鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

針對(duì)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的受扭承載力、抗火性能、節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)的性能，指出鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)由于混凝土內(nèi)部型鋼的存在可使組合試件的性能得到更好的發(fā)揮。

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，受扭，節(jié)點(diǎn)抗震，抗火性能

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)組合形成的新型結(jié)構(gòu)，自身具備鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，相比混凝土結(jié)構(gòu)自重更輕，抗震性能更強(qiáng)，延性也更加優(yōu)秀，與鋼結(jié)構(gòu)相比耐火及抗壓性能更強(qiáng)。適合我國的中高層建筑領(lǐng)域，適用在工業(yè)建筑、民用建筑及大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)中，隨著建筑荷載復(fù)雜性的提高和建筑安全性能的要求越來越高，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)能有效的降低造價(jià)、縮短工期。

1 鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)受扭分析

試驗(yàn)持續(xù)過程可以分為四個(gè)階段：1)線彈性發(fā)展階段。在這個(gè)階段中可以發(fā)現(xiàn)，組合梁平衡扭矩的方式是通過翼緣正截面上存在的剪應(yīng)力來達(dá)到，此時(shí)作用在鋼梁自身的扭矩相對(duì)很小。2)當(dāng)鋼梁截面的主拉應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面開始出現(xiàn)裂紋，組合梁受到的扭矩突然增大，在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上形成明顯的臺(tái)階狀。3)隨著外界作用在組合梁上的荷載不斷增大，混凝土表面的裂縫不斷發(fā)展變寬變長，此時(shí)組合梁的抗扭強(qiáng)度不斷下降，因扭動(dòng)產(chǎn)生的變形加快，當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)組合梁內(nèi)部箍筋開始屈服。4)在荷載不斷增大的過程中，混凝土翼緣板上開始出現(xiàn)分布均勻的斜裂縫并逐漸貫通截面上下，進(jìn)入不穩(wěn)定的發(fā)展階段，部分混凝土因受壓扭開始破壞，脫離主體，內(nèi)部鋼筋也開始屈服，此時(shí)組合梁完成受扭破壞。受扭承載力影響因素分析:組合梁承受的彎矩主要由混凝土翼板承擔(dān)，綜合考慮分析得極限承載力的主要影響因素是翼板的截面面積，如果提高翼板構(gòu)件的厚度可以發(fā)現(xiàn)組合梁的受扭承載力會(huì)顯著提高，相對(duì)提高翼板厚度來說增加配箍率對(duì)承載力的提升影響很小。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)各方面作用相同時(shí)，組合梁的抗扭承載力是在配箍率為0.5%左右時(shí)達(dá)到最大，其他配箍率情況對(duì)承載力影響也不是很大。

2 鋼—混凝土抗火性能分析

為分析鋼—混凝土的抗火性能，特將荷載分為五個(gè)等級(jí)，按分級(jí)加載至最大荷載。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火升溫一段時(shí)間后，鋼—混凝土試件背火面有水層冒出。30 min后隨著溫度的持續(xù)升高水分開始蒸發(fā)，水蒸氣從混凝土表面和鋼板的結(jié)合處的縫隙中流出，隨著時(shí)間的增加水蒸氣量漸漸增大，出現(xiàn)水霧現(xiàn)象。大約40 min后出現(xiàn)在混凝土表面的水層開始減少并逐漸消失。1 h左右，由于混凝土內(nèi)部存在的水分在高溫下蒸發(fā)，但有部分水蒸氣在混凝土的堵塞下不能從裂隙中冒出，此時(shí)在混凝土的封閉空隙中積聚產(chǎn)生了蒸汽高壓，高壓的存在使混凝土開始爆裂，伴隨著的是輕微的混凝土爆裂聲，部分混凝土碎片隨著爆裂離開試件主體。觀察組合試件的頂部并未發(fā)現(xiàn)特別明顯的裂縫產(chǎn)生，對(duì)比此時(shí)試件與常溫下沒有明顯的不同。實(shí)驗(yàn)再持續(xù)10 min混凝土頂面開始出現(xiàn)了一條貫穿試件的主裂縫，這條裂縫使試件的承載力顯著下降，繼續(xù)觀察其他部位，這些部位只是出現(xiàn)細(xì)小裂縫，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞。最為明顯的變化是在跨中出現(xiàn)防火保護(hù)層脫落的現(xiàn)象。根據(jù)此現(xiàn)象推知跨中的變形最大，位移變形達(dá)到試件跨度的1/20，對(duì)鋼—混凝土抗火性能的影響最為嚴(yán)重，因?yàn)槠茐脑嚰o法繼續(xù)承載，此時(shí)組合試件的兩端出現(xiàn)鋼板因受熱不斷膨脹而與混凝土脫開發(fā)生破壞。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)于組合梁來說，混凝土表面一旦出現(xiàn)了貫通上下的主裂縫就標(biāo)志著梁已經(jīng)破壞。主裂縫的出現(xiàn)伴隨著表層混凝土的脫落，混凝土內(nèi)部的型鋼暴露出來，開始接觸外部的高溫作用，型鋼在高溫作用下出現(xiàn)軟化，部分型鋼在高溫作用下出現(xiàn)了較明顯的變形屈服。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示，在跨中跨度達(dá)到試件跨度的1/20時(shí)試件的變形速度加快，作者認(rèn)為在高溫條件下，跨中撓度變形超過1/20即可認(rèn)為組合梁已經(jīng)喪失耐火能力。

