陈立云

型钢混凝土是钢与混凝土组合结构的一种主要形式,由于其承载力高、抗震及耐久性能好等特点,被广泛运用于各种工程结构中,特别是大跨、高层、重载结构。这种结构在欧美以及日本等国家已经得到了广泛的运用,尤其在日本这样一个多地震的国家,型钢混凝土结构已经成为中高层建筑的首选结构形式[1-4]。近年来,我国也开始推广使用型钢混凝土结构,且已经建成了一些具有代表性的中高层建筑。虽然我国型钢混凝土结构的设计理论已经有了很大的发展[5,6],但还不能适应工程实际的需要。因此,对型钢混凝土受弯构件的破坏形态、承载能力、粘结性能、延性等力学性能及其影响因素进行深入研究有着重要的意义。

1 试件设计及试验方案

1.1 试件设计

本次试验T形型钢混凝土梁采用内含改造后的工字型钢,即沿工字型钢中部进行切割,然后再进行错位焊接,型钢加工图见图1。加工后的型钢放置在3根翼缘尺寸不同的钢筋混凝土T形梁中,组合成T形型钢混凝土梁。3根梁长度均为3.2 m,试件一与试件二的区别为下部受拉纵筋不同,试件二与试件三的区别为受压翼缘尺寸不同。

1.2 材料性能

本次试件混凝土采用C30,纵筋和箍筋分别采用HRB335和HPB235热轧钢筋,工字钢采用Ⅰ14型钢,各材料材性试验实测值见表1,表2。

1.3 加载方案

试验采用四点弯曲加载方案,在距梁两端支座1 000 mm处施加两个集中荷载,纯弯段长1 000 mm。加载装置采用45 t级液压千斤顶,在加载过程中,数据采用DH3815静态电阻应变测试仪记录。

表1 钢材力学性能实测值

表2 混凝土试验实测值 MPa

试验采用单调加载的静力试验。在正式加载前,先对试件进行预加载,预加载值为试件计算开裂荷载的60%。正式加载时,通过DH3815静态电阻应变测试仪的定时采样功能,每隔1.5 s采样一次,以获得混凝土、钢筋、型钢应变变化规律以及极限荷载时的应变。先以极限荷载的10%作为每级加载值,每级荷载的持荷时间约为10 min;当受拉区纵筋钢筋应变超过2 000个微应变后,放缓加载速度,改为位移控制,直至试件破坏。

试验主要测试内容有:混凝土的开裂及裂缝发展,试件破坏形态,混凝土、钢筋及型钢的应变、混凝土和型钢之间的滑移。跨中截面应变片布置见图2。

2 试件结果分析

2.1 荷载—挠度曲线

图3为各试件跨中截面荷载—挠度曲线。由图3可见:

荷载在极限荷载的70%～80%以前,跨中截面的挠度呈明显的线性增长趋势,试件处于弹性阶段;

在极限荷载的80%～90%之间,挠度的增长速度逐渐加快,试件进入弹塑性阶段;

到极限荷载的90%以后,荷载增加很慢,而挠度迅速增加,表明型钢已屈服,但试件没有发生脆性破坏,承载能力也未见减小,而是略有增加,说明型钢混凝土梁具有很好的延性。

2.2 应变分析

在加载初期,混凝土、钢筋、型钢的应变随着荷载线性变化,但由于混凝土过早开裂,受拉区部分混凝土应变片由于混凝土开裂被拉断,部分由于裂缝间混凝土回缩,输出应变不断减小,而在试件顶面混凝土受压区应变片输出应变不断增大。全部试件极限荷载时混凝土的极限应变平均值为0.003 2。

型钢应变分布在极限荷载80%以前,都呈现平面分布规律,中和轴约在距型钢上翼缘30 mm处,应变随着荷载而线性增加。随着荷载的进一步加大,型钢下翼缘逐渐发生塑性应变,每级荷载的应变增加幅度明显变大,而中和轴的位置只有微小上移。

跨中截面受拉纵筋的应变都随荷载线性增大,除个别试件在加载后期应变片损坏外,其余试件纵筋都发生了屈服;弯剪段的箍筋在加载初期受力很小,在加荷中期应变明显增大,这说明弯剪段箍筋在混凝土开裂后开始承担弯剪段的剪力,在极限荷载时弯剪段箍筋没有发生屈服;纯弯段的箍筋在极限荷载以前基本不受力,当荷载接近极限荷载时,应变突然增大,说明纯弯段箍筋在承载力后期对核心混凝土有一定的约束作用。

3 型钢混凝土T形梁力学性能的影响因素分析

1)配筋率的影响。由试件TL1-3的试验结果可知,纵筋配筋率大小对试件的刚度和承载力影响较小,翼缘尺寸的大小对试件的刚度和承载力有明显影响,在一定范围内,一般在6倍的翼缘厚度范围内,随翼缘尺寸的增大可显著提高构件的刚度和承载力。

2)粘结力的影响。型钢和混凝土之间粘结比钢筋和混凝土之间粘结相对差一些,采用改造后的工字钢可以显著提高型钢和混凝土之间的咬合作用,型钢和混凝土之间的粘结力的好坏对型钢混凝土梁的刚度和承载力影响较为明显。

3)抗剪连接件的影响。型钢和混凝土之间的自然粘结作用能保证剪力的可靠传递;而当型钢和混凝土之间没有粘结作用时,抗剪连接件的设置可以提高型钢混凝土梁的承载力和刚度。

4)滑移分析。型钢和混凝土之间的滑移存在一定的随机性,一般在加载后期才出现明显的滑移,在接近极限荷载时滑移迅速增加。

4 结语

1)配置改造后的工字钢型钢混凝土T形梁具有较高的承载力和较好的延性;

2)改造后的工字钢可显著提高型钢和混凝土的咬合作用;

3)纵筋配筋率对型钢混凝土T形梁的影响较小,在一定范围内,随着翼缘尺寸的增大对型钢混凝土T形梁的刚度和承载力有显著提高;

4)型钢和混凝土之间滑移存在一定的随机性,一般在加载后期出现明显的滑移。

[1]Charles W R,Robert C.Shear connector requirements for embedded steel sections[J].J of Structural Engineering,Proceedings of ASCE,1999,125(2):142-151.

[2]Weng C C,Yen S I,Jiang M H.Experimental study on shear splitting failure of full-scale composite concrete encased steel beams[J].J of Structural Engneering,2002,128(9):1186-1194.

[3]杨 勇,赵鸿铁,薛建阳.型钢混凝土粘结滑移力学性能研究综述分析[J].西安建筑科技大学学报,2002,34(2):103-108.

[4]王连广,李立新,张海霞,等.钢骨混凝土结构构件滑移性能研究[J].哈尔滨建筑大学学报,2002,35(5):32-34.

[5]王绍杰.钢骨混凝土T型梁在大跨度壁式框架中的应用研究[J].工业建筑,2005,35(10):73-75.

[6]韩建强.钢骨混凝土T型梁变形性能的研究[D].唐山:河北理工大学,2002.