高性能鋼—混凝土組合梁抗剪性能研究(土木結構工程專業(yè)優(yōu)秀論文).pdf

j 匕壺童通太堂亟 堂僮途塞 擅噩 中文摘要 摘要 本文以國內外鋼一混凝土組合梁的研究為基礎 進而對高性能鋼一混凝土 組合梁進行有限元模擬分析 研究其抗剪性能 本文主要研究內容 首先概括闡述了高性能鋼與高性能混凝土的應用以及發(fā) 展情況 同時也介紹了組合梁的發(fā)展情況 對組合梁的受力性能作了系統(tǒng)介紹 以便對組合梁的分析奠定基礎 第二章對組合梁的縱向抗剪 豎向抗剪等計算方 法以及經驗公式進行總結分析 著重對栓釘連接件的相關實驗 工作機理 破壞 方式以及栓釘的承載力進行了系統(tǒng)介紹 為后面有限元模型的分析建立理論基 礎 應用a n s y s 有限元軟件對清華大學己做的實驗組合梁進行同等條件模擬 并 驗證了模型的準確性 分別建立兩組合高性能組合梁與普通組合梁 分析他們在 相同截面和作用力的情況下受力 變形 栓釘剪力以及滑移等的影響 結果表明 高性能組合梁在受力 變形以及滑移方面都比普通組合梁的較為有利 最后再建 立六組截面尺寸及配筋相同而連接度不同的高性能組合梁 通過改變栓釘連接度 分析它對高性能組合梁產生的影響 結果表明連接度對組合梁的承載力 變形以 及滑移都有明顯影響 同時也給出了影響的具體情況 為高性能組合梁的設計與 應用提供參考 關鍵詞 高性能鋼一混凝土組合梁 縱向滑移 縱向抗剪 栓釘承載力 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fs t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m so na n da b r o a d t h es h e a rr e a s i s t a n tb e h a v i o ro ft h eh p s h p cc o m p o s i t eb e a m si sa n a l y s e da n d r e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eh p s h p c a n dc o m p o s i t eb e a m sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e b e a m si sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l w h i c hp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea n a l y s i so f t h ec o m p o s i t eb e a m s t h ec a l c u l a t i o n a lm e t h o d sa n de x p e r i e n t i a lf o r m u l aa b o u tt h e l o g n i t u d i n a ls h e a rr e s i s t a n c ea n dv e r t i c a ls h e a rr e s i s t a n c eh a v eb e e ns u mu pi nt h e c h a p e rt w o t h et e s t w o r km e c h a n i s m c r a bm o d ea n dc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es t u ba r e a l s oi n t r o d e c e d w h i c hp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e p t h es a m p l ew h i c hh a v eb e e nt e s t e db yt s i n g h u au n i v e r s i t ya l es i m u l a t e da n d v a l i d i t i e db ya n s y ss o f t w a r ei nt h es a m ec o n d i t i o n t h e nt w oh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sa n dt h et w oc o m m o n sa r ef o u n d e dr e s p e c t i v e l yf o ra n a l y s i n gt h e i rc a p a c i t y d i s t o r t i o n s h e a rc a p a c i t ya n ds l i p p a g eo ft h es t u b l a s t l ys i xh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sw h i c hh a v es i xd i f f e r e n tc o n n e c t i o n sa r ef o u n d e da n da n a l y s e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ec a r r y i n gc a p a c i t y d i s t o r t i o na n ds l i p p a g