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腹板开洞钢-混凝土连续组合梁受剪性能试验研究

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第50卷第4期 西南交通大学学报 Vo1.50 No.4 2015年8月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Aug.2015 文章编号:0258—2724(2015)04-0648-08 DOI:10.3969/j.issn.0258—2724.2015.04.012 腹板开洞钢.混凝土连续组合梁 受剪性能试验研究 李龙起 , 周东华 , 廖文远 , 陈 旭 , 姚凯程 (1.昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650224;2.许昌学院土木工程学院,河南许昌461000) 摘要:为研究腹板开洞连续组合梁的受剪性能,以配筋率和混凝土板厚为变量参数,对5根腹板开洞连续组 合梁进行了两点单调对称集中加载试验,采用剪力分离方法对应变试验数据进行计算,得到组合梁钢梁和混凝 土板承担的剪力.试验结果表明:腹板开洞不仅降低了连续组合梁的刚度和承载能力,而且引起洞口区域混凝土 板和钢梁截面的竖向剪力重分布,剪力主要通过洞口上方的混凝土板来承担,占到总剪力的85%~90%;洞口 区域不再符合平截面假定,最终连续组合梁洞口发生剪切破坏,组合梁丧失承载能力;增加混凝土板厚度和截面 配筋率可以提高连续组合梁的承载和变形能力,并可以用来进行洞口区域的补强. 关键词:连续组合梁;腹板开洞;受剪性能;承载力;试验研究 中图分类号:TU317.1 文献标志码:A Experimental Study on Shear Bearing Behavior of Continuous Steel-Concrete Composite Beams with Web Openings LI Longqi ,ZHOU Donghua ,LIAO Wenyuan ,CHEN Xu ,YAO Kaicheng (1.School of Construction Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650224,China; 2.School of Civil Engineering,Xuchang University,Xuchang 461000,China) Abstract:In order to investigate the shear bearing behavior of continuous steel-concrete composite beams with web openings,five continuous composite beams with web openings under two monotonic symmetric concentrated loads were tested using the thickness and reinforcement ratio of slabs as variables.The shear separation method was introduced to calculate the shear stress borne by concrete slabs and steel beams of composite beams.The test results show that web openings not only decrease the stiffness and ultimate load—carrying capacity but also give rise to the redistribution of vertical shear force of steel beams and concrete slabs;that is,the concrete slab bears 85%一90%of the total cross- section shear at the web opening region.The plane hypothesis is not valid in the web opening area. The failure mode is the shear failure of concrete slab in the region near the opening.In addition,the ultimate load—carrying capacity and deformability of continuous composite beams can be increased by increasing the thickness and reinforcement ratio of a concrete slab,which can be used for enhancement of the web opening area. Key words:continuous composite beams;web openings;shear bearing behavior;load—carrying capacity;experimental study 收稿日期:2014 ̄3-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51268022);国家青年科学基金资助项目(51308269) 作者简介:李龙起(1986一),男,讲师,博士,研究方向为组合结构,E—mail:lilongqiqingdao@sina.corn 引文格式:李龙起,周东华,廖文远,等.