负弯矩区钢-混凝土组合梁腹板开洞处钢筋受力性能研究.pdf
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1、第 卷第期 年月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o F e b 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目();云南省教育厅科学研究基金项目(Y )第一作者:陈静(),女,硕士生,主要研究方向为组合结构 E m a i l:c j c o m通信作者:廖文远(),男,博士,副教授,主要研究方向为组合结构 E m a i l:l w y c o mD O I:j 负弯矩区钢混凝土组合梁腹板开洞处钢筋受力性能研究
2、陈静,廖文远,刘德稳,蒋伟,谢鑫(西南林业大学 土木工程学院,云南 昆明 )摘要:为了解负弯矩区腹板开洞钢混凝土组合梁的内部受力钢筋的力学性能,对多个腹板开洞组合梁试件进行了试验研究和有限元分析,研究重点是洞口区域混凝土板内的钢筋受力特点和规律试验及分析结果表明:负弯矩作用下,腹板开洞组合梁的破坏发生在洞口区,而不是弯矩最大处,洞口区混凝土板裂缝开展迅速并最终断裂,洞口处发生了明显的空腹破坏,洞口四角出现了次弯矩;在次弯矩作用下,洞口区混凝土板内的受力钢筋一部分受压,一部分受拉,钢筋的抗拉作用并没有充分发挥,其中洞口左端的上层钢筋受拉最为明显,抗拉作用较好;在合适的位置添加附加钢筋可以限制洞口
3、上方混凝土板的裂缝开展,能够有效的提高试件的承载力和变形能力,其中在距离中心轴 mm处添加直径为mm的附加钢筋时,试件的承载力和变形能力的提高效果最好关键词:组合梁;腹板开洞;负弯矩区;板内钢筋;附加钢筋中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo ns t r e s sp r o p e r t i e so f s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m sw i t hw e bo p e n i n g s i nn e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t z o n e
4、CHENJ i n g,L I A OW e n y u a n,L I UD e w e n,J I ANGW e i,X I EX i n(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,S o u t h w e s tF o r e s t r yU n i v e r s i t y,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ei n
5、t e r n a ls t r e s s e dr e i n f o r c e m e n to ft h es t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a mw i t ho p e n i n g s i n t h ew e b i n t h en e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t a r e a,e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw e r ec a r
6、r i e do u to nan u m b e ro fc o m p o s i t eb e a ms p e c i m e n sw i t ho p e n i n g s i nt h ew e b T h er e s e a r c hf o c u s e do n t h e s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s a n d l a w s o f t h e s t e e l b a r s i n t h e c o n c r e t e s l a b i n t h e o p e n i n ga r e a
7、T h et e s t a n da n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a t,u n d e r t h ea c t i o no fn e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t,t h ef a i l u r eo fc o m p o s i t eb e a m sw i t hw e bo p e n i n g so c c u r s i nt h eo p e n i n ga r e a,n o t a t t h ep l a c ew i t ht h em a x i m u mb e n
8、 d i n gm o m e n t T h ec r a c k s i nt h ec o n c r e t e s l a b i n t h eo p e n i n ga r e ad e v e l o p r a p i d l ya n de v e n t u a l l yb r e a k,w i t ho b v i o u sh o l l o wd a m a g eo c c u r r i n ga tt h eo p e n i n ga n ds e c o n d a r yb e n d i n gm o m e n t sa p p e a r i
