钢次梁锚入混凝土框架梁试验研究与有限元分析.pdf
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1、第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 钢次梁锚人混凝土框架梁试验研究与有限元分析 余 琼 , 陆洲导, 余江滔, 陈相瑞 ( 同济大学结构工程与防灾研究所, 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要: 进行了2 个钢次梁锚人混凝土框架梁( 4种不同形式节点) 静载试验, 结果表明, 钢梁上部及其周边混凝土 拔出引起节点锚固失效破坏, 9 0 0 mm框架梁对钢次梁锚固比6 0 0 mm框架梁好 , 设有锚筋节点性能比未设锚筋节 点性能略好 , A B A Q U S 有限元分析还表
2、明, 由于钢与混凝土间滑移, 钢梁端部与 昆凝土分离, 使钢梁端部转角增大; 抗剪键布置偏少, 混凝土板近支座区域板面翘曲, 结构受力不利 ; 当混凝土梁高增加到一定数值时, 对节点承载力 影响变小 ; 钢梁上混凝土板越厚, 钢梁端部转角越小, 承载力越大, 钢梁上混凝土板达一定厚度对钢梁受力性能更 为有利; 设有抗剪键钢梁比未设抗剪键钢梁跨中位移 、 端部转角变小, 承载力增大。 关键词 : 钢梁端部转角 ; 锚固失效 ; 抗剪键 ; 板面裂缝 ; 混凝土滑移 中图分类号 : T U 3 7 5 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2
3、 0 0 5 0 8 Ex p e r i m e n t a l s t ud y a n d a n a l y s i s o n s p e c i me n s o f s t e e l s e c o n d a r y b e a m e mb e d d e d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e g i r de r o f f r a me s t r u c t u r e Y U Q i o n g , L U Z h o u d a o , Y U J i a n g t a o , C H E N X i a n g r
4、 u i ( I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n , T o n i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e t e s t o f t w o s p e c i m e n s( f o u r d i f f e r e n t k i n d s o f d e t a i l i
5、n g )o f s t e e l s e c o n d a r y b e a m e mb e d d e d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e g i r d e r c o n n e c t i o n i n fl a m e s t r u c t u r e u n d e r s t a t i c l o a d w e r e c o n d u c t e d T h e s t e e l b e a m u p r e g i o n w a s p u l l e d o u t , a n d a n c h o
6、 r a g e o f j o i n t s f a i l e d T h e e m b e d d e d b e a r i n g o f t h e 9 0 0 m m f r a me g i r d e r i s h i g h e r t h a n t h e 6 0 0 ram g i r d e r T h e j o i n t p e rf o r m a n c e a t t h e b e a r i n g w i t h a n c h o r b a r i s b e t t e r s l i g h t l y t h a n t h a t
