單邊鋼次梁與混凝土主梁插入式連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究

楊清發(fā)， 秦文科， 周劍波

(1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 510663；2.武漢大學(xué) 建筑物檢測與加固教育部工程研究中心， 湖北 武漢 430072；3.武漢大學(xué) 土建學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

隨著建筑結(jié)構(gòu)載荷和跨度逐漸增大的設(shè)計(jì)要求，鋼次梁與混凝土主梁的混合支撐系統(tǒng)得到大量的應(yīng)用，其中鋼次梁與主梁的節(jié)點(diǎn)連接成了設(shè)計(jì)的核心。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般是在框架梁側(cè)設(shè)置挑耳的單邊節(jié)點(diǎn)連接(圖1)，該節(jié)點(diǎn)連接形式施工較為繁瑣，且結(jié)構(gòu)受力不理想。鋼次梁簡支于砼梁挑耳上，支座處為簡支，實(shí)際樓板為整體澆筑，在砼主梁處不可能為純簡支，仍能承受部分負(fù)彎矩。這樣便將梁端負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)由板承擔(dān)，導(dǎo)致板產(chǎn)生拉伸裂縫，不滿足設(shè)計(jì)要求。本文在傳統(tǒng)挑耳式節(jié)點(diǎn)連接的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(圖2)，將鋼次梁直接伸入錨于砼主梁，伸入長度不少于梁寬的1/3，為確保使鋼次梁節(jié)點(diǎn)處砼能澆灌密實(shí)，避免鋼梁上翼緣與腹板間的交接處出現(xiàn)空隙，將鋼梁伸入砼梁段上翼緣板切掉，另補(bǔ)焊兩根一定寬度的鋼板條。端支座處鋼板條彎入砼梁，鋼板條擔(dān)負(fù)鋼次梁上翼緣拉力作用。為確保鋼次梁抗剪強(qiáng)度，在靠近砼梁側(cè)處鋼梁腹板兩側(cè)焊上加勁肋。為了明確該節(jié)點(diǎn)連接方式的受力性能，在試驗(yàn)室進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

圖1 傳統(tǒng)挑耳式單邊節(jié)點(diǎn)連接

圖2 鋼梁插入主梁的單邊節(jié)點(diǎn)連接

1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

以某工業(yè)廠房的鋼次梁插入主梁的節(jié)點(diǎn)為背景，考慮1∶2的縮尺比例，主梁單側(cè)布置4根鋼次梁(圖3)，混凝土框架主梁的載面尺寸為b×h=250 mm×600 mm，跨度為4500 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40，混凝土保護(hù)層厚度為35 mm；鋼次梁選為HN300×150-6.5×9(mm)，跨度為4500 mm，鋼材為Q235B鋼。鋼次梁翼緣上混凝土板厚取為60 mm。

鋼次梁長度大、分布根數(shù)多，做全尺度模型試驗(yàn)極為不便。為了試驗(yàn)方便有效，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袑︿摯瘟哼M(jìn)行了一定簡化，即鋼次梁長度僅取插入端至其反彎點(diǎn)的距離。對于兩端固結(jié)的梁，其反彎點(diǎn)距端部0.1～0.15倍的跨長。從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造來看，鋼次梁與混凝土主梁的節(jié)點(diǎn)為半剛性連接，鋼次梁反彎點(diǎn)相比于剛性節(jié)點(diǎn)而言，應(yīng)向梁端部靠近；據(jù)此，本試驗(yàn)中鋼次梁對應(yīng)的反彎點(diǎn)與混凝土主梁截面中心的距離取為0.05倍的鋼次梁跨長，即225 mm?？紤]到鋼次梁翼緣上焊接鋼板形式不一樣，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度不一致，相應(yīng)反彎點(diǎn)也各異，因此，在試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)鋼次梁翼緣上焊接板剛度相對較弱時(shí)，加載點(diǎn)向次梁支座靠攏50～100 mm。