腹板开洞钢一混凝土连续组合梁受剪性能试验研究[J].西南交通大学学报,2015,50(4):648— 655. 第4期 李龙起,等:腹板开洞钢一混凝土连续组合梁受剪性能试验研究 649 组合梁在组合结构中的应用越来越广泛,尤其 (2)增大混凝土板厚度能否增加洞口区域的 抗剪承载力; 是在高层及大跨度公共建筑中的应用_1 .然而,在 这类建筑中经常有多种纵横穿越的管道设施(例 如水、电、暖等),若在连续组合梁的钢梁腹板上开 洞让这些管道穿过,可降低层高从而降低工程造 价,获得较高的经济效益.因此,在实践中希望在钢 梁的腹板上开洞,甚至开大洞并且多开洞,但需要 (3)增大混凝土板中配筋率能否有效增加洞 口处的抗剪承载力. 1试验概况 1.1试件设计与制作 解决腹板开洞后受力改变(例如承载力降低和变 形增大等)及其相关结构计算问题,目前在这方面 的研究主要是针对简支组合梁,文献[7]对简支伸 臂梁负弯矩区的洞口受力特性做了研究;文献[8— 本次试验设计制作了3种不同板厚及3种不 同配筋率的连续组合梁试件共6根,试件的横断 面、几何尺寸及试验组合梁的基本配置参数分别见 图1、图2和表1. 11]对简支腹板开洞组合梁洞口处剪力传力机制 及承载力进行了研究,并得到了计算洞口区域截面 承载力的计算方法和公式;文献[12—15]也研究了 腹板开洞简支组合梁.而对腹板开洞连续组合梁的 试验研究则少见报道,对其受力特性和破坏模式, 』 一{-j } 毒 不仅缺乏分析方法和计算理论,也没有相应的规范 可以遵循.因此,本文选取混凝土板厚度和配筋率 两个变量参数,设计制作了5根腹板开洞连续组合 梁和1根腹板无洞连续组合梁,并对其受力性能及 承载力进行试验研究,以解决以下问题: (1)腹板开洞挖去了大部分腹板承受剪力的 材料后,钢梁只剩下上、下翼缘和很少的腹板,是否 主要由洞口上方混凝土板承担剪力; 图1 连续组合梁试件断面 Fig.1 Cross—section of continuous composite beam specimen ,, 图2连续组合梁试件几何尺寸 Fig.2 Geometrical sizes of continuous composite beam specimen 表1连续组合梁试件参数 Tab.1 Parameters of continuous composite beam specimens 652 西 南 交 通 大 学 学 报 第50卷 着荷载不断增加而逐渐向连续梁两端和负弯矩区 扩展. 伴随着混凝土板的开裂声,连续组合梁CCB一2~ CCB-6的第1跨发生剪切破坏并最终丧失承载能 力,中间支座贯穿的斜向裂缝宽度达到1O~ 当荷载达到0.5P 时,混凝土板纵向和横向裂 缝开始集中出现.随荷载的继续增大,洞口区域开 始出现明显的剪切变形,在组合梁无洞跨的跨中可 见弯曲变形. 当荷载达到0.73P 左右时,腹板开洞连续组 12 mm,在组合梁第2跨的跨中出现明显弯曲变 形,如图5所示. 3试验结果分析 3.1荷载-挠度曲线 合梁的开洞跨混凝土板出现轻微持续噼啪声.当荷 载达到0.9P 左右时,集中加载点(对CCB-2、 CCB.3、CCB-5和CCB-6来说)或中间支座(对 为研究腹板开洞对连续组合梁承载力的影响, 图7中列出了6根连续组合梁第1跨跨中的实测 荷载.挠度曲线.从图7荷载一变形曲线可以看出, 钢.混凝土连续组合梁的受力过程大致可以分为弹 性阶段、弹塑性阶段和下降段3个阶段. CCB-4来说)与洞口上方角部的45。斜向裂缝逐渐 贯穿,组合梁洞口处钢梁四角逐渐形成塑性铰. 当荷载达到极限荷载P 时,腹板洞口发生明 显剪切变形,长方形洞口变形为近似平行四边形, 堇 超 榻 坦 搦 耀 (a)CCB一1 (c)CCB一3 重 辖 堇 枢 堇 挺 图7 连续组合梁荷载一挠度曲线 Fig.7 Load—deflection Cll/ves of continuous composite beams (1)弹性阶段(P≤P ):在荷载达到相应连续 集中出现傲,J蟥向裂缝,组合梁的抗弯刚度明显降低 (3)下降阶段(P≥P.,):荷载达到极限荷载以 组合梁的屈服荷载之前,组合梁第1跨跨中的荷 载一挠度曲线基本上呈线性,在进入弹塑性阶段之 前,钢梁截面下边缘应变处于弹性状态,混凝土板 应变接近最大拉应变,整个阶段连续组合梁的工作 性能良好. 后为下降阶段.在此阶段连续组合梁各测点的挠度 增长迅速,连续组合梁第1跨的洞口4个角点处出 现塑性铰,洞口处的剪切变形明显增大,随着混凝 土板的斜向主裂缝继续向上展开扩宽变深,最终发 生剪切破坏,至此已经无法再继续增加荷载,荷载 (2)弹塑性阶段(P <P<P. ):在此阶段,第1 跨钢梁腹板洞口处4个角点因应力集中最先进入 塑性阶段,洞口区域出现剪切变形,荷载.挠度曲线 开始偏离原来的直线在该阶段腹板开洞连续组合梁 变形曲线进入下降阶段. 3.2 开洞、板厚和配筋率变化对组合梁性能的影响 (1)开洞的影响:CCB.1~CCB-6的参数变 654 西 南 交 通 大 学 学 报 第50卷 从图9和1O中CCB一2第1跨洞口区域的截面 应变分布可以看出,在加载初期,洞口区域沿组合 梁高度方向截面的应变分布已不再符合平截面假 定,这是因为组合梁开洞后存在较大的剪切变形. 