘,起到限制钢翼缘向外屈曲的作用,且能有效地抑制混凝土裂纹发展;PEC 梁在往复荷载作用下表现出较好的抗震性能(如延性系数
14、超过 4),全塑性理论计算所得 PEC 梁的抗弯承载力与试验结果较接近。赵必大等10-11对部分包覆蜂窝钢-混凝土梁(主钢件为腹板处连续开设较大孔洞的蜂窝式 H 型钢,简称 PECCS 梁)进行了静力和抗震性能试验研究,结果表明:PECCS 梁的抗弯承载力比相同截面尺寸的 PEC 梁低 15%,但两者的弹性抗弯刚度接近;用钢量相同的情况下,截面高度更高的 PECCS梁的抗弯承载力明显高于 PEC 梁;PECCS 梁的抗震性能良好。此外,胡夏闽等12-15研究了 PEC 梁的栓钉布置方式和滑移性能。到目前为止,关于 PEC 梁的研究基本上都是基于主钢件为 H 型钢(实腹式或蜂窝式)的情况,缺乏腹
15、板连续开孔的 T 形蜂窝钢作为主钢件的组合梁(简 称 PECCS-T 梁)的 研 究。作 为 简 支 梁 时,PECCS-T 梁能充分发挥混凝土受压、钢翼缘受拉的两种材料优势。此外,PECCS-T 梁除具有 PECCS 梁的钢腹板两侧混凝土整体性好、节省钢材、建筑楼层净高大(水电等管道穿过腹板孔洞)等优点外,还节省了受压钢翼缘及其防火防腐涂料的费用,且受压侧 混 凝 土 便 于 和 混 凝 土 预 制 板 连 接。尽 管PECCS-T 梁在施工时需要在一侧设置模板以及一定的箍筋,但却没有 PECCS 梁或 PEC 梁中受压钢翼缘向外屈曲的问题。然而,主钢件无受压钢翼缘的构造特点导致混凝土无法得
16、到有效约束,这将会降低 PECCS-T 梁的延性和变形能力。因此,本文进行了 2 个主钢件用钢量相近但截面不同的 PECCS-T梁受弯试验,并将其结果与笔者已有的同截面尺寸的 2 个 PECCS 梁的试验结果10进行比较,研究受压钢翼缘对部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能的影响,研究用钢量相近情况下通过增大主钢件截面扩张比来提高 PECCS-T 梁抗弯承载力的可行性,研究主钢件腹板孔洞大小对 PECCS-T 梁受弯性能的影响。1试验概况1.1 试件设计 本次试验设计了 2 个主钢件为腹板设有六边形孔洞的 T 形蜂窝钢 PECCS-T 梁试件,2 个试件的主钢件用钢量相近但截面高度不同。此外,为了
17、便于和 PECCS 梁进行对比,设计的 2 个 PECCS-T 梁试件的材料及几何尺寸均与已有的 2 个 PECCS 梁相同10,且 T 形蜂窝主钢件的腹板孔洞大小和布置也与同截面尺寸的 PECCS 梁10相同,用以实现模拟将截面高度为 200mm 的实腹式工形钢沿着腹板按一定折线剖分后重组成不同截面高度和不同孔洞大小的 T 形蜂窝钢的目的(蜂窝钢截面高度和原实腹型钢截面高度之比 h0/hs也称为截面扩张比)。此外,PECCS-T 梁试件在每个孔洞处布置 2 根直径为 6mm 的箍筋,设置 2 根直径为 14mm 的受压纵筋(兼做架立筋),在梁截面中部两侧各布置 1 根直径为 10mm 的腰筋
18、。综上,PECCS-T 梁试件的构造和混凝土浇筑前的照片如图 1 所示(受压钢筋改成受压钢翼缘、箍筋改成连杆即为文献10 的PECCS 梁试件),各试件具体几何参数见表 1。表 1中的试件编号中的字母 FT 和 F 分别表示 PECCS-T23第 53 卷 第 16 期 张学智,等.部分包覆 T 形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究梁和 PECCS 梁10,字母后面的数字(300 和 350)表示组合梁截面高度。需要说明的是,试件 FT-350 和 F-350 由于梁长度限制,无法开设 3 个大六边形孔洞,故端部孔洞仍按图 1 方式布置,跨中孔洞则改为小孔(高度为大孔的一半),跨中孔洞变小对
19、于组合梁试件纯受弯性能的影响很小。此外,为了使 4 个试件截面尺寸相同,并考虑到受压钢筋的保护层厚度为 25mm,2个 PECCS-T 梁(试件 FT-300 和 FT-350)的受压钢腹板高度比 2 个 PECCS 梁(试件 F-300 和 F-350)10的少 19mm。通过考察对比 PECCS-T 梁和同截面尺寸 PECCS 梁10的受弯性能差异来分析受压钢翼缘对组合梁受弯性能的影响;通过对比 2 个 PECCS-T梁来分析主钢件用钢量相近情况下,不同截面扩张比(试件 FT-300 和 FT-350 分别为 1.5、1.75)对PECCS-T 梁受弯性能的影响。图 1 PECCS-T 梁
