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钢-压型钢板混凝土组合梁极限抗弯承载力的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-30  来源:中国彩钢网  浏览次数:541

  近年来,钢-压型钢板混凝土组合楼盖在高层建筑及多层房屋的楼盖结构中已经得到越来越多的应用中尚没有相应的设计计算条文作为依据,又缺乏足够的试验结果作为,我国自行设计的钢-压型钢板组合楼盖工程尽管采用了栓钉剪力连接件,但是大部分都没有考虑钢梁与压型钢板-混凝土组合板的组合作用,即设计时仍然按钢梁设计,仅仅考虑钢梁的承载力和刚度,这样不仅造成了没有必要的材料浪费,而且使梁的结构高度增大,降低了建筑的有效使用空间高度,还可能造成强梁弱柱的后果。由此可见,对钢-压型钢板混凝土组合梁的受力性能及其极限抗弯承载力进行研究是必要的,它对于按照考虑钢梁和压型钢板-混凝土组合楼板的组合作用设计组合楼盖具有重要实用价值,具有显著的技术经济效益和社会效益。

  极限抗弯承载力公式的推导为了简化计算,沿用传统的设计方法即把混凝土应力图形简化为等效矩形度力块的实用计算方法。为基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50025822)和北京市科委资助项目(954031200)作单位为建设部建筑设计院。

  了推导公式的方便和计算的简化,在钢-压型钢板混凝土组合梁截面达到承载力极限状态时,采用如下基本假设:(1)忽略混凝土的抗拉强度;(2)忽略混凝土板中钢筋和压型钢板的作用,压型钢板肋中的混凝土仅与剪力连接件一起传递剪力;(3)钢梁截面上拉压区的应力均达到屈服强度;(4)位于塑性中和轴以上的混凝土受压区达到混凝土轴心抗压强度。

  由于在钢梁和组合板之间存在相对滑移,钢梁和组合板中都存在塑性中和轴。按照钢梁中塑性中和轴位置的不同,分为如下两种情况。

  钢梁中的塑性中和轴位于钢梁上翼缘内截面上的应力分布如所示,由平衡条件可以得到上式有钢梁中的塑性中和轴位于钢梁腹板内截面上的应力分布如所示,由平衡条件可以得到由假设条件锾及!('2/'+(对上式进行简化。当钢梁截面对称时,上式可简化为适用条件:!('以上各,F表示栓钉提供的总抗剪承载力,表示钢梁全截面提供的拉力,(表示混凝土截面提供的压力,/、/分别表示钢材的抗拉强度和混凝土轴心抗压强度,"表示钢梁的截面积,"、"+分别表示钢梁上翼缘和腹板面积,d表示钢梁截面形心与组合板交界面之间的距离,其它符号含义如图所示。由于压型钢板肋宽的限制,在剪跨内所能提供的栓钉数往往少于完全剪力连接所需要的栓钉数,使梁处于部分剪力连接状态。在这种情况下,钢梁和组合板不能充分发挥各自的作用,栓钉承载力起控制作用。根据试验研究成果,混凝土等效矩形应力块的强度取轴心抗压强度/e比较合适。

  极限承载力的简化计算公式由前面推导可知,钢-压型钢板混凝土组合梁截面的极限抗弯承载力是栓钉所能提供的总抗剪能力F的分段二次函数。由于计算的复杂性,EurocodeNo. 4采用R.P.ohnson提出的内插方法进行计算。

  公式如下承载力;Mpi,表示截面性质相同的完全剪力连接组合梁的极限抗弯承载力;M表示纯钢梁的极限抗弯承载力;r表示剪力连接程度系数,r'min(Vd,表示混凝土截面提供的压力;!表示钢梁截面提供的拉力。

  按内插法得到的计算结果与按平衡法得到的计算结果的比较如所示。由可以看出,由内插法得到的计算结果偏于安全,误差在10H左右,尤其对于剪力连接程度较高的梁,其计算结果的精度更高。而当剪力连接程度系数小于0.5时,由于滑移效应的增大,应给予更高的保证率。由此可见,用内插法进行结构设计计算是简便可行的。