3 鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

為研究組合梁與柱連接處的抗震能力，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載分析。先在柱的兩端施加豎向荷載，模擬地震發(fā)生時(shí)的豎向荷載，與此同時(shí)在組合梁的兩端加入大小不斷變化的荷載。荷載持續(xù)加入一段時(shí)間，觀察梁和柱的變化發(fā)現(xiàn)，在反向荷載加入到20 kN左右的時(shí)候，在組合梁與柱連接的表面處開始出現(xiàn)不明顯的細(xì)小裂縫，荷載繼續(xù)施加，隨著時(shí)間的延長裂縫不斷發(fā)展，同時(shí)裂縫的寬度和長度均有明顯增大，發(fā)展良好。繼續(xù)增加荷載，因?yàn)檫B接處受力復(fù)雜，在外力的不斷作用下，連接處變成了塑性鉸出現(xiàn)變形。在塑性鉸形成的同時(shí)，混凝土表面出現(xiàn)了上下貫通的裂縫，內(nèi)部鋼筋暴露出來，在重復(fù)荷載的作用下鋼筋開始屈服，屈服后鋼筋繼續(xù)承受荷載作用，因?yàn)殇摻顝?qiáng)化作用的存在，組合梁可以繼續(xù)工作，一旦鋼筋達(dá)到抗拉強(qiáng)度便開始破壞，這也標(biāo)志著組合梁的徹底破壞。再觀察節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)域并未出現(xiàn)斜裂縫，作者認(rèn)為柱的剛度比梁的剛度大得多，鋼梁的腹板在沒有達(dá)到屈服時(shí)柱的剪切變形也很小。繼續(xù)加大荷載，在柱的表面出現(xiàn)了不斷發(fā)展的豎向裂縫，柱子也開始發(fā)生破壞。當(dāng)梁與柱的連接處開始出現(xiàn)輕微的裂縫時(shí)節(jié)點(diǎn)即可認(rèn)為是破壞。此實(shí)驗(yàn)按照“強(qiáng)柱弱梁節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：組合梁與柱的連接處和混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)略有不同，因?yàn)榻M合梁與柱的連接處存在型鋼，在荷載的作用下承載力和剛度比混凝土都要大，混凝土發(fā)生破壞時(shí)，型鋼可以替代混凝土繼續(xù)承載工作，充分說明了組合梁與柱的節(jié)點(diǎn)的延性也更強(qiáng)，可以避免節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜荷載作用下發(fā)生脆性破壞。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土組合梁與普通混凝土對(duì)比有很大優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)過程也表明混凝土組合梁擁有較輕的自重，剛度也更大，承載力提升明顯，在抗震方面的抗性也更強(qiáng)?？梢詮V泛的應(yīng)用在工業(yè)廠房、高層建筑等大型結(jié)構(gòu)中，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼筋混凝土組合梁也得到了設(shè)計(jì)、施工單位的認(rèn)可，其廣泛推廣和應(yīng)用也必將帶來更好的綜合效益。

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Study on steel-concrete composite structure

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The article studies torsion bearing capacity, fire-resistance performance and joint seismic resistance performance of steel-concrete composite structure, compares steel-concrete composite structure performance to common concrete structure performance, and points out that: steel-concrete composite structure plays better performance role owing to internal steel existing in concrete.

steel-concrete composite structure, torsion, joint seismic resistance, fire-resistance performance

2014-11-25

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)04-0043-02

TU398

A