eo ft h eh p s h p cc o m p o s i t e b e a m sc a nb ea f f e c t e db yt h ec o n n e c t i o no ft h es t u bc l e a r l y a n dt h ee f f e c ti sa l s o s h o w e d w h i c hc a no f f e rt h er e f e r r e n c ef o rd e s i g na n da p p l i c a t i o ni np r a c t i c e k e yw o r d s h p s h p cc o m p o s i t eb e a m s l o n g i t u d i n a ls l i pe f f e c t l o n g i t u d i a ls h e a r r e s i s t a n c e c a r r y i n gc a p a c i t yo fs t u b 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解北京交通火學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 特授權北京交 通大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 并采用影印 縮印或掃 描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印 件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權說明 學位論文作者簽名 導師簽名 簽字日期 年月日簽字日期 年 月日 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所是交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得北京交通人學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工 作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 簽字日期 年月日 5 9 致謝 本論文的工作是在我的導師高日教授的悉心指導下完成的 高日教授嚴謹的 治學態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響 在此衷心感謝兩年來高日 老師對我的關心和指導 高日教授悉心指導我們完成了實驗室的科研工作 在學習上和生活上都給予 了我很大的關心和幫助 在此向高日老師表示衷心的謝意 高同教授對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見 在此表示衷心 的感謝 在實驗室工作及撰寫論文期間 栗榮剛等同學對我論文中的研究工作給予了 熱情幫助 在此向他們表達我的感激之情 另外也感謝家人 他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè) 1 1 高性能材料研究與應用 1 1 1 高性能鋼 1 3 1 緒論 高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項性能較普通鋼材得到改善的鋼材 主要分為高強度鋼材和普通強度高性能鋼材 1 高強度鋼 在高層 大跨度結構建設中 使用高強度鋼材可減薄所用鋼板的厚度 從 而減輕結構的重量 獲得大跨度 且方便施工 選用承重鋼結構的鋼材時 如 能取得較高的經濟效益 應優(yōu)先采用高強度低合金鋼 在普通鋼材中加入少量 的合金元素來提高鋼材的承載力 使鋼材發(fā)揮更高的效能 低合金鋼按照新的 鋼材牌號標準 q 3 4 5 鋼包括5 種鋼材 即1 6 m n 1 2 m n v 1 4 m n n b 1 6 m n r e 1 8 n b 0 3 9 0 鋼包括3 種鋼材 即1 5 m n v 1 5 m n t i 1 6 m n n b 而q 4 2 0 鋼則包括2 種鋼材 即1 5 m n v n 1 4 m n v t i r e q 4 2 0 鋼是這次規(guī)范新推薦的鋼種 強度較高 雖然q 4 2 0 鋼的統(tǒng)計資料尚不夠充分 也沒有足夠的使用經驗 但其中的1 5 m n v n 曾用于九 江長江大橋 2 耐候鋼 耐候鋼是指在惡劣環(huán)境條件下 主要是指腐蝕較強的環(huán)境 具有較強工作 性能的鋼材 為了降低橋梁結構的養(yǎng)護與維修成本 耐候鋼在橋梁結構中的應 用正在日益增加 耐候鋼在無涂裝使用時 影響腐蝕的最主要因素是大氣中的 鹽分含量 具體結構的腐蝕狀況由鹽分附著容易與否和濕度決定 還與有無雨 水沖洗有關 在濕度高 腐蝕性強的環(huán)境條件下 結構鋼的防腐性能將成為設 計考慮的重點 近年來 日本的鋼鐵制造商推出了一些新的耐候鋼 部分已經 投入實際應用 這些新的耐候鋼能減少材料在大氣中有鹽分環(huán)境條件下的腐蝕 且不引起過量層狀撕裂和無粘節(jié)的片狀銹物 與傳統(tǒng)鋼材的化學成分相比 這 些新型耐候鋼是低合金鋼 不含鉻 但含有鈮 鉬 磷 鈦等元素 根據含鹽環(huán) 境中進行的暴露試驗 這些鋼的腐蝕損失比普通鋼少 工程實踐中 耐候鋼不涂裝就可以使用 是極好的結構用材 并且可以將 鋼結構 如橋梁 壽命期內的總費用降到最低 3 高焊接性能鋼 焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應性和金屬在一定的焊接方法 焊 接材料 工藝參數及結構型式條件下 獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度 焊接工 藝中 焊接預熱是一個關鍵因素 控溫控軋技術 t m c p 技術 是高性能鋼板降低 焊接預熱溫度所采用的一項關鍵技術 最初僅用于4 9 0 n m m 二級鋼 屈服強度 3 5 5 m p a 采用t m c p 技術的7 8 0 m p a 級鋼 屈服強度 6 8 5 m p a 在商業(yè)上的應用始 于日本明石海峽橋的加勁鋼板 普通7 8 0 m p a 級鋼焊接時需要1 2 0 c 以上的預熱 溫度 這帶來了各方面的問題 比如由熱膨脹引起的構件變形和高溫所帶來的 工作荷載增加 因此 不需要預熱或預熱溫度較低的高性能鋼板應運而生 并 且在日本明石海峽大橋項目中得到了大量的應用 4 高韌性鋼 在寒冷工作條件下 鋼板的沖擊韌性對結構的工作性能非常重要 修建在 寒冷地區(qū)的橋梁用鋼要求在最低環(huán)境溫度的條件下能保證沖擊韌性 目前用于 橋梁鋼板的標準要求必須保證o c 或一5 c 時的韌性 有時甚至要保證一2 0 c 和 一4 0 時的良好韌性 一般來說 橋梁鋼材在寒冷工作條件下 其應變的時效效應將降低鋼板的 韌性 降低的幅度與鋼板的制作方法有關 通過減少碳 磷 硫和氮的含量 細化晶粒結構及引入t m c p 技術 可以減少鋼板韌性降低的幅度 對于耐候鋼來 說 可以通過引入t m c p 技術來增加其韌性 5 抗強疲勞性能鋼 工程上 疲勞主要是指金屬材料在應力的反復作用下 由于內部微小的缺 陷或應力集中而產生塑性變形 萌生裂紋 隨著外力反復作用次數的增加 微 小的裂紋逐漸擴展 最后導致材料開裂或破壞 目前改善鋼材疲勞性能的途徑主要有 通過磁化提高結構疲勞性能 通過 細化鋼材晶?？梢愿纳频椭芷谛阅?通過加入微量鎂和鋯可改善鋼材的低周 疲勞性能 通過這些方法提高材料抗裂紋產生的能力 延遲材料產生裂紋的萌 生期 從而達到提高鋼材疲勞性能的目的 1 1 2 高性能鋼材的應用 高性能鋼材在結構及橋梁工程的應用將具有相當的優(yōu)勢 橋梁結構中使用 高性能鋼材 會使得材料的用量減少了 當然原材料及其加工費用卻有可能提 高許多 高性能鋼材價格昂貴方面的缺點使得在許多結構中采用這種材料不經 濟 但對于某些結構 如果高性能鋼材用在結構適當的部位 減少材料用量所 節(jié)省的費用卻足以彌補高性能鋼材昂貴的花費 結構材料用量減少 自重也會 2 減小 對于橋梁結構 又可進一步減小橋墩的尺寸 使施工相對簡便 工程造 價降低 由此 材料替換所取得的經濟效益可導致整個工程總造價的降低 1 9 6 3 年美國推出了h p s i o o w 鋼 1 9 6 9 年列入美國試驗與材料協會 a s t m 標準 并在美國橋梁建設中沿用至今 1 9 9 5 年由美國聯邦公路局 f h w a 美海 軍 美鋼鐵學會 a i s i 共同開發(fā)出另一種耐腐蝕鋼h p s 7 0 w 其屈服強度為 4 8 3 m p a 并于1 9 9 6 年應用于美國田西納州杰克遜縣的一座橋梁上 我國在九 江長江大橋中已成功使用的q 4 2 0 鋼 并列入了g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 鋼結構設計規(guī) 范 中 黑龍江電視塔一龍塔處于高寒地區(qū) 冬季氣溫可降低到一4 0 要考 慮材料的低溫沖擊韌性 u 蕪湖長江大橋是公路 鐵路兩用 橋 低塔斜拉橋 跨度3 1 2 m 采用1 4 m n n b 鋼 鋼板厚度由2 4 m m 發(fā)展到5 6 m m 采用栓焊混合連接 1 1 3 高性能混凝土的研究和應用 對高性能混凝土的定義或含義 國際上迄今為止尚沒有一個統(tǒng)一的理解 各個國家不同人群有不同的理解 一般說來 高性能混凝土是指高強 高耐久 性 高工作性 一些美國學者更強調高強度和尺寸穩(wěn)定性 北美型 歐洲學者 更注重耐久性 歐洲型 而日本學者偏重于高工作性 日本型 這可能由于日 本更重視混凝土振搗工藝對工人聽力的不利作用 而推廣不需振搗的自密實混 凝土 在我國 對高性能混凝土的含義也有爭論 馮乃謙 開宗明義地指出了 高性能混凝土必須是高強的 因為一般情況下高強對耐久性有利 同時他認為 高性能混凝土發(fā)展的物質基礎是現在有了好的摻合料和減水劑 因此高性能混 凝土必須摻摻合料 馮乃謙的這些觀點代表了當時我國大多數混凝土學者對高 性能混凝土的認識 吳中偉 針對當時科研界過度追求高強度的趨向 及時提 出 有人認為高強度必須高耐久性 這是不全面的 因為高強混凝土會帶來不 利于耐久性的因素 高性能混凝土還應包括中等強度混凝土 如c 3 0 混凝 土 吳中偉 高度重視耐久性 并早在1 9 8 6 年就提出高強未必一定高耐久 低 強也不 定就不耐久的觀點是非常有前瞻性的 而且今天他的這個觀點也是正 確的 1 9 9 0 年5 月由美國國家標準與技術研究所 n i s t 與美國混凝土協會 a c i 主辦了第一屆高性能混凝土的討論會 定義高性能混凝土為具有所需性能要求 的勻質混凝土 必須采用嚴格的施工工藝 采用優(yōu)質材料配制的 便于澆搗 不離析 力學性能穩(wěn)定 早期強度高 具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的 混凝土 1 9 9 8 年美國a c i 又發(fā)表了一個定義為 高性能混凝土是符合特殊性 