9、 n ga t t h e f o u rc o r n e r so f t h eo p e n i n g U n d e r t h ea c t i o no f t h es e c o n d a r yb e n d i n g m o m e n t,p a r to ft h es t r e s s e dr e i n f o r c e m e n ti nt h ec o n c r e t es l a bi nt h eo p e n i n ga r e aa r ec o m p r e s s e da n dp a r t a r es t r a i
10、n e d,a n dt h e t e n s i l ee f f e c t o f t h e r e i n f o r c e m e n t i sn o t f u l l ye x e r t e d,a m o n gw h i c ht h eu p p e rr e i n f o r c e m e n t a t t h e l e f t e n do f t h eo p e n i n g i sm o s t o b v i o u s l ys t r a i n e da n d t h e t e n s i l e e f f e c t i sb
11、e t t e r A d d i n ga d d i t i o n a l s t e e lb a r si na p p r o p r i a t ep o s i t i o n sc a nl i m i tt h ed e v e l o p m e n to fc r a c k si nt h ec o n c r e t es l a ba b o v et h eo p e n i n g,a n de f f e c t i v e l y i m p r o v e t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m
12、 a t i o nc a p a c i t yo f t h es p e c i m e n Am o n gt h e m,t h ea d d i t i o no f a d d i t i o n a l s t e e l b a r sw i t had i a m e t e ro f mma t mmf r o mt h ec e n t r a l a x i sh a s t h eb e s t i m p r o v e m e n te f f e c to nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a
13、 t i o nc a p a c i t yo f t h es p e c i m e n K e yw o r d s:c o m p o s i t eb e a m;w e bo p e n i n g;n e g a t i v em o m e n tr e g i o n;i n p l a t er e i n f o r c e m e n t;a d d i t i o n a l r e i n f o r c e m e n t钢混凝土组合梁 作为一种受力合理的结构形式,被广泛应用于多、高层建筑结构中为了满足现代建筑的使用功能,楼层中需要设置纵横穿越的管线设备(水、电
14、、暖通等),通过在组合梁的腹板上开洞 让这些管线设备穿过,可以减少管线设备对空间的占用,有效降低层高、节约第期陈静,等:负弯矩区钢混凝土组合梁腹板开洞处钢筋受力性能研究空间,从而降低工程造价,带来可观的经济效益但腹板开洞导致了组合梁的刚度、承载力下降,原本由腹板承受的剪力大量转移至洞口上部的混凝土板中,这就使混凝土板和板内钢筋的受力情况更为复杂与开洞钢梁相比,腹板开洞钢混凝土组合梁的研究开展较晚,世纪 年代开始出现了较多的试验研究成果国外学者首先对洞口的高度、宽度、偏心位置,栓钉的数量、布置方式,混凝土板厚度等主要参数进行了研究 ,分析这些参数对腹板开洞组合梁受力性能的影响,并在已有规范的基础
15、上推导了腹板开洞组合梁的承载力计算公式 国内学者对已有腹板开洞组合梁的承载力计算方法进行了总结,研究内容也扩展到了刚度、滑移等方面 ,研究成果不仅包括开洞后的变形计算方法、腹板开洞连续组合梁的受力性能,还对腹板开洞钢混组合梁的极限承载力影响因素 和补强方法进行了研究 上述研究成果主要针对的是洞口在正弯矩区的腹板开洞组合梁,在一些实际工程中,也需要在连续组合梁的负弯矩区设置洞口,而目前对于负弯矩区腹板开洞组合梁的研究相对较少,已有成果主要针对其破坏模式和抗剪性能等宏观受力表现 ,缺少针对洞口区受力钢筋等局部位置的研究内容,已有补强措施主要是在洞口区设置加劲肋,缺少针对开洞区钢筋补强效果的研究对于
16、负弯矩作用下的无洞钢混凝土组合梁,混凝土由于受拉而退出工作,板内受力钢筋发挥着关键的抗拉作用,在腹板开洞后,组合梁洞口区的传力机制变得更复杂,为此有必要对洞口区的钢筋受力性能进行研究,掌握钢筋在洞口区的受力特点及影响因素,分析是否可以通过添加附加钢筋来补偿开洞造成的不利损失本文通过试验和有限元方法对负弯矩区腹板开洞组合梁进行了研究,重点分析洞口区板内受力钢筋的受力特点和规律,为工程实际设计提供一定的参考 试验概况 试件设计本次试验设计了根编号为A A 的腹板开洞组合梁试件,变化参数为钢筋配筋率,其中腹板未开洞的试件A 为对比试件;A A 均为负弯矩区腹板开洞组合梁试件,洞口中心线与钢梁形心轴重
17、合根组合梁试件全部按完全剪切连接设计,剪切连接件栓钉以等间距 mm沿全梁均匀布置,栓钉采用 ,长度 mm;钢筋采用HR B 级,横向钢筋采用,间距为 mm沿全梁分布;试件采用C 混凝土浇筑,钢材采用Q B热轧H型钢试件的断面尺寸、几何尺寸见图、图各试件的基本参数如表所示,试件的各项材料属性如表所示图组合梁试件断面尺寸示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s e c t i o n a l s i z eo f c o m p o s i t eb e a ms p e c i m e n图组合梁试件几何尺寸示意图F i g S c h e m a