進(jìn)行混凝土主梁的配筋設(shè)計(jì)時(shí)，宜根據(jù)次梁先于主梁破壞的設(shè)計(jì)原則，求出鋼次梁上集中荷載的設(shè)計(jì)值；依據(jù)鋼次梁對主梁的荷載傳遞，同時(shí)考慮主梁的截面承載能力限制，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范完成主梁的配筋計(jì)算[1]。

依據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)造如圖3所示。梁兩端為擴(kuò)大頭，梁頂4Φ18，通長布置，梁底4Φ18；鋼次梁插入主梁深度為90 mm，混凝土板鋼筋為4Φ10，抗剪鍵為4Φ18。鋼材及混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)實(shí)測值見表1。

表1 材料力學(xué)性能指標(biāo)實(shí)測值

圖3 主梁與鋼次梁結(jié)構(gòu)布置

考慮到鋼次梁上翼緣的焊接板對節(jié)點(diǎn)承載力性能影響很大，選取2種不同的焊接板形式，即翼緣中部分別焊接50 mm、90 mm寬的1塊焊接板，焊板厚度t=8 mm，試驗(yàn)共選取2組模型，不同節(jié)點(diǎn)對應(yīng)構(gòu)件編號分別記為RC-1、RC-2。試驗(yàn)時(shí)，對所有鋼次梁同時(shí)加載，僅對1#、2#鋼次梁進(jìn)行觀測。

2 試驗(yàn)加載裝置及量測布置

試驗(yàn)加載過程按照GB 50152-92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，加載時(shí)在主梁兩端擴(kuò)大頭頂面以大量程的千斤頂施加壓力以約束主梁端部，對次梁外伸端同步向下加載，試驗(yàn)加載裝置見圖4。

圖4 試驗(yàn)加載裝置

鋼次梁插入主梁的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。如圖5示意，在鋼次梁腹板沿不同截面高度處、上翼緣焊接板上布置應(yīng)變片，鋼次梁端部與混凝土底部布置位移計(jì)[3～7]。

圖5 測點(diǎn)的布置示意

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 重要部位的荷載應(yīng)變曲線

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼次梁翼緣在不同焊板連接形式下，節(jié)點(diǎn)承載力不一樣，節(jié)點(diǎn)破壞形式也不一樣，宜分別進(jìn)行考慮。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞時(shí)，以下部位應(yīng)變較大：主梁縱向鋼筋應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)翼緣應(yīng)變、靠近梁端的箍筋應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼梁腹板中部橫向應(yīng)變，本試驗(yàn)重點(diǎn)對這些部位進(jìn)行觀測和分析，其荷載應(yīng)變曲線如圖6所示。

(a) RC-1

(b) RC-2圖6 荷載應(yīng)變曲線

試驗(yàn)過程顯示，節(jié)點(diǎn)受力過程可分為三個階段，即第I階段(未裂階段)，第II階段(開裂階段)和第III階段(破壞階段)。

(1)第一階段：加載初期，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)剪力、彎矩、扭矩較小，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼次梁應(yīng)變均很小，節(jié)點(diǎn)處于彈性工作階段。

(2)第二階段：當(dāng)荷載達(dá)到開裂荷載時(shí)，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)主梁與次梁上翼緣混凝土板的交接面處出現(xiàn)第一條水平裂縫，隨著荷載的增加，此裂縫寬度逐漸增加；當(dāng)繼續(xù)增加時(shí)，主梁端部和跨中均出現(xiàn)細(xì)而短的斜向裂縫；隨著荷載不斷增加，次梁上翼緣混凝土板與主梁的交接面處裂縫寬度加速增加，板內(nèi)鋼筋及翼緣焊接板應(yīng)力逐漸增加；對于RC-1構(gòu)件，當(dāng)荷載達(dá)到21 t時(shí)，翼緣焊接板達(dá)到屈服；此時(shí)次梁上翼緣混凝土板的交接面處裂縫寬度達(dá)到2.5 mm，主梁端部箍筋屈服，主梁端部扭剪裂縫相繼增加和擴(kuò)展。對于RC-2構(gòu)件，當(dāng)荷載達(dá)到21 t時(shí)，主梁端部箍筋屈服，主梁端部扭剪裂縫明顯，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼次梁及翼緣焊接板均處理彈性狀態(tài)，遠(yuǎn)未屈服，此時(shí)次梁上翼緣混凝土板與主梁的交接面處裂縫寬度達(dá)到1 mm。