  栓钉提供总抗剪承载力Fd的计算方法国内外有关规范明确指出,工程中应使用高度大于4倍钉杆直径的栓钉。这样的栓钉属于柔性剪力连接件,具有很好的剪力重分布能力。因此在计算中可以假设组合梁上各个栓钉所能提供的抗剪能力相同,则03K,表示剪跨内(即*大弯矩截面和零弯矩截面之间)栓钉的个数,表示每个栓钉所能提供的抗剪承载力。

  剪力连接件在混凝土实板翼缘组合梁中的破坏形式主要有两种:―是连接件受剪受拉破坏,这种破坏形式对应于混凝土强度较高,而用于制作栓钉的钢材强度较低,或焊缝破坏。二是连接件附近的混凝土破坏,这种破坏形式对应于混凝土强度较低,在栓钉根部与其毗邻的混凝土局部受压破坏或劈裂。

  针对以上两种破坏形式,我国钢结构设计规范(GB17―88)63中给出栓钉连接件在混凝土实板中的抗剪承载力为力;(=0表示栓钉连接件钉杆的截面面积;<、/<分别表示混凝土的弹性模量和轴心抗压强度>/表示栓钉连接件的极限抗拉设计强度。

  钢-压型钢板混凝土组合梁中栓钉的受力性能、破坏机理比一般混凝土翼缘中的栓钉更为复杂。根据国内外的推出试验结果,栓钉在这种组合板中的破坏主要发生在混凝土肋中656!。不仅出现在栓钉前面根部混凝土的局部受压破坏或劈裂,而且较多地在栓钉周围的混凝土形成锥形破坏面,沿混凝土肋根部剪断的裂缝或沿混凝土肋某一斜面裂开的裂缝。通常情况下,带压型钢板的推出试件中栓钉的抗剪承载力比一般推出试件中栓钉的抗剪承载力要低,因此需要对式(1)的右边乘一折减系数)=0.当压型钢板的肋垂直于支承钢梁的轴线时,我国b32;表示压型钢板的平均肋宽,当时,r3(t+E)/2,当D时,31,其中表示压型钢板上部肋宽,表示压型钢板下部肋宽;e表示压型钢板肋高,0表示栓钉高度。

  钢-压型钢板混凝土组合梁极限抗弯承载力的实测值和按,但由于压型钢板肋的尺寸限制,当在肋中布置多个栓钉时,很难满足上述要求。并且当栓钉间距较小时,单位面积上混凝土受力增大,使混凝土提前达到破坏,从而降低了栓钉承载力。因此,需考虑栓钉布置的方式对其承载力的影响,对栓钉承载力进行折减。

  通过对试验数据的分析,在=0按式(2)计算。按上述公式得到的抗弯承载力计算结果与实测值的比较如表2和所示。由表2和可以看出,按式(4)得到的计算结果与实测值吻合良好。而且,对于剪力连接程度小于0.5的组合梁,用内插法进行计算,其结果与实测值也吻合良好。

  表2式(4)的计算结果与实测值的比较资料每个栓钉承剪切连接程u计算u实测来源度系数" u计算平均值均方差结论钢-压型钢板混凝土组合梁的极限抗弯承载力可极限抗弯承载力的计算结果与实测值的比较以按照简化塑性设计方法进行计算,但是,要考虑剪力连接程度的影响。对于钢-压型钢板混凝土组合梁,不仅要考虑压型钢板混凝土组合板肋的存在使栓钉连接件的抗剪承载力降低,而且要考虑栓钉在压型钢板混凝土组合板肋中的布置方式对栓钉抗剪承载力的折减。考虑栓钉抗剪承载力的折减后,按照部分剪力连接组合梁的极限抗弯承载力计算公式得到的计算结果与实测值吻合良好。

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