钢-混凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究.pdf
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1、第 5卷第 5期 2 0 0 8年 1 0月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI L WAY SCI E NCE AN D EN GI NE E RI NG Vo 1 5 No 5 Oc t 2 0 0 8 钢 一混凝土双面组合连续梁的承载 能力试验研究 段树金, 周庆东, 王海 良。 王军文, 霍军会 ( 石家庄铁道学院 土木工程分院, 河北 石 家庄 0 5 0 0 4 3 ) 摘要: 对 3 根钢 一混凝土双面组合2 X 2 9 m两跨连续梁模型进行试验研究, 得到完整的荷载 一挠度曲线。考虑交界面相 对滑移的影响, 利用A N S Y S 软件建模对组合梁进行结构分
2、析; 建立钢 一混凝土双面组合梁截面弹性极限和塑性极限承栽能 力的简化计算方法。研究结果表明, 采用该简化计算方法所得结果与实测结果较吻合, 该方法可供工程设计参考。 关键词 : 钢 一混双面组合连续梁; 模 型试验 ; 承载 能力 ; 荷载 ; 挠度 中图分类号: T U 3 9 8 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 1 2 0 6 E x p e r i me n t a l s t u d y o n b e a r i n g c a p a c i t y o f d o u b l e s t e e l a n
3、d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s b e a ms D U A N S h u - j i n , Z H O U Q i n g - d o n g , WA N G H a i - l i a n g ,WA N G J u n w e n , H U O J u n h u i ( S c h o o l o f C iv i l E n g i n e e r in g ,S h i j i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e , S h ij ia z
4、h u a n g 0 5 0 0 4 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e l o a dd e fle c t i o n c u r v e s we I g o t t e n t h rou g h t h e e x p e r i me n t o f t h r e e p i e c e s o f 2 2 9 m s p a n d o u b l e s t e e l an d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s b e a msCo n s i d e r i
5、 n g t h e s l i p be t we e n s t e e l an d c o n c r e t e i n t e r f a c e, a n an a l y t i c a l mo d e l o f d o u b l e s t e e l an d c o n c ret e c o mpo s i t e be a ms wa s e s t a b l i s h e d b y t h e ANS YS s o f t wa r eTh e u l t i ma t e be a r i n g ben d i n g c a p a c i t y
6、 o f a d o u b l e s t e e l - c o n c ret e c o mpos i t e be a m W as a l s o c alc u l a t e d b y the s i mp l i fi e d c al c u l a t i n g m e t h od b ase d o n the e l ast i c i t y an d p l a s t i c i t yTh e res u l t s s h o w t h a t t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t s an d t h e
7、e x p e rime n t a l res u l t s a r e i n a c c o r d a n c e Ke y w_0 I I d s : d o u b l e s t e e l an d c o n c ret e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s be a ms ; mod e l e x pe r i me n t ;u l t i ma t e be a r i n g c a p a c i t y; l o a d i n g;d e f l e c t i o n 钢 一混凝土双面组合梁是 2 0世纪 8 0年代
8、产 生的一种新型结构。它是通过在传统的单面组 合连续梁的内支座负弯矩 区设置下翼缘钢筋混凝 土板 , 并同样通过剪力连接件使之与钢梁共同作 用。这样 , 下翼缘混凝土板在很大程度上分担了负 弯矩区的压力 , 减小了钢梁的负担, 提高 了梁的刚 度和承载能力。钢 一混凝土双面组合梁是用来改 善传统的钢 一混凝土单面组合连续梁负弯矩区特 性的一种合理有效的方法。 虽然国内外学者对单面组合梁进行了深入 的 试验及理论研究, 并取得了丰富的成果_ 2 I 4 j , 但是, 关于双面组合梁结构体系的研究很少, 目前研究内 容主要集中在负弯矩区的滑移特性 、 变形及极限抗 弯承载能力、 混凝土板的有效翼
9、缘宽度以及内力重 分布的分析计算等【 I 9 J , 还未见有关试验研究的报 道。在此 , 本文作者通过对 3片钢 一混凝土双面组 合连续梁模型进行试验研究 , 对钢 一 混凝土双面组 合连续梁的刚度和承载能力进行探讨。 1 试验研究 1 1 试件设计与试件参数 本次试验共进行 3 根钢 一混凝土双面组合梁 收稿E t 期 : 2 0 0 8 0 6 一O l 基金项 目: 河北省 自然科学基金资助项 目( E 2 0 0 6 ( 3 9 7 ) ; 河北省教育厅 自然科学重点资助项 目( Z 1- I 2 0 0 6 0 1 1 ) 作者简介 : 段树金 ( 1 9 5 5一) , 男 ,