3.4挠曲变形与抗剪性能分析 CCB-2洞口区域的刚度降低,随着荷载的不断增大 口l\ 洞口区域的剪切变形急剧增加,洞口处挠度的发展 也因剪切变形的增大而明显增大,并且呈现出显著 的直线型,最终组合梁试件破坏时第1跨的最大挠 度发生在集中荷载加载处,洞口左端的挠度与最大 挠度相差不大,第2跨的最大挠度发生在跨中加载 点处,当达到极限荷载时CCB-2第1跨的最大挠 度甚至超过第2跨跨中最大挠度的72%.综合试 以CCB.1和CCB.2为例对比分析连续组合梁 在开洞前后的变形和受剪性能. 实测连续组合梁在不同荷载阶段下的挠曲变 形如图11所示. 验结果来看,连续组合梁CCB.3~CCB-6在腹板 开洞后都表现出与CCB-2相似的特征,CCB一3~ CCB-6第1跨的最大挠度分别比第2跨的最大挠 度大72%~75%. 图11(a)为腹板无洞连续组合梁CCB一1的挠 度曲线,挠度的最大值始终发生在两跨组合梁各跨 跨中,即集中荷载加载点位置.从图11(b)可见, ’ 一 ~ ‘ 一一 一 『 一_, —5 74mm 一9 89mrri l 0 0O 0.75—】.50 2 25 3 0O 3.75 4 50 5.25 6 0O ・_o—P--154kN—P=373 kN ・-- 一P'=279 kN  ̄0 OO 0 75 l 50 2 25 3 O0 3 75 4 50 5 25 6 OO —a—P=54 kN —— 一P=-54kN.-.owP:ll7 kN—— 一JD=192 kN ・—-( 一P=326 kN 尸=242 kN 一 一P=287 kN 梁长/cm 梁长/cm (a)CCB一1 (b)CCB一2 图11连续组合梁试件挠度对比 Fig.1 1 Comparison of deflection curves for continuous composite beam specimens 为了明确连续组合梁腹板开洞区域混凝土翼 板和钢梁截面各自承担的剪力值,在试验测量应变 的基础上,利用数值积分 方法求解CCB-1~ CCB-6相应截面的剪力值,见表4. 表4试件洞口处截面分担的剪力 Tab.4 Shear force at web opening area 板承担了总剪力的31%,这说明在计算组合梁抗 剪承载力时,忽略混凝土板对抗剪的贡献是比较保 守的.本文的腹板开洞连续组合梁试验结果显示, 洞口处混凝土板承担的剪力达到了截面总剪力的 85%~90%,钢梁承担的剪力只占到截面总剪力的 10%~15% 试件 P . 洞口位置/kN (Vc_I/ )( . /L) /% /% 编号 /kN 4 结 论 (1)连续组合梁腹板开洞后明显降低了洞口 跨的承载能力和变形能力,洞口处的破坏为剪切破 坏,表现为洞口左侧或右侧上方混凝土板的斜裂缝 受剪破坏(见图5). (2)试验结果表明,增加混凝土板的厚度可增 大抗剪承载力,但变形能力几乎不变;增加横向配 注:P 。为极限荷载试验值; 为截面总剪力; . 为 混凝土板承担的剪力; 为钢梁承担的剪力. 筋率不能提高连续组合梁的抗剪承载力,但可增加 变形能力(见图7). 从表4可见,腹板无洞连续组合梁试件CCB一1 在洞口区域的钢梁承担了总剪力的69%,混凝土 (3)由于洞口处剪切变形和界面滑移的影响, 使洞口沿截面高度的应变呈s型或倒s型曲线,混 第4期 李龙起,等:腹板开洞钢一混凝土连续组合梁受剪性能试验研究 655 凝土板与钢梁连接的界面处滑移明显,平截面假定 不再适用于连续组合梁洞口区域(见图9和图10). (4)连续组合梁腹板开洞后,洞口区域的挠曲 变形增大,沿洞口长度成直线型.极限状态下洞口 跨实测最大挠度比无洞跨的最大挠度大70%~ 75%左右(见图11(b)). (5)由于洞口挖去了大部分承担剪力的腹板 面积,剪力主要通过洞口上方的混凝土板承担,占 总剪力的85%一90%(见表4),因此,提高洞口区 域混凝土板的抗剪承载力和变形能力成为解决问 题的关键,其余梁段的截面剪力分布不受开洞的 影响. 参考文献: [1]周东华,孙丽莉,樊江,等.组合梁挠度计算的新方 法:有效刚度法[J].西南交通大学学报,2011, 46(4):541-546. ZHOU Donghua,SUN Lili,FAN Jiang,et a1.Effective stiffness method for calculation of deflection of composite beams[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2011,46(4):541—546. [2]操礼林,石启印,王震,等.高强U形外包钢.混凝土 组合梁受弯性能[J].西南交通大学学报,2014, 49(1):72—78. CAO Lilin,SHI Qiyin,WANG Zhen,et a1.Bending performances of high--strength steel・-encased composite beams[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2014,49(1):72-78. [3]石启印,黄周瑜,李爱群,等.U型外包钢一混凝土组 合梁延性的试验研究[J].西南交通大学学报,2008, 43(2):206—212. SHI Qiyin,HUANG Zhouyu,LI Aiqun,et a1. Experimental investigation on ductility of U—section steel—encased concrete composite beams[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2008,43(2):206-212. [4] 雷宇,赵雷,黎曦,等.大跨度组合梁斜拉桥极限承载 力影响因素[J].