7、 w i t h o u t A n al y t i c a l r e s u l t s o f A B A Q U S a r e s h o w n a s f o l l o w s Wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e s l i p b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e , t h e s t e e l b e a m a t t h e e n d d e t a c h e s f r o m c o n c r e t e , a n d r o t a t i o n a l
8、 a n g l e o f s t e e l b e a m e n d e n l a r g e d T h e wr a p o f t h e c o n c r e t e s l a b n e a r t h e s u p p o r t p l a y s a n u n f a v o r a b l e a c t i o n o n t h e p e r f o r ma n c e o f t h e s t ru c t u r e Wh e n t h e b e a m h e i g h t r e a c h e s t o s o me d e g
9、r e e , t h e b e a m h e i g h t p l a y s a s m a l l e r a c t i o n t o t h e c a p a c i t y o f j o i n t s T h e t h i c k e r c o n c r e t e s l a b p o s s e s s e s a s m a l l e r t h e r o t a t i o n al a n g l e a n d a h i g h e r t h e s t e e l b e a m c a p a c i t y T h e s t e e
10、 l b e a m wi t h s h e a r c o n n e c t o r s d e v e l o p s a s ma l l e r r o t a t i o n al a n g l e a n d d i s p l a c e me n t o f mi d s p a n, a n d a h i g h e r l o a d c a p a c i t y t h a n t h e s t e e l b e a m wi t h o u t s h e a r c o n n e c t o r s Ke y wo r d s : r o t a t
11、i o n a l a n g l e o f s t e e l b e a m e n d ; a n c h o r a g e f a i l u r e ; c r a c k o f t h e c o n c r e t e s l a b; s l i p o f c o n c r e t e 0前言 目前 , 框架结构电力厂房楼面次梁 由于跨度大 往往采用型钢梁 , 并与混凝土框架铰接 , 即钢次梁直 接搭接在框架梁侧面挑耳上 , 此连接方 式焊接工作 量大, 降低厂房净高 , 但受力明确 , 理论成熟 ; 当框架 梁为现浇时 , 型钢次梁可直接锚人混凝土框架梁中, 上铺混
12、凝土楼板共 同工作 , 这种连接方式由于取消 挑耳 , 构造较为简单 , 节省净空, 经济性好 , 近些年来 在大型电力厂房楼 面采用较多 , 但 国内外对该种连 接方式理论研究很少 , 仅哈尔滨大学徐 慧 良进行过 相关试验研究 , 其研究结果表 明, 增加钢梁 腹板 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 3 2 1 作者简介: 余琼( 1 9 6 8一) , 女, 安徽庐江人, 副教授, 硕士生导师 主要从事建筑结构鉴定、 改造与加固研究。 E ma i l : y i o n g y u 2 0 0 5 1 6 3 c o m 上点焊锚筋 使钢次梁与 昆凝土梁有效组成一个 整 体 ,
13、提高节点承载能力 : 钢梁锚固端翼缘宽度适当减 少 , 可降低钢梁端部转动对上部混凝土的影响 , 提高 了节点的抗裂性能和转动能力。 本文以某电力厂房钢次梁锚入混凝土框架梁为 原型 , 通过 2个钢次梁锚入框架梁试件静载试验 , 考 察框架主梁高度 、 钢次梁节 点锚筋设 置情况对试 件 受力性能影响, 并利用有限元 A B A Q U S , 分析了钢次 梁锚筋设置 、 混凝土梁高度 、 混凝 土楼板厚度 、 抗 剪 键对钢次梁受力性能影响 , 以期为钢梁 、 节点的设计 提供依据。 1 型钢次梁锚入钢筋混凝土框 架梁 试验研 究 1 1 试件设计 试件及节点详图见图 1 。试 件共 2组