能組合和勻質性要求的混凝土 如果采用傳統(tǒng)的原材料組分和一般的拌和 澆 筑與養(yǎng)護方法 未必總能大量地生產出這種混凝土 而歐洲混凝土學會和國際 預應力混凝土協會則將高性能混凝土定義為水膠比低于0 4 0 的混凝土 在日 本 將高流態(tài)的自密實混凝土 即免振混凝土 稱為高性能混凝土 強度一般為 4 0 4 5m p a 混凝土中除水泥外 還有礦渣粉 粉煤灰及膨脹劑 2 0 0 3 年廉慧珍教授 1 專門撰文反思了對高性能混凝土的理解存在的若干誤 區(qū) 造成對高性能混凝土使用的盲目和混亂 她對高性能混凝土的理解為 高 性能混凝土不是混凝土的 個品種 而是達到工程結構耐久性的質量要求和目 標 是滿足不同工程要求的性能和具有勻質性的混凝土 近年 隨著我國經濟持續(xù)高速增長 建筑業(yè)作為我國國民經濟支柱產業(yè)之 一也得到了快速發(fā)展 由于目前我國建筑主要為鋼筋混凝土結構形式 因此 混凝土的消耗量在逐年遞增 據統(tǒng)計 2 0 0 5 年混凝土用量為1 5 億立方米 建 筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一 要實現可持續(xù)發(fā)展 就必須調整建筑材料 消耗結構 大力推廣應用高性能混凝土 走節(jié)約型發(fā)展道路 隨著高層 超高 層和大跨度結構工程的出現 對高強度 高性能混凝土提出了更高的要求 過 去采用c 6 0 高強度混凝土的工程都不多 現在 不僅生產和使用c 6 0 高強度混 凝土已經相當普遍 而且開始使用c 8 0 甚至c 1 0 0 在建筑物的梁 柱結構中采 用高強度混凝土優(yōu)越性非常明顯 在同等條件下 混凝土強度越高 其結構構 件的尺寸 體積就會相對減少 混凝土用量也將成比例地減少 同時由于結構 斷面的減少 不但使建筑物在觀感上給人以舒適的感覺 而且增加了建筑物的 實際使用面積 經濟效益非常明顯 對橋梁來說 高性能混凝土除高耐久與高 強要求外 又增加了輕質的要求 因為橋梁上部結構使用輕質高性能混凝土 容 重約1 9 t m 3 橋梁自重減輕了 可以降低橋梁下部結構的成本 輕質高強 5 6 7 4 m p a 的高性能混凝土已經成功地在一些工程中應用 高性能混凝土在我國實 際工程中獲得了越來越廣泛的應用 尤其是在高層建筑 大跨度橋梁 海上采 油平臺 礦井工程 海港碼頭等工程中的應用日益增多 例如 上海金茂大廈 c 6 0 北京靜安中心大廈 c 8 0 遼寧物產大廈 c 8 0 南京希爾頓國際大酒店 c 3 0 和c 5 0 長春國際商貿城 c 5 5 廣州虎門大橋 c 5 0 上海楊涌大橋 c 5 0 等都是應用的典范 有理由相信 高性能混凝土將獲得越來越廣泛的應用 并 且會成為2 l 世紀工程建設的優(yōu)選材料 正如中國工程院院士陳肇元教授 所 述 高性能混凝土是混凝土技術進步的產物 它的生產需要有素質的操作人員 較完善的生產設備和高水平的質量管理控制 推廣應用高性能混凝土 我們應 不斷總結經驗 對推廣應用中發(fā)現的問題 不斷地進行研究并盡快給予解決 隨著高性能混凝土技術的發(fā)展和應用量的不斷增大 我國建筑業(yè)的整體水平將 得到很大的提高 4 1 2 鋼一混凝土組合梁發(fā)展動態(tài) 1 2 1 組合梁的起源 9 1 建筑和橋梁的結構設計主要涉及抵抗與承受荷載 因為沒有更好的材料像 鋼筋混凝土那樣有低造價 高強度 并且耐腐蝕 耐磨損 耐火的優(yōu)點 除了 大跨度橋梁外 一般樓板 橋面板均使用鋼筋混凝土 對于跨度大于幾米的情 況 將板放置在墻或梁上比單純增加板厚要經濟 單梁也是鋼筋混凝土的情況 下 結構的整體式特性使得板可充當梁的上部翼緣 當跨度超過l o m 特別是 在鋼易于被火破壞的敏感性不成問題的情況下造價低 過去常常習慣于將鋼架 設計成既承受混凝土板自重又承受混凝土板的荷載 現在剪力連接件的發(fā)展使 剪力連接件的連接板與梁中得到應用 取得了已被長期使用的混凝土t 型梁的 效果 1 9 2 6 年 j k a h n 依據上述思想 在鋼梁上外包混凝土 并在它們之間加 入各式各樣的連接件 獲得了組合構件的專利權 標志著鋼一混凝土組合構件的 出現 1 2 2 鋼一混凝土組合梁特點n 訂 由于組合梁能按照各組成部件所處的受力位置和特點 較大限度地發(fā)揮了 鋼與混凝土各自材料的特性 所以不但滿足了結構的功能要求 而且也有較好 的經濟效益 概述起來 組合梁的特點有 1 充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自材料的特性 尤其對于簡支梁 鋼一 混凝土組合梁截面的上緣受壓 下緣受拉 正好發(fā)揮了混凝土受壓性能好和鋼 材受拉性能好的長處 2 節(jié)省鋼材 實踐表明 由于鋼筋混凝土板參與了共同工作 提高了梁 的承載能力 減少了鋼梁上翼板的截面 組合梁方案與鋼結構方案比較 可節(jié) 省2 0 4 0 每平方米造價可降低1 0 3 0 3 增大了梁的鋼度 組合梁方案和鋼梁方案相比較 由于鋼筋混凝土板 有效參加工作 截面剛度大 梁的撓度減小1 3 1 2 另外 還可提高梁的自 振頻率 4 減少結構高度 組合梁和鋼梁或者鋼筋混凝土相比可減少結構高度 對于高層建筑結構 若每層減少十幾厘米 數十層累計將是一個可觀的數字 從而可降低整個房屋造價 對于橋梁 由于結構高度減小 可以降低橋面標高 減小兩端路堤長度 5 組合梁可利用己安裝好的鋼梁支模板 然后澆注混凝土板 節(jié)約了模 板的費用 對于高度較大的大跨度結構 如棧橋 這一優(yōu)點就更為突出 6 抗震性能好 噪音小 