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装配式型钢-混凝土组合扁梁研究

2017/2/20 8:22:10 浏览次数:

作者:曹现雷 钟雯

 近年来,随着我国经济迅速增长,钢产量也迅猛提高,给钢结构的发展带来了前所未有的机遇。目前我国钢结构用钢量在总钢产量中占比仅为5%~6%,其中钢结构住宅用钢量占比还不到1%,远远低于发达国家20%~30%的平均水平。与传统混凝土框架剪力墙结构建造方式相比,钢结构体系容易实现大规模工业化生产,装配式钢结构更容易满足人们对建筑结构产品在数量和质量方面的要求,具有材料强度高、结构自重轻、抗震性能优越、制作与安装工业化程度高,施工周期短等众多优点,同时采用装配式施工方式能最大程度减少施工现场的占用面积和建造过程中产生的建筑垃圾,符合可持续发展的战略。

目前,对装配式住宅产业化研究主要集中于钢筋混凝土结构,而对装配式钢结构住宅的研究较少。虽然,与钢结构体系相配套的主要结构部件梁、柱和墙板可实现工厂预制,现场装配,但楼板仍采用压型钢板或叠合板,现场浇筑。可见钢结构体系在施工过程中,现浇混凝土楼板因其施工工艺和自身材料特性等原因,使得楼板的浇筑和养护明显滞后于钢结构主框架的施工速度,这就造成两种主要构件的施工衔接不连贯,不紧凑,无法形成畅通的流水作业,导致钢结构体系装配施工速度受到严重制约,大量现场浇筑的楼板连接方式已经难以解决钢结构住宅产业化的要求,这就对新型预制楼板的开发以及楼板与柱连接的设计提出了更高的要求,寻求新型梁板连接的组合扁梁结构形式已成为必然。

型钢-混凝土组合扁梁结构特点

 从20世纪50年代开始,钢—混凝土组合梁结构在许多实际工程中得到应用,尤其是最近20年来已在高层结构、工业厂房以及桥梁结构等领域应用广泛,取得了良好的经济效益和社会效益。

T型组合梁通常将型钢梁和混凝土翼缘板通过抗剪连接件相连而形成整体,该类梁结构能充分发挥混凝土与钢材的优点,提高梁的承载力、刚度和稳定性。在20世纪80年代初,随着压型钢板组合梁结构在高层建筑中开始采用,大幅度缩短了建造时间,同时降低了楼盖结构高度和自重,该类组合结构的应用和发展到达了一个新的时期。我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)以及欧洲规范4(1990-1999)中第一部分均有T型组合梁的设计方法。然而,T型组合梁由于结构和构造上的要求,导致产生楼面结构层高度较大和楼板需要现浇等问题,难以满足装配式钢结构中央快速装配、便捷施工的理念。

组合扁梁作为一种新的结构形式,通常是将混凝土楼板搁置于钢梁下翼缘上,钢梁上翼缘焊接剪力连接件,随后现场浇筑混凝土填实,钢梁与混凝土之间通过相互的粘结力,使得两种材料不仅能发挥混凝土抗压强度高和钢材抗拉性能好的优势之外,还能形成整体协同工作。该类组合扁梁楼盖将钢梁内嵌于混凝土楼板之中,实现楼盖中不设次梁的状态,从而满足“无梁楼盖”的要求,因此,能够最大程度上减小结构层高,使得建筑楼层的有效空间加大。此外,在多高层、大跨度结构中使用组合扁梁,其力学效果更为明显,即在作为框架梁受力之外还能承载楼面荷载。按照采用不同形式的混凝土楼板,组合扁梁结构分为叠合板组合扁梁、深肋组合扁梁、拱形组合扁梁、预制板组合扁梁等多种类型,并且易于实现不同工程结构的需求。

在装配钢结构体系中使用新型 组合扁梁结构能降低结构高度、增加使用面积、减少工程造价,具有对良好的经济和社会效益。目前,虽然对国内外组合梁的受力性能开展了较为深入的研究,但是,对于应用于装配式钢结构的型钢一混凝土组合扁梁的研究资料比较匮乏,因而,已有组合梁的研究成果非常值得借鉴。我们从组合梁在纵向抗剪承载力、翼缘板有效宽度、变形与刚度和极限抗变承载力等几个方面,介绍国内外对组合扁梁和T形组合梁受力性能研究成果。

国内外对组合梁结构受力性能研究现状

国内外学者通常将组合楼盖体系整体受力性能转化为三个主要部分去研究,即组合梁结构、上翼缘楼板结构以及梁板之间相互作用,其中组合梁是实现板与柱之间连接传力的 重要构件。在水平荷载作用下,水平力也容易造成楼板与梁之间剪切破坏,因此楼板与组合梁之间的可靠连接是实现楼板整体性能的关键,也是研究组合梁的受力性能是的重点和难点。