14、, 钢梁截 6 四川建筑科学研究 第3 9卷 面尺寸均为 H N 4 0 0 2 2 01 01 2 ( m m) , 第一组框 架梁高为 6 0 0 m m, 第二组为 9 0 0 m m, 每组试件钢梁 锚入框架 梁有 2个节点 , 一 个节点 钢腹板 上焊有 2 1 4锚筋 , 另一个节点上不焊有锚筋( 9 0 0 l T l m高试 件底部配置4 O吊筋, 6 0 0 m m高混凝土梁由于高 度较小 , 无法在钢梁底部配置吊筋 ; 试件 中混凝土梁 腰筋与钢梁腹板焊接) 。试件设计参数 见表 1 。为 保证框架梁两端为固定支座 , 在框架梁两端整浇两 个混凝土墩 , 通过锚栓将混凝土墩
15、固定在试验 台座 上 。 腥假 L, 径 1 3 mlT i 框架梁缈 筋 呈 钢 粱腹 板 2 1 4 钢 粱 锚筋 钢次 梁 ( 2 - 2 无 锚 筋 7 Q 上 7O 框 架 梁 2 0 9 0 0 mm粱 1 1 ( 9 0 0 ram粱2 - 2 ) 4 西 2 0 6 o 0 mm梁 1 1 f 6 0 0 mm梁 2 - 2 1 墼 6 0 0 ram梁 图 1 试件及节点详图 Fi g1 De t a i l s o f t e s t s pe c i me ns a nd c onn e c t i on s 表 1 试 件参数 Ta bl e 1 Pa r a m e
16、t e r s o f t e s t s pe c i m e n s 试件编号 6 0 0 m m梁 9 0 0 m m粱 混凝土粱尺寸 ( m i l l m m) 6 0 0 3 2 0 6 0 03 2 0 9 0 0 3 2 0 9 0 03 2 0 节点锚筋情况 有锚筋 无锚筋 有锚筋 无锚筋 注 : 6 0 0 mm梁表示框架梁高为 6 0 0 m m试 件, 9 0 0 v i i IT I 梁表示框架 梁 高为 9 0 0 mm试件 , 下文同。 为减小钢梁对框架梁影 响, 钢梁锚人混凝土梁 上下翼缘宽度进行 了削弱 , 由 2 2 0 mm宽变 为 1 0 0 mm 。
17、1 2试验装置及加载制度 试验通过反力架 、 2个液压千斤顶 , 2个分配梁 对钢梁进行 的单 向 4点加载 , 加载 方式如 图 2所 示 j , 加载步长为 2 0 k N, 记录数据为单个千斤顶施 加的荷载 , 以下图表 中的相关荷载均为单个千斤顶 荷载 , 为总体施加荷载的一半。 1 3 试验数据采集 试验中进行 了位移及应变的数据采集。位移计 钢梁与楼板连接 _ 喜 图 2 试件加载方式 Fi g 2 Lo a di n g mo de f o r t e s t s pe c i me ns 主要布置在钢次梁跨 中、 钢筋混凝土主梁跨 中( 为 削除支座弯矩影响) 、 钢次梁端部上
18、 、 下翼缘处 ( 该 位移计位移杆顶于混凝土梁侧 , 位移计固定于钢梁 上( 下 ) 翼缘上 , 可测钢梁上( 下) 翼缘相对混凝土梁 的滑移量 , 并通过上 、 下翼缘滑移量测算出钢梁端部 相对转动角度) ; 应变测量采用电阻应变片, 粘贴应 变片前用砂轮将待粘贴部位打磨平, 粘贴完应变片 后裹以环氧树脂保护层并用纱布包裹。应变片主要 布置于点焊锚筋及 吊筋上。位移计及应变片位置如 图 3所示 懈 五 榴 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 土梁中拔出 , 节点发生拔出破坏, 无法加载而停止试 验 , 试件破坏时混凝土梁斜裂缝如图 4 ( d ) 、 4 ( e ) 所 示。整个加载过程中
19、混凝土梁与钢梁交接处板面裂 缝不断增加 、 扩展 , 破坏时板面裂缝贯通 , 如 图4 ( f ) 所示 , 支座附近混凝土板与钢梁上翼缘间明显开裂 、 分离 , 如图 4 ( d ) 所示。 2 3试验现象分析 两个试件都是由于钢梁上部混凝土较少 , 钢梁 附近混凝土梁上箍筋未进行加密 , 钢次梁上翼缘侧 混凝土梁斜裂缝开展较宽或较多 , 同时节点区域板 面裂缝大 , 无法对钢次梁产生 良好的握裹 , 节点锚固 失效而破坏。 混凝土梁的抗剪破坏与钢梁上部拔出破坏都是 脆性破坏方式 , 应予避免。钢梁侧混凝土梁箍筋应 加强 、 加密 , 可约束混凝土梁侧斜裂缝 , 增加其抗剪 能力 , 同时增