20、的几何构造及混凝土浇筑前照片表 1 试件几何参数试件编号h/mmh0/mmb/mmtw/mmtf/mmhk/mmlk/mmFT-30030027517556200116FT-35035032517556300174F-3001030030017556200116F-3501035035017556300174 注:h 和 b 分别为组合梁截面高度和宽度;h0为蜂窝钢截面高度;tf和 tw分别为主钢件的翼缘壁厚和腹板壁厚;hk、lk分别为蜂窝钢的正六边形孔洞的最大高度和边长。试件在加工厂完成制作,先制作完成主钢件(包括两端的加劲部分),然后放置箍筋并绑扎腰筋和受压纵筋,最后将配置箍筋、腰筋、纵筋
21、的主钢件侧翻放置(腹板朝上),并在无受压钢翼缘侧设置模板,浇筑混凝土。由于主钢件在腹板处设置孔洞,可实现一次性浇筑而无需翻转主钢件。混凝土浇筑过程用振捣棒振捣密实,强度按 C40 进行配比设计,制成边长 100mm 的立方体抗压试块并养护 28d后,测得抗压强度(表 2)后换算成 150mm 边长标准试块的抗压强度为 42.8MPa。钢板和钢筋的材性试验结果见表 3。表 2 混凝土立方体(边长 100mm)抗压强度实测值指标试块编号123抗压强度 fcu/MPa41.9546.2247.06平均值/MPa45.07表 3 钢板和钢筋的材料力学性能试验结果获取位置板厚 t 或直径d/mm屈服强度
22、fy/MPa抗拉强度fu/MPa延伸率/%腹板5376.2505.631.0翼缘6361.5509.229.3箍筋6473.3605.127.5腰筋10481.5624.828.9纵筋14475.6618.929.5图 2 加载装置示意图1.2 加载装置及加载制度 本次试验对 2 个 PECCS-T 梁(试件 FT-300 和FT-350)进行纯弯矩加载,加载装置和安装过程同参考文献10,试件安装完成后如图 2 所示:试件和两端的加载钢梁形成一个近似整体、中间段为组合梁、两端为钢梁且外伸的伸臂梁。加载时,南北两侧的 2 个作动器同步往下推,整个试件(即中部的组合梁)即处于纯弯矩受力状态。整个试
23、验加载过程均采用位移控制,两侧作动器每级同时向下施加 5mm 位移,每级荷载加载完毕后,待作动器荷载稳定后再进行下一级加载。当受压侧翼缘屈曲或受压区混凝土压溃导致作动器荷载迅速下降时,试验终止加载。1.3 测点布置和测试内容 为了测得试件端部的转角、跨中的相对竖向位移,水平布置位移计 D1 D8、竖向布置位移计D9D14,如图 3 所示。试件南、北两端的转角 s、n33建 筑 结 构2023 年由水平位移计测得,并考虑到梁(试件)刚体转动引起的转角 r,计算如下:s=(3+7)-(4+8)/2h+r(1)n=(2+6)-(1+5)/2h+r(2)r=(10+12)-(9+11)/2Lb(3)式
24、中:112分别为位移计 D1D12 测得的位移;Lb为梁试验段长度。梁跨中的相对位移计算如下:=(13+14)/2-(9+10+11+12)/4(4)式中 13和 14分别为位移计 D13 和 D14 测得的位移。图 3 试件的位移计布置试件应变测点布置如图 4 所示,在试件两侧的混凝土上布置单向应变片 C1 C12,在试件的钢翼缘上布置单向应变片 S1S3,在试件的腹板上布置单向应变片 S4 S6、三向应变片 T1 T3,同时在受压纵筋、箍筋和腰筋处布置单向应变片 S7S21。图 4 试件的应变测点布置2试验结果分析2.1 试验现象与破坏模式 对于试件 FT-300,作动器加载至 27kN
25、时,试件两端距离端板约 400mm 处的混凝土出现竖向裂缝,随着荷载增加,混凝土裂纹变宽变长,且试件其他位置的混凝土也出现竖向裂缝;作动器加载至 58kN时,受拉钢翼缘首次观测到屈服;加载至 125kN 时,观测到受压纵筋屈服,此后两端作动器的荷载增长明显变缓慢;当作动器达到峰值 147kN 时,试件西面距南部端板约 400mm 处受压区混凝土被压溃;此后,加载端作动器的荷载不断降低,当荷载降低至126kN 时,试件东面距南部端板约 400mm 处的受压区混凝土压溃、剥落,受压钢筋裸露。跨中相对挠度 达到 11mm,超过部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程(T/CECS 7192020)16(简
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