10、河北怀安人, 博士 , 教授, 从事桥梁与结构工程的研究 第 5 期 段树金 , 等: 钢 一 昆 凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究 1 3 的模型试验。考虑到实验室空间和加载设备 的能 力, 根据简化塑性理论进行截面设计 , 将试验梁设 计成 22 9 m的两跨连续组合梁 , 采用完全剪力 连接 , 试件编号分别为 S C B 1 , S C B 2和 S C B 3 。试验 梁截面形式及尺寸如 图 1 所示。 1 * ( a ) s唾 j e 3 5 o X 如 ( a ) 一正弯矩区截面形 ; ( b ) 一负弯矩区截面彤 图 1 试验模型梁截面形式( 单位: m m) F i g
11、1 C r o s s s e i o n f r o m o f t h e b e a m( u n i t : m m) 钢梁采用 H型钢 H W1 5 0 1 5 071 0 , 截面面 积为 4 0 5 5 c m 2 , 单 位质 量 为 3 1 9 k g m。i x 一 = 1 6 6 0 c m。上翼缘混凝土板厚度为 8 0 m m, 宽度为 6 0 0 to n i , 长度为 5 9 0 0 ra i n 。下翼缘混凝土板厚度为 8 0 n , 宽度为 3 5 0 m i l l , 长度为 1 2 0 0 m m 。混凝土按 照 C 3 0混凝土配制 , 配合比为 1
12、m 3 混凝土需 W 1 9 0 k g , C 3 8 0 k g , S 7 2 6 k g , S 1 0 9 0 k g ( 其中第 51 0号为 4 4 0 k g , 第 1 0 2 0 号为6 5 0 k g ) ; 测得混凝土试块 2 8 d 强度平均值为 4 7 M P a ; 弹性模量平均值为 4 6 2 G P a 。 混凝土板 中配置 H P B 2 3 5( p 8 钢筋; 栓钉型号为 1 3 6 0 ( 公称直径为 1 3 l n l n , 高度为 6 0 m m ) 。 1 2 试验概况 本试验均在 2 0 0 t 加载架下进行 ,跨中两点对 称加载 , 荷载通
13、过分配梁直接作用在混凝土翼缘上 的2 片垫板上。由于挠度、 转角等宏观测量值更能 够反映构件的整体工作性能, 而且相对于应变等反 映局部性能 的测量数据具有 较小的离散程度 , 因 此, 对跨中挠度、 支座沉降等进行了重点测量, 并作 为试验加载过程中的控制参数 , 其测点布置如图 2 所示。图 2中, N1 , N 2 , N 3和 N 4为百分表 , 用来量 测跨 中挠度 变形 ; H 5 , H 6和 H 7为千分表 , 用来 量 测支座沉降。 二断面 九断面 卫 鲤 图2 位移计测点布置图( 单位 : m m ) F i g 2 A r r a n g e m e n t p l a
14、n o f g a g i n g p o i n t ( u n i t : m m) 1 3 试验结果 试验得到钢 一混凝土双面组合梁的荷载与挠 度关系曲线如图 3所示 。从试验结果看 , 组合梁 的 荷载 一挠度 曲线可 以分为受拉混凝土开裂 、 弹性 、 弹塑性和塑性 4个 阶段。首条裂缝 出现在中支座 混凝土上翼缘板顶面 ; 在弹性 阶段 , 荷载 一挠度 曲 线基本上呈线性变化 , 钢梁全截面处于弹性工作阶 段; 在弹塑性阶段, 荷载 一 挠度曲线开始偏离原来 的直线, 跨 中截面钢梁开始屈服 , 中和轴上移 , 随着 混凝土板的裂缝的增多以及钢梁的塑性区域 的扩 大 , 组合梁的
15、抗弯刚度 已严重削弱, 荷载 一挠度 曲 线的非线性特征越来越明显 , 当荷 载大约达到O 9 P ( P u 为极 限荷载 ) 时 , 进入塑性阶段 在 塑性 阶 段, 跨中变形大幅度增长, 荷载 一挠度曲线近似呈 水平趋势发展 , 钢梁大部分截面受拉屈服 , 进入塑 性阶段 , 此时, 试件并没有突然破坏的迹象 , 随着荷 载的增加, 变形继续增长。 图 3中荷载为零时 S C B一1和 S C B一3梁对应 的挠度为试验梁在 自重荷载作用下所产生的挠度 ; S C B一2梁采用三循环加载方式。其中的荷载 一挠 度 曲线为第三循环曲线 , 荷载为零时对应的挠度为 试验梁在 自重荷载作用下所
16、产生的挠度和残留挠 度之和。 本次试验采用两点对称加载, 故理论上图 3中 二断面和九断面荷载 一挠度 曲线应完 全一致, 但 是 , 由于模型梁在浇筑过程 中出现一定程度的跑模 现象造成模型梁结构不完全对称以及试验过程 中 可能会出现一定程度的偏载, 导致图 3中 2个断面 的曲线出现一定程度的差异。 2 有限元分析 通过 A N S Y S软件进行模 型梁有限元分析 , 有 限元模型如图 4所示。其中混凝土使用 8节点六 面体单元 , 破坏准则采用 ww 的五参数模型 , 当 混凝土开裂后, 混凝土单元中使用分散裂缝模型, 该模型适用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型 , 能够模拟混凝土的拉
17、裂和压碎效应 ; 混凝土 中的钢 筋采用二节点空间链杆单元 , 强化模量 E =0 0 1 E 。其中: E 为钢材初始弹性模量; 钢梁采用 4节 点空间壳单元 。考虑混凝土板 与钢梁之 间的滑移 时, 栓钉采用二节点弹簧单元模拟, 栓钉 的纵向刚 度 比较复杂 , 现有研究成果提出了多种栓钉的纵向 剪力一滑移曲线, 本文采用的是应用比较广泛的 O l l g a a r d提出的模型, 即 V=V ( 1 一e 一 ) 。 1 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8年 1 0月 3 0 0 2 5 0 2 0 0 Z d 1 5 0 1 o o 5 0 0 5 l O 1 5
18、 6 r a m 3 0 0 2 5 0 2 0 0 Z 寒 1 5 o 1 o 0 5 O 0 5 l 0 1 5 6 r a m ( a ) 一二断面; ( b ) 一九断面 图 3 钢 一混凝土双面混合 梁荷载一挠度 曲线 Fi g 3 Lo a d i ngd e fle c t i o n c u r v e f o r d o ub l e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o nt i nu o u s b e e ms I l 钢粱壳单元 弹簧单元 I 混凝+实体单元 I 1 I 1 l I II _ _ _
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- 关 键 词:
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