由于組合梁整體性強 抗剪性能好 表現出了 良好的抗震性能 組合梁一開始出現就廣泛地在橋梁結構中應用 另外 組合 梁在活載作用下比全鋼梁橋的噪音小 在城市中采用組合梁橋更合適 7 耐火等級差 耐腐蝕性差 耐火等級高的房屋結構 需對鋼梁涂耐火 涂料 對有水流的組合梁橋需采取防腐措施 8 在鋼梁制作過程中需要增加焊接件的工序 有的連接件需要專門的焊 接工藝 有的連接件在鋼梁吊裝就位后還需要進行現場校正 1 2 3 鋼一混凝土組合梁的發(fā)展 9 m 1 1 1 2 1 鋼一混凝土組合梁從開始出現到現在 其應用范圍不斷擴大 從橋梁結構上 的大跨橋面梁 工業(yè)建筑上的重荷載平臺梁和吊車梁 到要求所用梁截面高度 小 自重輕的民用建筑中的組合樓層 都有廣泛應用 它的應用發(fā)展大致可分 為四個階段 1 鋼一混凝土組合梁大約出現于2 0 世紀2 0 年代 當時主要考慮防火的 要求 在鋼梁外面包圍混凝土 而未考慮兩者的組合工作效應 隨后 在3 0 年 代中期出現了在鋼梁和混凝土板之間加入各式各樣連接件的構造方法 2 從2 0 世紀4 0 年代到6 0 年代可認為是組合梁發(fā)展的第二階段 在這 一階段 對組合梁開始進行深入 細致的試驗研究 6 0 年代前主要是應用彈性 理論分析的 許多技術先進的國家都制定了有關組合的設計規(guī)范或規(guī)程 最早 的組合梁設計規(guī)范或規(guī)程大都針對橋梁結構 美國頒布于1 9 4 4 年 1 9 4 4 年美 國州際公路協會 a s s h o 制定的 公路橋涵設計規(guī)范 單獨列出了組合梁有 關規(guī)定的章節(jié) 1 9 4 6 年美國 房屋鋼結構設計 制造安裝規(guī)范 也列入組合梁 的內容 德國頒布于1 9 4 5 年 1 9 5 5 年德國制定了 橋梁組合梁 d i n l 0 7 8 1 9 5 6 年制定了 房屋建筑組合梁 d i n 4 2 3 9 標準 日本制定于1 9 5 9 年 各 國應用和研究鋼一混凝土組合梁幾乎都是從橋梁結構開始的 3 從2 0 世紀6 0 年代到8 0 年代可認為是組合梁發(fā)展的第三階段 本階 段在總結以前研究和應用成果的基礎上 迸一步改進了有關組合梁設計規(guī)范或 規(guī)程 6 0 年代后開始逐步轉為塑性理論分析 隨著鋼產量的增加和高層建筑 的發(fā)展 使得組合結構的應用和發(fā)展幾乎日趨趕上鋼結構的發(fā)展 各國3 0 層以 上的高層建筑中有2 0 采用了壓型鋼板混凝土組合樓蓋 其中也包括組合梁 早在1 9 6 0 年美國鋼結構協會及鋼筋混凝土協會就聯合組成了a i s c a c i 組合梁 聯合委員會開展工作 1 9 6 5 年英國制定了 鋼與混凝土結構 房屋建筑中的簡 6 支梁 及1 9 6 7 年制定了 鋼與混凝土組合結構 橋梁 設計標準 幾乎同時 1 9 6 6 年印度標準協會制定了 組合結構設計規(guī)范 日本于1 9 7 5 年制定了 組 合梁結構設計施工指南及說明 最值得注意的是 在國際土木工程師協會聯合 委員會主持下 于1 9 7 1 年由歐洲國際混凝土協會 c e b 歐洲鋼結構協會 e c s s 國際預應力聯合會 f i p 以及國際橋梁與結構工程協會 i a b s e 共 同成立了組合結構委員會 并于1 9 8 1 年制定并公布了 鋼一混凝土組合結構規(guī) 程 它除了廣泛反映各國在2 0 世紀7 0 年代及以前的科研成果外 還第一次對 組合結構引用了極限狀態(tài)設計原則 把組合梁的設計提高到了一個新的階段 可見 組合結構在當時已經發(fā)展為繼鋼結構和鋼筋混凝土結構以后的一種新型 結構 受到廣泛重視 4 從2 0 世紀8 0 年代初至今 為組合結構應用和發(fā)展的第四階段 進入 8 0 年代 相繼出現了預制裝配式鋼一混凝土組合梁 預應力鋼一混凝土組合梁和 用壓型鋼板作為樓層混凝土板底模的組合梁等多種型式的組合梁 1 9 8 4 年 在 英國對該規(guī)定 組合結構規(guī)范 進行了修改補充 形成了 歐洲規(guī)范4 草 案 隨后 1 9 8 5 年 歐洲規(guī)范4 由歐洲共同體委員會 c e c 首次正式頒布 此外 歐洲共同體委員會決定把歐洲規(guī)范的制訂工作移交給歐洲標準委員會 c e n 近年來 隨著組合結構研究應用的深入和發(fā)展 歐洲標準委員會正在 對 歐洲規(guī)范4 進行修訂 修訂后的 歐洲規(guī)范4 分兩部分 第一部分草案 已于1 9 9 2 年由歐洲標準委員會頒布 我國在2 0 世紀5 0 年代初期開始研究組合梁結構 之后在公路 鐵路橋梁 方面得到應用 1 9 5 6 年 鐵道部編制組合梁標準圖并成功地應用于烏江橋及衡 陽的湘江橋等橋梁中 1 9 5 6 年修建的武漢長江大橋上層公路橋也采用了組合梁 結構 1 9 7 4 年 我國交通部頒發(fā)的 公路橋梁設計規(guī)范 及時1 9 8 6 年頒發(fā)的 公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范 j t j 0 2 5 8 6 對組合梁的構造與計算 作了有關規(guī)定 在房屋建筑方面 早在2 0 世紀5 0 年代 北京鋼鐵工業(yè)建筑設 計研究總院對組合梁結構就進行了研究 6 0 年代 當時的北京工業(yè)建筑設計院 和建筑研究院 北京鋼鐵設計總院等單位用組合結構設計過工廠樓蓋 吊車梁 2 0 世紀7 0 年代以來 我國對組合梁的性能進行了較系統(tǒng)的研究 取得了可喜 的成果 在此基礎上 我國有關部門新修訂 編制了 鋼結構設計規(guī)范 g b j