鋼次梁-混凝土主梁貫入式節(jié)點試驗

凌育洪，陳劍佳，馬宏偉

(1.華南理工大學 建筑設計研究院，510641 廣州； 2.廣東省建筑設計研究院，510010 廣州； 3.華南理工大學 土木與交通學院，510641 廣州)

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鋼次梁-混凝土主梁貫入式節(jié)點試驗

凌育洪1，陳劍佳2，馬宏偉3

(1.華南理工大學 建筑設計研究院，510641 廣州； 2.廣東省建筑設計研究院，510010 廣州； 3.華南理工大學 土木與交通學院，510641 廣州)

摘要:提出一種在鋼次梁梁端焊接錨固端板，并完全貫入混凝土主梁的新型鋼次梁-混凝土主梁貫入式節(jié)點.為研究在彎矩作用下該節(jié)點的受力性能和破壞過程，對單邊鋼次梁-混凝土主梁貫入式T型節(jié)點進行1∶2縮尺的靜力加載試驗.試驗結(jié)果表明:按混凝土梁受扭承載力略大于鋼次梁抗彎承載力原則設計的節(jié)點，其破壞表現(xiàn)為鋼次梁上翼緣受拉屈服，可完全發(fā)揮鋼次梁的抗彎承載力，試驗承載力略大于承載力理論計算值；試驗過程中，節(jié)點區(qū)域錨固良好；節(jié)點有較好變形能力，轉(zhuǎn)角延性系數(shù)可達5.11.

關(guān)鍵詞:次梁貫入式梁-梁節(jié)點；試驗；承載力；延性系數(shù)；半剛性節(jié)點

當混凝土梁作為組合梁的端部支座時，傳統(tǒng)的節(jié)點形式有兩種：一種是在混凝土主梁上設置預埋件，鋼次梁的腹板跟預埋件通過螺栓進行連接(圖1)，該連接方式可實現(xiàn)混凝土梁與鋼次梁的鉸接，受力較明確，然而施工較復雜[1]；另一種節(jié)點做法是在混凝土梁上設置挑耳，鋼次梁支撐在挑耳上[2](圖2).近年來出現(xiàn)一種新的鋼次梁-混凝土主梁節(jié)點形式，將鋼次梁直接貫入混凝土主梁.文獻[3-4]提出一種鋼次梁-混凝土主梁貫入式節(jié)點，為減小鋼次梁的貫入對混凝土梁的影響，對節(jié)點區(qū)域內(nèi)的鋼梁翼緣進行削弱，為增強混凝土對鋼梁的錨固，在鋼梁腹板上焊接錨固鋼筋，文獻[4]的試驗節(jié)點見圖3.試驗結(jié)果表明使用削弱的翼緣可以在鋼梁轉(zhuǎn)角較大時，有效減少梁端對混凝土梁的作用，提高節(jié)點區(qū)混凝土的抗裂能力和受力性能;文獻[5]對上述貫入式節(jié)點進行了有限元分析，建議設計中加厚樓板，且由于錨筋對節(jié)點承載力幾乎沒有影響，建議設計中不考慮錨筋對承載力的影響;文獻[6-7]提出了與上述節(jié)點類似的鋼次梁-混凝土主梁貫入式節(jié)點，并提出一個節(jié)點內(nèi)力簡化分析模型，根據(jù)該模型對梁貫入式節(jié)點的受力性能進行研究，得到了節(jié)點在水平力作用下受彎承載力的計算方法;文獻[8-9]提出另一種貫入式節(jié)點，鋼梁貫入長度不少于梁寬的1/3，為確保節(jié)點區(qū)域混凝土能澆灌密實，節(jié)點區(qū)域的鋼梁不設置上翼緣板，在原上翼緣板處設置2根寬度約為1/4鋼梁寬的鋼板條，由鋼板條承擔鋼次梁上翼緣的拉力，文獻[8]的試驗節(jié)點見圖4，砼梁中箍筋在鋼梁下翼緣處斷開并與其焊接，長度為10倍箍筋直徑.試驗結(jié)果表明補焊鋼板條后，節(jié)點破壞始于鋼板條的屈服，節(jié)點延性良好.