(3)第三階段：對于RC-1構(gòu)件，當(dāng)荷載達(dá)到25 t時(shí)，鋼次梁翼緣板產(chǎn)生較大的塑性變形，混凝土板趨于拉裂脫落，翼緣趨于破壞，此時(shí)主裂縫的寬度達(dá)3～4 mm，主梁箍筋也接近屈服?；炷涟宓湫蛷埨芽p如圖7所示。對于RC-2構(gòu)件，隨著加載進(jìn)行，箍筋應(yīng)力逐漸增加，梁端部剪扭裂紋明顯擴(kuò)大和加寬；當(dāng)加載達(dá)到25 t時(shí)，裂縫寬度達(dá)2.5 mm，剪扭裂縫已多處貫穿主梁頂面，加載結(jié)束，主梁端部剪扭裂縫見圖8，但此時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼次梁及翼緣焊接板均處于彈性狀態(tài)。對比RC-1、RC-2兩種節(jié)點(diǎn)連接的破壞形式，前者始于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)翼緣焊板的屈服，屬于次要構(gòu)件的塑性破壞，后者破壞始于主梁的剪扭破壞，屬于塑性變形小的主要構(gòu)件破壞，從安全角度出發(fā)，后者不滿足結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求；從試驗(yàn)結(jié)果來看，除上翼緣焊接板外，鋼次梁節(jié)點(diǎn)核心區(qū)其他部位應(yīng)變相對較小，同時(shí)靠近主梁跨中的節(jié)點(diǎn)先于靠近梁端的節(jié)點(diǎn)發(fā)生鋼次梁上翼緣焊接板條的破壞；在鋼次梁插入主梁節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮鋼次梁、主梁及節(jié)點(diǎn)的綜合承載能力，即在保證主梁抗剪扭承載力的同時(shí)進(jìn)行鋼次梁翼緣焊接板的設(shè)計(jì)[8，9]。

圖7 鋼次梁與主梁連接處橫向裂縫

圖8 主梁端部剪扭裂縫

3.2 次梁端部的荷載位移曲線

試驗(yàn)獲取了位移計(jì)①的端部位移，RC-1和RC-2構(gòu)件端部的荷載位移曲線見圖9。對于RC-1構(gòu)件，當(dāng)荷載較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)為彈性變形，曲線段線性上升，當(dāng)荷載達(dá)到開裂荷載時(shí)，鋼次梁上翼緣與頂面混凝土板接觸面出現(xiàn)開裂，節(jié)點(diǎn)剛度降低，對應(yīng)曲線段斜率降低，隨著荷載增加，裂縫寬度加速增加，節(jié)點(diǎn)剛度加速降低，曲線段斜率逐漸變?。划?dāng)荷載接近21 t時(shí)，對應(yīng)RC-1構(gòu)件，鋼次梁上翼緣焊接鋼板屈服，對應(yīng)RC-2構(gòu)件，主梁箍筋屈服，當(dāng)荷載增加至25 t時(shí)，節(jié)點(diǎn)趨于破壞，曲線段斜率降低并趨于平坦。