20、加钢梁上部抗拔 出能力 ; 吊筋应加强 , 增加混凝土梁的抗 冲切及抗剪能力 , 吊筋与梁底呈 6 O度角, 可约束混凝 土梁侧钢梁上翼缘处斜裂缝 , 增加钢梁抗拔出能力 ; 钢梁上部板 内钢筋尤其是支 座负钢筋应加强 , 可约束混凝土梁顶面的弯曲裂缝 , 增加钢梁上部抗拔 出能力。楼板设计时应尽力避免 阴角 , 减少应力集 中。 3 试件结果及分析 3 1 承载能力 根据试验分析原则 , 钢梁承载力以钢次梁挠 度达跨度 1 5 0 、 应变达 1 0 0 0 0 8 、 上翼缘滑出值达 1 0 mn l 三种状态下荷载较小值确定 , 而正常使用极 限状态以钢次梁挠度达跨 度 1 2 5 0(
21、 悬臂梁挠度达 跨度 1 1 2 5 ) 、 钢次梁上翼缘滑 出值达 2 m m两种状 态下荷载较小值确定 , 钢梁试验承载力见表 2 。 表 2 试验 承载 力 Ta bl e 2 Exp e r i m e n t al l o a d c a pac i t y 3 2 荷载与位移 曲线 图 5为试件荷 载一 钢梁跨 中位移曲线 ( 混凝土 梁支座 位移已扣除 ) , 在相 同荷载作用下 , 6 0 0 mm 梁试件钢 次梁跨 中挠度 大于 9 0 0 m m梁试 件, 6 0 0 I n to梁试件承载力小 , 9 0 0 m m梁试件承载力大。这 说明尺寸较大混凝土梁对钢次梁约束作用
22、强 , 使钢 次梁挠度小 、 承载力大 。 图 6为试件荷载一 7 昆凝土梁跨 中位移曲线 , 6 0 0 m m高混凝土梁在加载不久 ( 1 0 0 k N) 即有斜裂缝产 生 , 导致混凝土梁的荷载一 位移 曲线进入非线性 , 而 6 0O 5 O O 4 00 重 耨 3 0 0 撂 2 00 1 0 0 0 图 5 荷载一 钢次 梁跨 中位移对 比曲线 F i g 5 L o a d a n d mi d - s p a n d i s p l a c e me n t c u r v e s of s e c o nda r y s t e e l be ams 9 0 0 m m高
23、混凝土梁试件在加载过程 中一直保持较 好的弹性 状态。9 0 0 m m梁 刚度 明显大于 6 0 0 mm 粱 。 6 。 5 。 4 。 耀 2 00 1 。 。 O 图 6 荷载一 混凝 土梁 跨中位移对 比曲线 Fi g 6 Lo a d and m i d- s p an d i s pl ac e m e nt c ur v e s o f c onc r e t e g i r de r s 3 3荷载一 钢梁锚筋应变 曲线 荷载与钢次梁锚筋应变 曲线如 图 7所示 , 锚筋 应变均未超过 1 4 0 0 s , 虽未达到屈服强度, 但说 明 锚筋在结构受力时起一定作用 , 在相
24、同的荷载下 , 6 0 0 m m梁的锚筋应变大一些 , 应变增速要 大一些 , 这是 由于 6 0 0 m m梁刚度小 , 对钢梁约束小 , 钢梁转 动较大。这说明只有当节点有足够变形时锚筋起作 用才较大。 o 2 00 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 20 0 1 4 0 0 应 变1t 图 7 试件荷载一 钢次梁锚筋应变 曲线 Fi g 7 Loa d- s t r a i n c u r ve s o f an c hor bar 余琼 , 等: 钢次梁锚入混凝土框架梁试验研究与有限元分析 9 3 4 荷载一 吊筋应变 图 8为 9 0 0 mm梁有锚侧与无锚侧
25、荷载一 吊筋 应变曲线( 该应变为吊筋水平段 中部应变) , 无锚筋 侧 吊筋最大应变在 1 5 0 0 8左右, 未达到屈服 ; 有锚 筋侧 吊筋应变达 2 5 0 0 , 已达到屈服。相同荷 载 下 , 有锚筋侧比无锚筋侧的吊筋应变大 , 说明锚筋对 节点有一定约束, 钢梁传递给混凝土梁力较大, 有锚 侧 内力较大 , 吊筋应变大 。 3 5 荷载一 钢梁上翼缘滑出位移曲线 图9为试件荷载一 钢梁上翼缘滑出位移 曲线对 比, 在相同荷载作用下 , 有锚筋与无锚筋的滑出值没 有明显差别 , 6 0 0 mm梁试件的无锚筋端在接近极限 承 载力时变形要明显大于有锚筋端 , 说 明锚筋 的作 图
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