l 7 8 8 高層建筑結構設計與施工規(guī)程 和 火力發(fā)電廠主廠房組合結 構設計暫行規(guī)定 等規(guī)范 上述規(guī)范 規(guī)程中均包括了組合梁的內容 但均未 給出組合梁抗扭設計計算的相關條款 組合梁在實際的工程中已經推廣很廣 北京國際技術培訓中心的兩幢1 8 層 樓 樓蓋結構彩冷彎薄壁型鋼一混凝土簡支組合梁 跨度6 m 間距1 5 m 組合梁 7 全高3 0 0 r a m 包括混凝土樓板厚度 組合樓蓋結構設計是以試驗研究成果為依 據的 剪力連接件設計節(jié)省栓釘用量達4 7 與鋼筋混凝土疊合樓板相比較 結構自重降低2 9 水泥節(jié)約3 4 鋼材消耗節(jié)約2 2 木材消耗節(jié)約7 造價 降低5 施工周期縮短2 5 并且使建筑標準提高了一大步 為我國城鎮(zhèn)住宅 建設提供了一種輕型 優(yōu)質 大跨的樓蓋結構形式 這種新型組合組合梁在高 層建筑樓蓋結構中具有廣闊的應用前景 有利于推動大開間靈活分隔的高層建 筑的發(fā)展 在橋梁方面組合梁的應用也取得了舉世公認的進步 1 9 9 4 年建成的上海南 浦大橋為跨徑4 2 5 m 的斜拉橋 其加勁梁采用了鋼一混凝土組合梁結構 故又稱 為鋼一混凝土組合梁斜拉橋 近年在北京 上海等城市的立交建設中 鋼一混凝 土組合梁橋由于其跨越能力大 建筑高度小 抗震性能好以及施工速度快等優(yōu) 點 得到了廣泛的應用 建成了以北京航天橋 主跨7 3 m 和朝陽橋 主跨6 4 m 為代表的一批鋼一混凝土組合連續(xù)梁橋 取得了較好的技術經濟效益 這些工程 也為進一步擴大鋼一混凝土組合梁橋在公路及城市橋梁工程中的應用 積累了寶 貴的經驗 1 2 4 高性能鋼一混凝土組合梁 日本 美國 英國 前蘇聯及加拿大等技術先進國家自2 0 世紀6 0 年代就開始 了鋼與混凝土組合梁性能研究 比較深入 應用也比較廣泛 并取得了顯著的經 濟效益和社會效益 相繼制定了內容豐富的設計規(guī)范或規(guī)程 目前 國外一些學 者將數值計算理論引入組合梁 但主要假定材料為線彈性的 從國外的研究情況看 盡管國外對鋼與混凝土組合梁的研究作了很多工作 但是對鋼與混凝土組合梁中的交接面滑移對組合梁的承載力 變形 組合截面應 力傳遞等 的影響 混凝土徐變對組合梁受力性能的影響及其計算方法 非線性 分析與設計理論等研究較少 特別是對綜合考慮交接面連接剛度 混凝土的徐變 及施工順序與方法等對組合梁受力性能影響的研究更少 有的問題即使研究過 也只是做了定性分析 很多問題有待于解決 而對采用鋼和高強混凝土形成的鋼 與高強混凝土組合梁的受力性能研究目前尚未見到有關報道 我國對鋼與混凝土組合梁的研究始于8 0 年代 研究方法多是借助于國外的研 究方法 并很快將研究成果應用到工業(yè)廠房 高層建筑 大跨度橋梁及城市立交 橋等實際工程中去 取得了良好的經濟效益和社會效益 盡管我國對鋼與普通 輕 骨料 混凝土組合梁作了研究 但在某些方面研究尚不夠完善 在某些方面可以 說是空白 而國外對鋼與高強混凝土組合梁的研究比較早 在國內尚未見到有關 報道 徐亞豐等 基于鋼與高強混凝土組合梁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限 狀態(tài)下的工作機理基礎上 通過分析鋼與高強混凝土組合梁的高度的組成 確定 出梁的混凝土的高度吃及型鋼腹板凈高度h 為設計變量 并以以與吃 之和為目 標函數 在考慮彎曲約束條件 剪切約束條件 變形約束條件 整體穩(wěn)定約束條 件的情況下 分別按彎曲強度 剪切強度和變形約束的要求對組合梁高度取值的 優(yōu)化設計進行了探討 得出了優(yōu)化設計后的結果 為降低組合梁的高度提供了理 論根據 n c l 許偉等 通過鋼與高強混凝土組合梁的試驗研究 得到其荷載一撓度曲線 分析其變形性能 在荷載作用下 鋼梁與混凝土板交接面處出現相對滑移 導致 組合梁的承載力降低 剛度變小 變形加大 考慮交接面相對滑移對鋼與高強混 凝土組合梁的變形影響 利用彈性分析理論建立了鋼與高強混凝土組合梁的變形 微分方程 得到了跨中集中荷載 均布荷載及對稱集中荷載作用下的鋼與高強混 凝土組合梁的變形計算公式 計算結果與試驗結果對比 二者吻合良好 許偉等 研究了4 根鋼與高強混凝土組合梁的抗裂性能 試驗表明 當荷載 達到極限荷載的4 0 左右 微裂縫首先在加載點下的混凝土板底面出現 然后在 加載點問逐漸增加 最后裂縫貫穿板頂得到組合梁的混凝土板及型鋼應變與荷 載關系的曲線 分析鋼與高強混凝土組合梁工作機理 利用彈性分析理論建立鋼 與高強混凝土組合梁開裂荷載的計算公式 計算結果與試驗結果對比 二者吻合 良好 給出了鋼與高強混凝土組合梁裂縫寬度的計算公式 聶建國等 為了研究鋼一高強混凝土組合梁在靜載作用下的抗彎性能 完成 了8 根鋼一高強混凝土組合梁在跨中兩點對稱荷載作用下的試驗 對其受力性能進 行了分析 并探討了翼緣板混凝土強度 鋼梁屈服強度和翼緣板寬度對組合梁正 截面受彎承載力 延性的影響 結合試驗結果和理論分析 對現行規(guī)范中組合梁 正截面受彎承載力計算公式進行了補充修正 以拓寬計算公式中翼緣板混凝土強 度的適用范圍 為高強混凝土在鋼一混凝土組合梁中的應用提供設計依據 許偉等u 采用a n s y s 通用有限元軟件 針對鋼與高強混凝土連續(xù)組合梁本身 結構及受力性能的復雜性 考慮材料非線性 提出了一個對鋼與高強混凝土連續(xù) 組合梁從加載到破壞的全過程非線性分析模式 對鋼與高強混凝土連續(xù)組合梁連 接件設計進行分析 研究連接件的布置方式對連續(xù)組合梁的影響 完善鋼與高強 