(a) RC-1

(b) RC-2圖9 RC-1、RC-2構(gòu)件次梁梁端荷載位移曲線

對比兩種節(jié)點(diǎn)連接的荷載位移曲線，RC-1構(gòu)件破壞始于翼緣的屈服，塑性變形較大，導(dǎo)致次梁的梁端位移相對較大；從加載結(jié)束時(shí)曲線段斜率來看，節(jié)點(diǎn)仍具備一定的剛度。從試驗(yàn)現(xiàn)象也可以看到，加載結(jié)束時(shí)，鋼次梁插入主梁的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土依然完好，未出現(xiàn)明顯擴(kuò)展的表面裂縫，即節(jié)點(diǎn)核心區(qū)還存在一定的抗剪能力，但節(jié)點(diǎn)附近梁腹板出現(xiàn)縱橫交錯的彎剪裂紋，使得節(jié)點(diǎn)抗剪能力有限。

4 單邊鋼次梁插入混凝土主梁的節(jié)點(diǎn)簡化分析模型

對比RC-1、RC-2兩種節(jié)點(diǎn)的破壞模式，前者始于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)翼緣焊板的屈服，屬于次要構(gòu)件的塑性破壞，屬于較為合理的節(jié)點(diǎn)形式，設(shè)計(jì)時(shí)上翼緣焊接板與翼緣板的橫向面積比控制在0.35～0.5的范圍內(nèi)。

對于單邊鋼次梁上翼緣焊接鋼板連接節(jié)點(diǎn)形式(圖10)，當(dāng)鋼梁自由端受到向下作用的豎向荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)平衡內(nèi)力有混凝土板內(nèi)鋼筋拉力F1、鋼次梁上翼緣焊接板拉力F2、鋼次梁腹板與混凝土之間粘結(jié)力F4、混凝土局部受壓支點(diǎn)反力F3及鋼次梁上翼緣焊接板側(cè)壓力F5，鋼次梁下翼緣和腹部下部與混凝土之間縱向擠壓力F6，鋼次梁下翼緣與混凝土之間的縱向粘結(jié)力、摩擦力F7，L4為鋼次梁插入混凝土主梁的長度，L5為腹部下部與混凝土之間縱向擠壓力的分布高度；由于鋼梁自身剛度較大，鋼梁對節(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生撬杠作用，導(dǎo)致混凝土板內(nèi)鋼筋、鋼次梁上翼緣焊板的拉應(yīng)力及鋼次梁上翼緣焊接板側(cè)壓力迅速集中，鋼次梁腹板與混凝土之間的粘結(jié)力也抵抗了小部分梁端荷載。

圖10 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)之內(nèi)的主要荷載分布

假定主梁截面滿足鋼次梁集中荷載作用下的抗扭要求，從力的平衡來看，當(dāng)兩邊鋼次梁梁端荷載一致時(shí)，F(xiàn)1、F2通過兩側(cè)鋼次梁自平衡，此時(shí)F4分配的力非常小；當(dāng)兩邊鋼次梁梁端荷載不一致時(shí)，由F4、F5抵抗兩側(cè)F1、F2產(chǎn)生的不平衡力；梁端荷載F0與支點(diǎn)反力F3相平衡。

由F3的支點(diǎn)力矩平衡有：

F0×L0+1/2×F6×L5=F1×L1+F2×L2+1/2×F4×L2

(1)

設(shè)混凝土板內(nèi)鋼筋面積為As1，鋼次梁翼緣面積為As2，兩者抗拉強(qiáng)度分別為fy、fy′，假定F1和F2按鋼次梁受力范圍內(nèi)抗拉剛度比例分配，則有：

F1/F2=As1/As2

(2)

以鋼次梁上翼緣焊接板水平與垂直交界處水平方向的平衡有：

F1+F2+F6=F4+F5+F7

(3)

假定節(jié)點(diǎn)屈服破壞時(shí)，上翼緣焊接板側(cè)面受壓混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度fc，則有F5=b1×L3×fc，F(xiàn)6=(t1×b2+t2×L5)×fc，F(xiàn)7=b2×L4×ft，式中b1為翼緣焊板的側(cè)面寬度，b2為鋼次梁下翼緣寬度，t1為鋼次梁下翼緣的厚度，t2為鋼次梁腹板的厚度，L3為鋼次梁焊接板條在混凝土中的垂直錨固深度，ft為鋼次梁表面與混凝土間粘結(jié)強(qiáng)度，fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度，則由(3)式可求出腹部下部與混凝土之間縱向擠壓力的臨界分布高度L5。以RC-1構(gòu)件為對象，可求得L5接近為0，即腹部下部與混凝土之間縱向擠壓區(qū)域較小。