纵向抗剪承载力研究——抗剪连接件是组合梁的重要组成部分,其作用是保证钢梁和混凝土翼缘板形成整体共同工作。我国最早对槽钢和弯筋等柔性抗剪连接件进行研究,设计出两根采用槽钢作为剪力连接件的组合梁,由截面竖向应变分布曲线,可知该类组合梁在受力过程中截面变形保证平面,随后又对该类抗剪件组合梁进行较为系统的试验研究,并于1983年提出了槽钢剪力连接件计算公式。栓钉焊接设备的发明应用,推动了栓钉抗剪件的研究,我国专家设计了多组栓钉抗剪件推出试验,深入分析了其剪切力学性能,研究成果在《钢结构设计规范》(GBJ17-88)关于剪切连接章节中得以体现。

混凝土翼缘有效板宽研究——通常组合梁在进行计算时将其截面视为T形截面,由于翼缘板中剪力滞后现象的存在,产生的剪应变导致混凝土整个截面不能保证平截面,造成翼板内的压应力沿宽度方向分布不均匀,因此,圣维南理论不能用于研究组合梁,为了解决这一问题,在设计中通常引入有效宽度的概念进行简化计算。有专家认为有效宽度既不能代表混凝土翼缘板抗弯时的屈服宽度,也不能表示该板的实际参与宽度,而是按等效后有效板宽中最大弯曲正应力和压应力合力分别与实际组合梁翼缘板相等的原则确定的一种折算宽度。

在国外对安全剪切连接的组合梁在正常使用和承载能力两种状态下的有效翼缘板宽取值做了较为细致的研究,提出组合梁混凝土翼缘有效宽度在正、负弯矩区应取值不同,试验结果表明当时欧洲规范中组合梁塑性设计时,其有效宽度取值的计算方法较实际情况偏于保守,并推导出组合梁在塑性状态下有效宽度取值的修正公式。

现有研究表明,采用不同的设计方法和规范计算出的有效板宽对组合梁的承载力有显着影响。但是,由于对组合梁的剪力滞后效应和不同材料组合性质研究不充分,组合梁在弹性阶段和塑性阶段以及正弯矩区和负弯矩区,其有效板宽计算方法仍需深入研究。综上可见,国内外规范对组合梁翼板有效宽度设计方法差别较大,而且,诸多学者是否将翼缘板厚作为影响有效板宽的因素,仍持有不同见解。综上,当前关于组合梁翼缘板有效宽度取值问题亟待解决。

变形与刚度计算理论研究——国内已有研究资料表明,换算截面法计算出来的组合梁刚度(包括短期和长期刚度)计算值偏高,从而导致变形计算值低于实测值,说明通过换算截面刚度法计算产生的组合梁变形值偏于不安全,其主要原因在于栓钉作为传力连接件,在传递钢梁和混凝土翼缘交界面的剪力时将发生形变,从而出现交界面滑移现象,这种不可避免的滑移对组合梁变形影响巨大。

极限抗弯承载力研究——早期组合梁规范源于桥梁结构,采用弹性理论设计方法,如《美国公路与运输行业标准》(AAHSTO 1944)和《德国桥梁规范》(DIN1078 1954),60年代中期开始逐渐运用按塑性理论设计方法。我国专家试验研究了4根部分剪力连接组合梁,并将量测结果与国内外8根部分剪力连接组合梁进行对比,提出考虑剪力连接程度影响的组合梁极限抗弯承载力计算公式并给出修正建议。

国外专家利用有限元软件对钢一混凝土组合板梁进行三维实体建模,非线性分析结果表明,在剪切荷载作用下板梁的组合作用可以有效提高腹板抗剪力能力,使腹板受拉区宽度增加,从而增强了组合梁的整体承载力。对部分剪力连接的组合梁在负弯矩区受力性能进行了研究,试验表明组合梁极限承载能力并没有随着剪切连接程度降低而产生显着变化,但是,组合梁的延性较动能力反而提高了,并根据上述结果,提出了计算部分剪切连接组合梁极限承载能力的修正刚一塑性设计方法。国内外关于组合扁梁抗弯承载力的计算方法研究较少,有文献提出简支深肋组合扁梁设计方法,由于该类梁结构主要依靠粘结力实际不同材料协同工作,因此,组合扁梁为完全剪力连接条件下,能够最大程度发挥扁梁截面的抗弯在载力,故应按塑性理论设计其抗弯承载能力。

综上所述,现有关于组合梁极限承载力的设计理论,若能在综合考虑抗剪连接程度和滑移效应的基础上按照塑性理论进行设计,将更符合实际。   我们对现有组合梁结构在纵向抗剪承载力、翼缘板有效宽度、变形与刚度以及极限抗弯承载力等受力性能方面已取得研究成果进行了总结。研究表明,现有组合梁结构暂时不能广泛应用于装配式钢结构的主要原因在于,其设计原理均是基于传统现浇楼板提出的,而对适用于装配式楼板的组合扁梁结构研究不足。为了促进装配式住宅产业化的发展,还需进一步增加对钢一混凝土组合结构的研究,特别是基于装配式钢框架的型钢一混凝土组合扁梁的受力机理和设计理论亟待研究,这对完善现行钢结构设计理论、推广装配施工的设计理念和实际,对实现我国装配式钢结构住宅产业化目标具有积极的现实意义。

 来源:《建筑时报》