摘要:對12個不同預留孔形、孔內不同填充材料的推出試件及2根不同預留孔形的完全剪力連接與1根部分剪力連接的鋼- 混凝土預制板組合梁進行了試驗,結果表明,只要預留孔形設計合理,灌孔混凝土強度得當,鋼- 混凝土預制板組合梁就具有良好的組合效應和整體工作性能,是一種有發展前途和廣泛應用領域的新型組合結構。
關鍵詞:鋼- 混凝土組合梁;鋼- 混凝土預制板組合梁;栓釘;組合效應
中圖分類號: TU375. 1 文獻標識碼:A
目前,在我國工程中應用的組合梁多為在鋼梁上現澆混凝土板,兩者之間通過剪力連接件而共同工作形成的組合結構。在一些對工期與施工現場作業條件受限制的橋梁、房屋新建、改造和搶修的工程中,普通的鋼筋混凝土組合梁遇到現場濕作業多、支模量大和施工周期長的局限,如果能設計出將鋼梁與預制板直接結合的組合梁,則能取得快速施工、預制裝配的優勢。這種結構是將鋼縱梁與鋼橫梁形成施工單元,預制板預留孔與焊在鋼梁上的栓釘對齊就位后,在預制板栓釘預留孔洞內及板與板之間的槽內澆灌比預制板高一定強度等級的混凝土,當孔內混凝土達到強度后,鋼梁與混凝土預制板連成整體而形成鋼- 混凝土預制板組合梁結構。這種結構的優點很明顯:主要的受力部件在工廠制造,機械化程度高,專業技術熟練,因而構件的質量高;預制構件的模板可以重復使用,現場要澆筑面層時,可以利用預制構件做腳手架和模板,比整體式結構省工省料,并且能夠縮短工期;由于這是一種新型的組合梁結構,在國內外規范與規程中關于這樣結構的設計條文很少,給鋼- 混凝土預制板組合梁的推廣應用造成一定的困難,為促進這種新型結構的發展,本文擬從以下幾方面對其進行試驗研究與理論分析:
(1) 通過12個以不同孔形、孔內不同填充材料和栓釘的布置位置為變量的預制板后灌孔栓釘剪力鍵推出試驗,獲取這種結構栓釘的工作性能。
(2) 以3根不同孔形、剪力連接度預制板后灌孔組合梁的試驗,探討這種梁的組合效應與整體工作性能。同時建立在試驗研究的基礎上,結合現行《規范》有關組合梁承載力、變形計算公式,提出對符合上述條件鋼- 混凝土預制板組合梁設計的修正公式。
1 預制板后灌孔栓釘連接件的試驗研究
剪力連接件不僅傳遞鋼梁與混凝土板之間的縱向剪力、同時還要抵抗混凝土板與鋼梁之間的掀起作用,是保證鋼梁與混凝土翼緣共同工作的關鍵元件。為獲取預制板后灌孔栓釘連接件的極限承載力、試驗分析不同的預留孔形對栓釘的承載力與滑移的影響、分析預留孔內不同的填充材料對栓釘極限承載力與滑移的影響。本論文設計了12個預制板后灌孔栓釘連接件的推出試件,具體的設計參數見文獻[ 1 ] ,所有推出試件加載時,在2混凝土塊下墊細石英砂,采用連續加載的加載模式,試驗加壓時用同一傳感器保證軸心加載,在短工字鋼與混凝土塊的2對側設置4個百分表觀測加載過程中兩者之間的滑移,具體加載裝置見圖1。
主要的試驗結果與荷載- 滑移曲線參考文獻[ 1 ] ,通過對預制板后灌孔栓釘連接件采用(《鋼結構設計規范》(GB50017 - 2003) )中栓釘設計公式(Ncv = 0. 43As
)計算得理論計算值與試驗值的對比分析。獲得兩者關系見表1 (編號、參數見文獻[ 1 ] ) :
在對比同批現澆推出試件T - 6的試驗結果基礎上,上表顯示預制板后灌孔栓釘連接件有良好的極限承載能力。所有試件均為栓釘剪斷破壞,栓釘的破壞特征見圖2,單個栓釘連接件的承載力實際由0. 7Asγ f值來控制,而且其極限承載力主要與孔內填充混凝土的強度有關,孔內強度高則栓釘的極限承載力要高,且滑移效果相對要好[ 1 ] 。
考慮荷載- 滑移關系也是反映栓釘承載能力和變形性能的一個重要的物理量,也是組合梁界面上滑移分布規律不可以缺少的試驗依據,所有的推出試件在荷載P = 140 kN ( P = 0. 65Pu )大約是以下時P - u大致為線性關系,而且滑移量控制在1 mm左右。此時的P值也比表1中栓釘的理論計算承載力極限值要大,當荷載大于140 kN以后,滑移明顯加速, P - u才轉為非線性關系。這說明預制板后灌孔栓釘連接件具有良好的抗滑移效果。
2 鋼- 混凝土預制板組合梁的試驗研究
依據簡化的塑性極限狀態方法,本文設計了3根不同后灌孔形、不同連接度的簡支鋼- 混凝土預制板組合梁,從荷載- 滑移、荷載- 鋼梁應變、荷載與混凝土預制板應變及荷載- 撓度等方面對鋼- 混凝土預制板組合梁的受彎性能及組合效應進行試驗研究。相關試驗概況參見文獻[ 3 ]。3根組合梁均按簡支設計,采用單點集中加載的正位加載模式。試件均在1 000 kN加載架下進行,試驗的加載裝置圖如下:
3根試驗梁SCB - 1, 2, 3[ 3 ]的加載程序均為預加載、破壞荷載2階段。以每級20 kN分3級預加載,試驗從加荷到70 kN后,每級荷載為10 kN,每級荷載的一般的持續時間是10分鐘左右。SCB - 1, 2兩根梁當加荷到160 kN, SCB - 3達到150 kN后,采用撓度控制加載,直到試驗的結束。分別在115 kN, 110 kN, 100 kN時,在加載位置混凝土翼板的下表面出現第一條裂縫。其中SCB - 1, 2的裂縫范圍全部集中在加載點下預制板(600 mm ×600mm)板底。SCB - 3盡管加載點恰好在預制板板縫(板縫寬50mm,千斤頂下的分配梁寬為100 mm,搭每邊混凝土預制板板長25 mm)處。但在加載的過程中,板縫槽內混凝土一直沒有剝落,在達到試驗最后荷載時,板縫上表面還沒有肉眼可見的裂縫,裂縫的范圍主要在加載點下2塊板各自300 mm的范圍內。這點說明鋼- 混凝土預制板組合梁的板縫,即使沒有特殊加強處理,僅僅在板縫內填充強度等級較高的混凝土,即使當板縫處于組合梁的最大彎矩處,板縫內混凝土也完全能夠滿足組合梁在承受荷載過程中不至提前破壞而脫離組合梁結構,這說明板縫處理對組合梁的承載能力以及組合梁的組合效應影響不明顯,其為鋼- 混凝土預制板組合梁的設計提供了強有力的設計依據。同時3根梁在鋼梁下翼緣屈服時,鋼梁與混凝土預制板之間的滑移均很小。完全連接的組合梁SCB - 1, 2在100 kN (56%左右極限荷載時) ,組合梁最大滑移量小于0. 5mm;在160 kN (為極限荷載89%時)也僅僅1mm滑移量。說明完全連接的具有良好的組合效應。部分連接的SCB - 3在100 kN (60%左右極限荷載時) ,滑移量為1 mm左右,有較明顯的組合效應,但略差于完全抗剪連接的組合梁。
3根鋼- 混凝土預制板組合梁從試驗開始到試驗結束過程中,鋼梁與鋼梁界面沒有掀起試驗現象。在達到組合梁的極限荷載時,也沒有栓釘的拉斷與拔出。同時通過3根梁跨中全截面應力圖[ 3 ]反映截面的平均應變基本符合平截面假定,說明組合梁具有良好的整體工作性能,所以鋼梁與混凝土預制板能通過栓釘連接件的“組合”形成共同工作的組合結構。主要試驗結果分析見表2,將試驗結果與其的設計參數采用《鋼結構設計規范》(GB50017 - 2003)中組合梁計算理論獲得的理論值對比見表3:
通過上述試驗,得到鋼- 混凝土預制板組合梁承載力試驗值比組合梁計算理論值略大,說明鋼- 混凝土預制板組合梁抗彎承載里的設計可套用現有規范計算理論進行設計,撓度與滑移試驗值均略大于按普通組合梁設計理論值,說明在板端沒有加強處理及增加縱向預應力情況下,整體性及組合效果要略小于普通組合梁。考慮鋼- 混凝土預制板組合梁設計理論目前還不夠成熟,在設計鋼- 混凝土預制板組合梁時,正截面的抗彎設計可以直接套用現行普通組合梁設計公式[ 2 ] ,但撓度與滑移計算[ 4 ]需修正后,才能符合設計的要求(僅對于預制板與板之間沒有沒有做特殊處理的簡支鋼- 混凝土預制板組合梁) ,其修正公式[ 4 ]如下:
3 結語
本文對預制板后灌孔栓釘連接件的極限承載能力與鋼- 混凝土預制板組合梁的受彎性能、組合效應以及整體性能作了一定的試驗研究與理論分析,獲得主要結論如下:
(1) 預制板后灌孔栓釘連接件的試驗結果表明,按現有整澆板的計算理論設計栓釘連接件的承載力,其試驗結果顯示完全能滿足設計要求。
(2) 3根鋼- 混凝土預制板組合梁的試驗結果顯示,鋼- 混凝土預制板組合梁具有良好的整體工作性能與良好的組合效應,就極限承載力而言,只要在合適的連接度范圍內,部分連接的鋼- 混凝土預制板組合梁也具有廣泛的應用前景。
但由于試件數量的局限性,對于一種新型的組合梁結構的研究還不全面與完善,尚有如下方面需要進一步研究與探討:
(1)預制板后灌孔栓釘連接件的預留孔尺寸大小與坡度等確定的原則需要進一步探討,孔內填充混凝土的等級對栓釘與組合梁受彎性能影響的情度值得進一步研究。
(2)本文僅僅是對簡支的鋼- 混凝土預制板組合梁進行了靜態的試驗研究,還有必要對該種新型結構的抗疲勞性能進一步試驗研究。
參考文獻:
[1] 戴益民,廖莎. 鋼- 混凝土預制板組合梁栓釘連接件的試驗研究[ J ]. 建筑技術開發, 2005, 5: 27 - 29.
[2] GB50017 - 2003, 鋼結構設計規范[ J ].
[3] 戴益民,祝方才,蔣隆敏. 鋼- 混凝土預制板組合梁的組合效應[ J ]. 建筑技術開發, 2005, 11: 29 - 31.
[4] 戴益民. 鋼- 混凝土預制板組合梁的試驗研究[D ]. 長沙:湖南大學土木學院, 2005.