西南交通大学学报 ̄2009,44(6): 812—816. LEI Yu,ZHAO Lei,LI Xi,et a1.Influencing factors of uhimate load・-bearing capacity of long--span composite rder cable—stayed bridge[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2009,44(6):812—816. [5]Ju Y K,CHUN S C,KIM S D.Flexural test of a composite beam using asymmetric steel section with web openings[J].Journal of Structurla Engineering,2009, 135:448-458. [6] 聂建国,余志武.钢一混凝土组合梁在我国的研究与 应用[J].土木工程学报,1999,32(2):3-8. NIE Jianguo.YU Zhiwu.Research and practice of composite stee1.concrete beams in China『J].China Civil Engineering Journal,1999,32(2):3-8. [7] CHEN Tao,GU Xianglin,LI Hua.Behavior of steel concrete composite cantilever beams with web openings under negative moment[J].International Journal of Steel Structures,2011,11(1):39-49. [8]王鹏,周东华,王永慧,等.腹板开洞钢一混凝土组合 梁抗剪承载力试验研究[J].工程力学,2013, 30(3):297—305. WANG Peng,ZHOU Donghua,WANG Yonghui,et a1. Experimental study on shear strength of steel—concrete composite beams with web opening[J].Engineering Mechanics,2013,30(3):297—305. [9] ZHOU Donghna.Auswirkung der Verformbarkeit der Verbundmittel und Teilverbundes auf das Tra gverhahen und die Tragf'ahigkeit yon Verbun dtragem mit Querschnittssprtingen[M]. [S.1.]:Shaker—Verlag, 2003:71—85. [10] ZHOU Donghua.Beitrag zum Tragverhalten und zur Entwicklung der Rechenmodelle yon Verbundtr ̄tgern mit StegSfnungen[D]. Kaiserslautem:Universitat Kaiserslautem,1998. [11] 王鹏,周东华,王永慧,等.带加劲肋腹板开洞组合 梁极限承载力理论研究[J].工程力学,2013, 30(5):138—146. WANG Peng,ZHOU Donghua,WANG Yonghui,et a1.Theoretical study on ultimate capacity of composite beams with reinforced web opening[J].Engineering Mechanics,2013,30(5):138—146. [12] C1AWSON W C,DARWIN D.Test of composite beams with web openings[J].Journal of Structure Engineering,1982,108(3):145—162. 『13] REDWOOD R G,POUMBOURAS G.Analysis of composite beams with web openings[J].Journal of Structure Engineering,1984,110(9):1949—1958. 『14] CHUNG K F,LIU C H,KO A C H.Steel beams with large openings of various shapes and sizes:an empiircal design method using a generalized moment— shear interaction curve『J].Journal of Constructional Steel Research,2003,59(9):1177—1200. [15] 聂建国,陈林,肖岩.钢一混凝土组合梁抗剪研究中的 塑性分析方法[J].工程力学,2002,19(5):48-51. NIE Jianguo,CHEN Lin,XIAO Yan.Plastic analysis of shear behavior of composite stee1.concrete beams『J]. Engineering Mechanics,2002,19(5):48-51. (中文编辑:秦萍玲 英文编辑:兰俊思) 

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