設(shè)腹板與混凝土間粘結(jié)面積為As0，當(dāng)荷載增加到鋼次梁上翼緣焊板與混凝土板內(nèi)鋼筋屈服應(yīng)力時(shí)，假定腹板與混凝土間粘結(jié)應(yīng)力也達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，則由(1)、(2)式有：

F0×L0+1/2×F6×L5=fy×As1×L1+fy′×As2×L2+1/2×As0×ft×L2

(4)

依據(jù)以上思路，以RC-1構(gòu)件為對象，可求得F0為18.11 t，以RC-2構(gòu)件為對象，可求得F0為23.6 t，與試驗(yàn)結(jié)果21 t較為接近，故該方法可作為鋼次梁插入主梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的參考。因RC-1構(gòu)件節(jié)點(diǎn)為延性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，結(jié)果偏小，需要說明的是，由式(1)中，L0對應(yīng)為鋼次梁反彎點(diǎn)離支撐反力點(diǎn)的距離；L0大小與鋼次梁上翼緣焊接板的剛度有關(guān)，當(dāng)焊板較多時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛度變大，則反彎點(diǎn)向次梁跨中延伸，即L0變大，根據(jù)(1)式，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)承載力F0變小，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮L0的影響。

另外，為了保證節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)不至于出現(xiàn)側(cè)面混凝土的壓碎破壞，應(yīng)滿足F1+F2+F6≤F4+F5+F7，由于F4、F6和F7所占比重均很小，可以忽略不計(jì)，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)滿足F1+F2≤F5即可。以節(jié)點(diǎn)焊接形式一為例，可求得L3≥122.5 mm。同時(shí)，鋼次梁焊接板條在混凝土中錨固深度應(yīng)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2002)第9.3條確定。

另外，考慮到鋼次梁底部交界處的混凝土壓應(yīng)力較大，建議在鋼梁下部增加小端板來縱向受壓。實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)的彎矩承載力取決于次梁支座上部的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土板內(nèi)鋼筋、鋼次梁上翼緣焊接板的含鋼量。在具體的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行人為的控制和調(diào)整。

5 結(jié) 論

(1)鋼次梁與主梁節(jié)點(diǎn)連接形式的施工較為方便，鋼次梁插入主梁的連接節(jié)點(diǎn)為半剛性連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具備的抗彎能力有限，此種節(jié)點(diǎn)連接形式下，鋼次梁上翼緣焊接板首先發(fā)生彎曲屈服，鋼次梁上翼緣混凝土板與主梁交接面出現(xiàn)寬而深的裂縫，隨著荷載增加，裂縫逐漸擴(kuò)大，鋼梁翼緣混凝土板接近拉裂脫落，無法滿足使用要求，節(jié)點(diǎn)趨于破壞。

(2)加載結(jié)束時(shí)，鋼次梁插入主梁的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土依然完好，未出現(xiàn)明顯擴(kuò)展的表面裂縫，即節(jié)點(diǎn)核心區(qū)還存在一定的抗剪能力，但主梁端部箍筋已屈服，端部混凝土腹板出現(xiàn)明顯的彎扭裂縫，使得節(jié)點(diǎn)抗剪能力有限。

(3)通過試驗(yàn)分析，當(dāng)上翼緣焊接板與翼緣板的橫向面積比宜控制在0.35～0.5的范圍內(nèi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的破壞始于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)翼緣焊板的屈服，屬于次要構(gòu)件的塑性破壞，滿足安全設(shè)計(jì)的要求，屬于比較合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式。

[1] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50152-92,混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

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