18、 t i cd i a g r a mo f c o m p o s i t eb e a ms p e c i m e ng e o m e t r y s i z e表试件参数变化T a b V a r i a t i o no f s p e c i m e np a r a m e t e r s编号开洞情况/mm洞宽洞高纵向钢筋布置纵向配筋率/研究要点A 对比A A 配筋率A 配筋率表材料属性/M P aT a b T h em a t e r i a l p r o p e r t i e s/MP a材料钢梁钢筋栓钉翼缘腹板 混凝土C fc ufy fu 注:fy为钢材屈服强度;
19、fu为钢材极限强度;fc u为混凝土抗压强度 加载装置与测点本次试验采用Y A W K N微机控制电液伺服压力试验机进行加载试验将组合梁试件倒置进行加载,使组合梁试件洞口区完全处于负弯矩区试验在两端支座处设置了刚性垫板防止在加载过程中支座处混凝土板出现应力集中在支座垫板下分西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷别放置压力传感器,自动记录加载过程中支座反力的变化情况加载装置示意图如图所示图加载装置示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f l o a d i n gd e v i c e试验的研究重点为洞口区混凝土板内的钢筋受力情况,所以在洞口上方纵向
20、钢筋内布置了多个应变测点,考虑到纵向钢筋布置的对称性,只测量混凝土板一侧的钢筋应变测点布置如图所示,上层纵向钢筋测点为a a ,下层测点为b b ,依次布置在洞口左、中、右图纵向钢筋应变测点布置F i g A r r a n g e m e n t o f l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t s t r a i nm e a s u r i n gp o i n t s 试验结果与分析 试验结果试件A 是无洞对比组合梁,当荷载接近 Pu时,加载点即弯矩最大处混凝土板表面开始出现裂缝;当荷载达到 Pu时,混凝土板裂缝宽度明显增加,并
21、开始出现明显变形;最终试件的钢梁腹板和下翼缘在加载点处出现了屈曲变形,如图(a)所示图试件破坏形态示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s p e c i m e nf a i l u r ep a t t e r n试件A A 的配筋率依次增加,主要破坏过程和试验现象都很相似(图(b),洞口区域都出现了破坏,跨中最大弯矩处未破坏以试件A 为例:荷载达到 Pu时,洞口区混凝土板开始出现小裂缝;荷载达到 Pu时,洞口开始发生变形,对应的混凝土板裂缝也明显增加;荷载达到 Pu时,洞口变形明显,呈平行四边形,挠度也显著增加;荷载达到极限荷载Pu时,洞口
22、区混凝土板出现部分断裂,栓钉滑脱,试件失去承载力由于洞口位于弯剪区段,虽然洞口区域的混凝土板具有剪切破坏的特征,但在弯矩和剪力共同作用下,洞口区不仅发生了剪切变形,角部还出现了塑性铰,因此从整体上看各开洞组合梁试件的破坏形态以空腹破坏为主各试件的承载力、挠度如表所示表组合梁试件承载力及破坏形态T a b B e a r i n gc a p a c i t ya n df a i l u r em o d eo f c o m p o s i t eb e a ms p e c i m e n s编号洞口ah板厚hc/mm纵向配筋率屈服荷载Py/k N屈服位移dy/mm极限荷载Pu/k N极限
23、位移du/mmPy/Pudy/du整体破坏形态A 无 弯曲破坏A 空腹破坏A 空腹破坏A 空腹破坏第期陈静,等:负弯矩区钢混凝土组合梁腹板开洞处钢筋受力性能研究 配筋率的影响配筋率变化时试件A A 组合梁的荷载挠度曲线如图所示由图及表中数据可得:当配筋率相同时,试件A 和未开洞的试件A 相比,承载力降低了 ,变形能力降低了 可见负弯矩区组合梁在腹板开洞后,承载力和变形能力都有很大的降低当配筋率为变化参数时,试件A、A 与试件A 作对比,洞口大小相同,配筋率分别提高了 和 ,其 承 载 力 提 高 了 和 ,变形能力则提高了 和 可见增加纵向钢筋配筋率可以提高负弯矩区腹板开洞组合梁的变形能力,但
24、对其承载力的提高则很小,原因是开洞组合梁的破坏主要是由洞口四个角的截面强度决定,而洞口四个角出现了方向不同的次弯矩(图),使得洞口区域的钢筋只有一部分能有限发挥抗拉的作用图配筋率变化时的荷载挠度曲线F i g T h e l o a d d e f l e c t i o nc u r v ew i t ht h ec h a n g eo fr e i n f o r c e m e n t r a t i o 截面分析试验对负弯矩区腹板开洞组合梁试件洞口两侧进行了应变测量,结果大体相似,以试件A 为例分析并研究负弯矩区腹板开洞组合梁洞口区的截面受力情况,如图所示图A 试件洞口区横截面应变分
25、布F i g S t r a i nd i s t r i b u t i o ni nc r o s s s e c t i o no fA s p e c i m e nh o l ea r e a试验表明:组合梁腹板开洞后,洞口处截面应变呈S型分布,不再符合平截面假定;由图(a)看出,在洞口左端上部截面中,翼缘顶部受拉、腹板受压,在下部截面中则是翼缘底部受压、腹板受拉;洞口右端截面的受力情况与洞口左端截面刚好相反,如图(b)所示根据上述结果,得出了洞口截面的内力分布情况,如图所示,图中M M 为洞口截面上的次弯矩,可以看出,洞口左端截面的混凝土明显受拉,这部分的纵向受力钢筋能有效的发挥作
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