混凝土連續(xù)組合梁中抗剪連接件的設計理論 敦志毅等u 副在分析國內外鋼一混凝土組合梁各種剪切連接件形式的基礎 上 著重闡述了鋼一高強混凝土組合梁中栓釘連接件的受力性能和承載力計算 方法 提出了有待完善的地方 9 1 3 組合梁的受力性能研究概況 1 3 1 組合梁豎向抗剪研究 目前各國有關規(guī)范都規(guī)定按塑性理論設計時 組合截面的豎向抗剪計算均 不計混凝土翼緣部分的影響 僅考慮鋼梁腹板的抗剪作用 對于密實組合截面 的簡支梁 在豎向受剪極限狀態(tài)時 認為鋼粱腹板均勻受剪且達到鋼材塑性設 計抗剪強度 不考慮混凝土翼板的影響 j o h n s o nr p 的研究指出 對于混凝 土翼板的裂縫寬度小于0 5 m m 裂縫問距在l o o m m 一 2 0 0 m m 之間的情況 如果不 考慮混凝土翼板內縱筋的銷栓力作用 則混凝土的骨料咬合力能夠提供2 2 的 總抗剪能力 如果考慮混凝土翼板內縱筋的作用 混凝土翼板抗剪能力隨著縱 筋面積與鋼梁面積之比的增加而增加 可達總抗剪能力的3 5 d a v i e s c 在6 根鋼一火山渣砼簡支組合梁和6 根鋼一火山渣砼連續(xù)組合梁試驗的基礎上 探討影響組合梁豎向抗剪承載力的主要因素 混凝土翼板 名義剪跨比和力比 等 試驗與計算結果表明 在計算組合梁豎向抗剪承載力時 如果不考慮混凝 土翼板的作用 計算結果將趨于保守 對于連續(xù)組合粱還應該考慮彎矩比的影 響 聶建國實驗 表明 按公式 v h 實測值 一般僅為實測值的6 0 7 0 因此 建議在計算組合梁抗剪承截 力時應考慮混凝土剪板的抗剪能力 并推導了考慮混凝土翼板抗剪承截力的組 臺截面抗剪承載力計算公式 計算結果與實測值吻合良好 1 3 2 縱向抗剪研究 組合梁縱向抗剪的研究主要包括剪力連接件的承載力研究和混凝土板的縱 向抗剪研究 在組合結構應用的早期已開始了混凝土板的縱向抗剪研究 1 9 6 9 年 d a v i e s 所做的小尺寸的梁試驗時 已發(fā)現板的縱向開裂現象 并指出梁 的極限抗彎承載力隨著橫向鋼筋的減少而降低 當橫向鋼筋配筋降低一定程度 時 會使混凝土板較早出現縱向開裂而不能達到極限抗彎承載力 1 9 7 0 年 j o h n s o n m 怕訓提出了影響板縱向開裂的橫向鋼筋的設計公式 混 凝土板中的橫向鋼筋應滿足 p l 1 2 6 v 一3 8 2 p p 2 8 0 l o 式中 p 一橫向鋼筋的配筋率 一縱向剪切面上的剪應力 c 一混凝土的軸心抗壓強度 y 鋼筋的屈服強度 上式不僅強調橫向鋼筋的配筋率 還強調橫向鋼筋的位置 在板的上部和板 底部都應該配置鋼筋 并且滿足一定的配筋率 橫向鋼筋的配筋率與混凝土的抗 壓強度和縱向剪應力有關 1 9 7 2 年 a l a n h m a t t o c k 提出了混凝土的剪力傳遞理論 認為橫向鋼 筋的銷栓作用是抗剪承載力的主要部分 混凝土也具有一定的抗剪能力 此理論 為組合梁的剪切破壞提供了理論基礎 a l a n h m a t t o c k 給出的計算混凝土剪 切面上的剪應力的公式為 屹 2 0 0 p s i 0 8 p 痧 c r 式中 屹一縱向剪切面上的剪應力 一橫向鋼筋的配筋率 吒 一垂直于剪切面方向上的外力作用在剪切面上產生的應力 m a t t o c k 認為混凝土的強度變化對縱向抗剪強度影響很小 在公式中為定2 0 0 p s i r o 1 1 9 7 5 年 j o h n s o n 根據m a t t o c k 的剪力傳遞理論 給出了混凝土板的縱 向抗剪公式 認為混凝土板的破壞為縱向剪切破壞 是由于為兩剪切面發(fā)生相互 的錯動導致混凝土板破壞 j o h n s o n 給出的縱向剪切面上的單位長度受剪承載力 公式為 屹l 0 9 0 0 7 厶4 o 2 5 f 式中 s 一系數 取為1 n m m 2 u 一縱向受剪承載力截面的周長 以m i l l 計 4 一縱向晃面單位長度橫向鋼筋的截面面積 上述公式曾在組合梁設計中應用廣泛 1 9 7 5 年 m n e l g h a z z i m 釗等根據縱向剪切破壞模型 利用莫耳圓來分 析混凝土單元 此模型可分析出剪切破壞的開裂的角度 1 9 8 1 年 p r j o h n s o n 和d j 0 e h l e r s 瞄wu w 開始重視劈裂的研究 在 組合粱的推出試驗研究中 對栓釘的承載力進行了修正 其承載力不僅與混凝土 的強度及栓釘截面面積有關 還與焊縫的高度 混凝土抗拉強度 栓釘的軸心力 有關 混凝土板的開裂的研究是通過推出試驗和有限元分析來研究劈裂破壞的模 型及相關參數 j o h n s o n 認為組合梁混凝土板中栓釘把縱向剪力傳遞給混凝土板 縱向剪力作用在混凝土板上對混凝土板來說為局部壓應力 會在混凝土板中產生 橫向的拉應力 當橫向拉應力超過混凝土的抗拉強度時混凝土板就會發(fā)生劈裂破 壞 拉應力的分布大約為1 7 5 b 兢為板寬 栓釘的縱向間距影響拉應力的重c 疊程度 下圖為橫向拉應力的分布情況 a l 墨 卜舊j 單個集中力作用在板中產生的橫向拉應力分布 d i s t r i b u t i o no ft r a n s v e r s es t r e s sd u et oi n p l a n ec o n c e n t r a t e dl o a da p p l i e dw i t l l i nas l a b r011r 口n 1r 口口1 1 9 8 9 年 d j o e h l e r s uh 對橫截面上布置不同個數的栓釘的組合 梁進行了理論和有限元研究 主要是針對板的劈裂破壞 在試驗中縱向雙排栓 