摘要:对12个不同预留孔形、孔内不同填充材料的推出试件及2根不同预留孔形的完全剪力连接与1根部分剪力连接的钢- 混凝土预制板组合梁进行了试验,结果表明,只要预留孔形设计合理,灌孔混凝土强度得当,钢- 混凝土预制板组合梁就具有良好的组合效应和整体工作性能,是一种有发展前途和广泛应用领域的新型组合结构。
关键词:钢- 混凝土组合梁;钢- 混凝土预制板组合梁;栓钉;组合效应
中图分类号: TU375. 1 文献标识码:A
目前,在我国工程中应用的组合梁多为在钢梁上现浇混凝土板,两者之间通过剪力连接件而共同工作形成的组合结构。在一些对工期与施工现场作业条件受限制的桥梁、房屋新建、改造和抢修的工程中,普通的钢筋混凝土组合梁遇到现场湿作业多、支模量大和施工周期长的局限,如果能设计出将钢梁与预制板直接结合的组合梁,则能取得快速施工、预制装配的优势。这种结构是将钢纵梁与钢横梁形成施工单元,预制板预留孔与焊在钢梁上的栓钉对齐就位后,在预制板栓钉预留孔洞内及板与板之间的槽内浇灌比预制板高一定强度等级的混凝土,当孔内混凝土达到强度后,钢梁与混凝土预制板连成整体而形成钢- 混凝土预制板组合梁结构。这种结构的优点很明显:主要的受力部件在工厂制造,机械化程度高,专业技术熟练,因而构件的质量高;预制构件的模板可以重复使用,现场要浇筑面层时,可以利用预制构件做脚手架和模板,比整体式结构省工省料,并且能够缩短工期;由于这是一种新型的组合梁结构,在国内外规范与规程中关于这样结构的设计条文很少,给钢- 混凝土预制板组合梁的推广应用造成一定的困难,为促进这种新型结构的发展,本文拟从以下几方面对其进行试验研究与理论分析:
(1) 通过12个以不同孔形、孔内不同填充材料和栓钉的布置位置为变量的预制板后灌孔栓钉剪力键推出试验,获取这种结构栓钉的工作性能。
(2) 以3根不同孔形、剪力连接度预制板后灌孔组合梁的试验,探讨这种梁的组合效应与整体工作性能。同时建立在试验研究的基础上,结合现行《规范》有关组合梁承载力、变形计算公式,提出对符合上述条件钢- 混凝土预制板组合梁设计的修正公式。
1 预制板后灌孔栓钉连接件的试验研究
剪力连接件不仅传递钢梁与混凝土板之间的纵向剪力、同时还要抵抗混凝土板与钢梁之间的掀起作用,是保证钢梁与混凝土翼缘共同工作的关键元件。为获取预制板后灌孔栓钉连接件的极限承载力、试验分析不同的预留孔形对栓钉的承载力与滑移的影响、分析预留孔内不同的填充材料对栓钉极限承载力与滑移的影响。本论文设计了12个预制板后灌孔栓钉连接件的推出试件,具体的设计参数见文献[ 1 ] ,所有推出试件加载时,在2混凝土块下垫细石英砂,采用连续加载的加载模式,试验加压时用同一传感器保证轴心加载,在短工字钢与混凝土块的2对侧设置4个百分表观测加载过程中两者之间的滑移,具体加载装置见图1。
主要的试验结果与荷载- 滑移曲线参考文献[ 1 ] ,通过对预制板后灌孔栓钉连接件采用(《钢结构设计规范》(GB50017 - 2003) )中栓钉设计公式(Ncv = 0. 43As
)计算得理论计算值与试验值的对比分析。获得两者关系见表1 (编号、参数见文献[ 1 ] ) :
在对比同批现浇推出试件T - 6的试验结果基础上,上表显示预制板后灌孔栓钉连接件有良好的极限承载能力。所有试件均为栓钉剪断破坏,栓钉的破坏特征见图2,单个栓钉连接件的承载力实际由0. 7Asγ f值来控制,而且其极限承载力主要与孔内填充混凝土的强度有关,孔内强度高则栓钉的极限承载力要高,且滑移效果相对要好[ 1 ] 。
考虑荷载- 滑移关系也是反映栓钉承载能力和变形性能的一个重要的物理量,也是组合梁界面上滑移分布规律不可以缺少的试验依据,所有的推出试件在荷载P = 140 kN ( P = 0. 65Pu )大约是以下时P - u大致为线性关系,而且滑移量控制在1 mm左右。此时的P值也比表1中栓钉的理论计算承载力极限值要大,当荷载大于140 kN以后,滑移明显加速, P - u才转为非线性关系。这说明预制板后灌孔栓钉连接件具有良好的抗滑移效果。
2 钢- 混凝土预制板组合梁的试验研究
依据简化的塑性极限状态方法,本文设计了3根不同后灌孔形、不同连接度的简支钢- 混凝土预制板组合梁,从荷载- 滑移、荷载- 钢梁应变、荷载与混凝土预制板应变及荷载- 挠度等方面对钢- 混凝土预制板组合梁的受弯性能及组合效应进行试验研究。相关试验概况参见文献[ 3 ]。3根组合梁均按简支设计,采用单点集中加载的正位加载模式。试件均在1 000 kN加载架下进行,试验的加载装置图如下:
3根试验梁SCB - 1, 2, 3[ 3 ]的加载程序均为预加载、破坏荷载2阶段。以每级20 kN分3级预加载,试验从加荷到70 kN后,每级荷载为10 kN,每级荷载的一般的持续时间是10分钟左右。SCB - 1, 2两根梁当加荷到160 kN, SCB - 3达到150 kN后,采用挠度控制加载,直到试验的结束。分别在115 kN, 110 kN, 100 kN时,在加载位置混凝土翼板的下表面出现第一条裂缝。其中SCB - 1, 2的裂缝范围全部集中在加载点下预制板(600 mm ×600mm)板底。SCB - 3尽管加载点恰好在预制板板缝(板缝宽50mm,千斤顶下的分配梁宽为100 mm,搭每边混凝土预制板板长25 mm)处。但在加载的过程中,板缝槽内混凝土一直没有剥落,在达到试验最后荷载时,板缝上表面还没有肉眼可见的裂缝,裂缝的范围主要在加载点下2块板各自300 mm的范围内。这点说明钢- 混凝土预制板组合梁的板缝,即使没有特殊加强处理,仅仅在板缝内填充强度等级较高的混凝土,即使当板缝处于组合梁的最大弯矩处,板缝内混凝土也完全能够满足组合梁在承受荷载过程中不至提前破坏而脱离组合梁结构,这说明板缝处理对组合梁的承载能力以及组合梁的组合效应影响不明显,其为钢- 混凝土预制板组合梁的设计提供了强有力的设计依据。同时3根梁在钢梁下翼缘屈服时,钢梁与混凝土预制板之间的滑移均很小。完全连接的组合梁SCB - 1, 2在100 kN (56%左右极限荷载时) ,组合梁最大滑移量小于0. 5mm;在160 kN (为极限荷载89%时)也仅仅1mm滑移量。说明完全连接的具有良好的组合效应。部分连接的SCB - 3在100 kN (60%左右极限荷载时) ,滑移量为1 mm左右,有较明显的组合效应,但略差于完全抗剪连接的组合梁。
3根钢- 混凝土预制板组合梁从试验开始到试验结束过程中,钢梁与钢梁界面没有掀起试验现象。在达到组合梁的极限荷载时,也没有栓钉的拉断与拔出。同时通过3根梁跨中全截面应力图[ 3 ]反映截面的平均应变基本符合平截面假定,说明组合梁具有良好的整体工作性能,所以钢梁与混凝土预制板能通过栓钉连接件的“组合”形成共同工作的组合结构。主要试验结果分析见表2,将试验结果与其的设计参数采用《钢结构设计规范》(GB50017 - 2003)中组合梁计算理论获得的理论值对比见表3:
通过上述试验,得到钢- 混凝土预制板组合梁承载力试验值比组合梁计算理论值略大,说明钢- 混凝土预制板组合梁抗弯承载里的设计可套用现有规范计算理论进行设计,挠度与滑移试验值均略大于按普通组合梁设计理论值,说明在板端没有加强处理及增加纵向预应力情况下,整体性及组合效果要略小于普通组合梁。考虑钢- 混凝土预制板组合梁设计理论目前还不够成熟,在设计钢- 混凝土预制板组合梁时,正截面的抗弯设计可以直接套用现行普通组合梁设计公式[ 2 ] ,但挠度与滑移计算[ 4 ]需修正后,才能符合设计的要求(仅对于预制板与板之间没有没有做特殊处理的简支钢- 混凝土预制板组合梁) ,其修正公式[ 4 ]如下:
3 结语
本文对预制板后灌孔栓钉连接件的极限承载能力与钢- 混凝土预制板组合梁的受弯性能、组合效应以及整体性能作了一定的试验研究与理论分析,获得主要结论如下:
(1) 预制板后灌孔栓钉连接件的试验结果表明,按现有整浇板的计算理论设计栓钉连接件的承载力,其试验结果显示完全能满足设计要求。
(2) 3根钢- 混凝土预制板组合梁的试验结果显示,钢- 混凝土预制板组合梁具有良好的整体工作性能与良好的组合效应,就极限承载力而言,只要在合适的连接度范围内,部分连接的钢- 混凝土预制板组合梁也具有广泛的应用前景。
但由于试件数量的局限性,对于一种新型的组合梁结构的研究还不全面与完善,尚有如下方面需要进一步研究与探讨:
(1)预制板后灌孔栓钉连接件的预留孔尺寸大小与坡度等确定的原则需要进一步探讨,孔内填充混凝土的等级对栓钉与组合梁受弯性能影响的情度值得进一步研究。
(2)本文仅仅是对简支的钢- 混凝土预制板组合梁进行了静态的试验研究,还有必要对该种新型结构的抗疲劳性能进一步试验研究。
参考文献:
[1] 戴益民,廖莎. 钢- 混凝土预制板组合梁栓钉连接件的试验研究[ J ]. 建筑技术开发, 2005, 5: 27 - 29.
[2] GB50017 - 2003, 钢结构设计规范[ J ].
[3] 戴益民,祝方才,蒋隆敏. 钢- 混凝土预制板组合梁的组合效应[ J ]. 建筑技术开发, 2005, 11: 29 - 31.
[4] 戴益民. 钢- 混凝土预制板组合梁的试验研究[D ]. 长沙:湖南大学土木学院, 2005.