釘的組合梁出現了八字形的裂縫 但也出現了沿栓釘的中心線的直裂縫 o e h l e r s 把組合梁的破壞歸結于剪切破壞 并指出縱向雙排栓釘的混凝土板中 的局部壓應力產生的橫向拉力與縱向單排栓釘產生的橫向拉力相比較 分布的 曲線有些不同 橫向拉應力的長度變短及橫向拉力變小 1 9 9 2 年 o e h l e r s 從理論上分析了混凝土板的開裂會降低栓釘的承 載力 指出縱向雙排栓釘組合梁 其栓釘總的承載力并不是單個的總和 由于 在橫向上單個栓釘的作用長度會重疊 因此每個栓釘并不能達到自身的承載力 但總的承載力還是大于單個栓釘的承載力 橫向鋼筋不會防止劈裂的發(fā)生 但 可以延緩劈裂的開展 并可以使的組合梁達到梁的極限抗彎承載力 但不會超 過其值 在剪切破壞時 混凝土會形成 短柱 橫向鋼筋可以阻止其發(fā)生轉動 裂縫就會開展的很慢 防止破壞的發(fā)生 而且栓釘的間距也會影響破壞荷載的 大小 r 口t 2 0 0 3 年 c s s i m c p c h a n g 開始研究連續(xù)組合梁的縱向抗剪問題 我國對混凝土板的縱向開裂的研究首先在鄭州工學院開展 1 9 8 6 年 李 1 2 天 做了1 5 根縱向單排栓釘的組合梁 按規(guī)定配置了橫向鋼筋 發(fā)現有1 0 根梁出現了縱向開裂 根據p r j o h n s o n 對組合梁混凝土板受剪力連接件力傳 遞的縱向剪力進行了討論 在板較薄或縱向單排栓釘時 混凝土板受栓釘傳遞 的剪力集中力以作用時 若p 產生的橫向拉應力p t 達到混凝土板的抗拉強 度 混凝土板就會被拉裂 出現劈裂破壞 橫向鋼筋可以延緩開裂的發(fā)展 并 提出根據桁架模型來計算橫向鋼筋的配置 用混凝土 短柱 傳遞斜向壓力而 橫向鋼筋承受水平拉力 上世紀9 0 年代初 鄭州工學院對縱向雙排栓釘混凝 土疊合板組合梁進行了研究 發(fā)現在橫向鋼筋不足時組合梁會發(fā)生縱向剪切破 壞 橫向鋼筋對極限承載力影響較大 1 9 9 6 年 清華大學聶建國 王洪全 刈 也做了縱向單排栓釘的組合梁的試驗 混凝土板為預制板和現澆板的疊合板 發(fā)現橫向鋼筋的配筋率不同 組合梁的破壞形式也不同 橫向鋼筋的配筋率在 小于0 4 5 時 混凝土板為縱向劈裂破壞 在0 5 8 0 6 4 之間為彎剪破壞 大 于0 6 4 時為彎壓破壞 清華大學認為組合梁剪跨內混凝土板橫向拉應力近似 為均勻分布 橫向拉應力為 仃 堡 一2 k p 鏟君5 可 式中 j 一栓釘的縱向間距 見一混凝土板的有效厚度 2 一剪切面上的橫向拉應力 只 混凝土板受到的栓釘連接件的作用力 組合梁混凝土板由于受到栓釘連接件作用引起的橫向拉應力作用而開裂時 應滿足的平衡條件為 o t 7 f n 七1 9 r 式中 y 一表示混凝土的抗拉塑性系數 取值范圍為1 0 一 1 5 其大小與混凝 土板的承壓面積有關 并隨荷載寬度減小而增大 當為集中力時取值 為1 5 甜一混凝土的抗拉強度 仃 一表示把全跨內橫向鋼筋所受拉力換算為在整個縱向劈裂面上均勻分 布的等效拉應力 則聶建國得到的組合梁剪跨內連接件內力之和 即混凝土板軸心內力n 為 n 4 9 2 d s t a f a 4 f r y a n f 圪 式中 d 一栓釘的釘桿直徑 a 一剪跨長 4 一橫向鋼筋的總的截面面積 厶一橫向鋼筋的屈服強度 刀 一組合梁的連接度 圪一單個栓釘連接件的極限抗剪力 由此可以根據塑性理論確定組合梁極限縱向開裂彎矩 以以而2 a 一舟 卜老 靴4 厶 以以 1 甜孝 m 一麗n 鄯 以厶 式中 彳 a 彳 一分別表示鋼梁截面和其腹板及翼緣截面的面積 疋 一表示鋼梁的屈服強度 c 一混凝土板的軸心抗壓強度 m f 鋼梁純彎曲時截面的塑性彎矩和軸壓時的屈服軸力 d 一混凝土板頂面至鋼梁截面形心的距離 縱向單排栓釘的組合梁 混凝土板破壞形式通常為劈裂破壞 聶建國教授 的試驗證明 當混凝土板為疊合板時 混凝土板的破壞模式也為劈裂破壞 計 算橫向鋼筋的配筋率時同樣可以采用桁架模型 東北大學的蔣東紅博士 刪 4 1 1 也做了幾組縱向單排栓釘的連續(xù)組合梁試驗 同樣證實縱向單排栓釘的組合梁 為劈裂破壞 1 3 3 組合梁抗剪研究存在的問題 組合梁在實際的工程中應用的比較多 但還存在許多問題有待進一步解決 1 混凝土縱向抗剪能力不足 如果橫向鋼筋配置不夠或不當 就可能 產生先于抗彎破壞的縱向劈裂破壞 這增加了設計和施工的難度 實際當中不易 把握 2 各國規(guī)范對組合梁豎向抗剪計算均不計入混凝土翼板的影響 造成 了工程設計當中材料的浪費 3 相關文獻中考慮了混凝土翼板對豎向抗剪的影響 但在計算豎向剪 1 4 力時 只是將混凝土翼板和鋼梁各自的豎向剪力進行簡單的疊加 而沒有考慮 疊合面的相對滑移 抗剪連接件布置方式等因素對豎向剪力的影響 4 相關文獻中回歸出了計算縱向剪力的經驗公式 但僅考慮了混凝土 強度等級和混凝土板橫向配筋率這兩個因素 未能充分考慮混凝土翼板厚度 寬度 長度 連接件種類等因素對縱向抗剪的影響 5 對于組合梁抗剪性能的研究多集中在普通鋼一混凝土組合梁上 而 未考慮如采用高強材料后 由于高強材料與普通材料力學性質不同產生的影響 因此 對于采用高強材料的組合梁 其抗剪性能需進行新的研究和分析 6 按照歐洲規(guī)范4 的規(guī)定在二類截面預應力組合梁中采用塑性法會過 高估計結構的承載力 雖然有限元非線性分析能夠較好的預估組合梁的受力行 為和極限荷載 但計算工作量大 不便于設計計算 因此建立合理的簡化計算 模型十分必要 1 4 本文研究的方法和內容 本文在分析國內外普通鋼一混凝土組合梁研究的基礎上 將高強材料與普 通鋼一混凝土組合梁有機的結合在一起 形