圖1　螺栓連接節(jié)點做法

圖3　文獻[4]試驗節(jié)點

圖4　文獻[8]試驗節(jié)點

1節(jié)點構(gòu)造

本文參考文獻[3-9]研究成果，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗，提出了一種新型的鋼次梁-混凝土主梁節(jié)點形式：在鋼次梁端部焊接錨固端板，為使鋼梁能承擔一定的彎矩，對于十字型節(jié)點，鋼次梁完全貫穿混凝土主梁，見圖5(a)，對于T型節(jié)點，鋼次梁貫通至主梁另一側(cè)箍筋的位置，見圖5(b).T型節(jié)點貫入長度可取為：混凝土梁寬減去此梁中箍筋直徑、縱筋直徑和保護層厚度.對于一般的工程，混凝土保護層厚度25 mm，箍筋直徑8～10 mm，縱筋直徑14～25 mm，按保守取值，一般貫入長度可取l=b-60,b為混凝土梁寬度.

本文研究的節(jié)點與文獻[4,8]研究的節(jié)點不同之處在于：貫入混凝土部分的鋼梁翼緣不削弱，在鋼梁端部設置端板，且鋼梁完全貫入混凝土梁,本文僅對T型節(jié)點進行研究.

圖5　本文節(jié)點示意

2試驗研究

2.1構(gòu)件設計

試驗參考了“梅州世界客商文化中心”工程中主次梁的布置，考慮1∶2的縮尺比例，主梁單側(cè)布置2根鋼次梁.為了在試驗中對主梁梁端的位移和轉(zhuǎn)角進行約束，模擬主梁兩端的固接，在主梁兩端設混凝土墩，混凝土墩用錨具固定在地槽上.混凝土主梁采用C30混凝土，保護層厚度為20 mm；主梁跨度4 500 mm，截面尺寸400 mm×750 mm.鋼次梁采用Q345鋼材，跨度20 000 mm，截面尺寸h1×b1×t1×b2×t2×tw為300 mm×150 mm×12 mm×175 mm×16 mm×8 mm.由于實驗場地有限，考慮到混凝土梁的破壞形式以及節(jié)點破壞形式才是研究重點，試驗模型中鋼次梁長度僅取插入端至反彎點的距離，且忽略樓板作用，實際受力過程中反彎點的位置是變化的，本試驗保守取為1 390 mm.由于試驗中取消混凝土樓板，為防止由于偶然的加載偏心引起的鋼次梁失穩(wěn)扭曲，在兩個鋼次梁上下翼緣間各焊接兩塊寬度為200 mm的鋼板，鋼板厚度與翼緣厚度相同.混凝土梁配筋按照其受扭承載力略大于鋼次梁抗彎承載力的原則進行設計.將計算得到的鋼次梁抗彎承載能力略作提高，作為扭矩施加于混凝土主梁上，進行混凝土主梁的配筋設計，計算公式參考《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[10]和《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[11].

根據(jù)上述思路，本試驗構(gòu)件設計見圖6，鋼材及混凝土力學性能見表1、2.

圖6　構(gòu)件設計圖(mm)

MPa

注：fy,m為屈服強度，fu,m為極限強度.

表2　混凝土性能表　MPa

2.2加載制度及數(shù)據(jù)量測

試驗按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗標準》[12]相關(guān)規(guī)定進行.主要加載裝置為反力架和千斤頂，如圖7所示.試驗時，使用兩個千斤頂分別對兩個鋼次梁自由端向下進行同步加載，加載點與混凝土梁距離950 mm.加載時，采用力加載的方式分級加載，每級荷載增量為5 kN，加載后至少保持荷載2 min，加載至破壞.加載初期，在彈性段進行反復加載，加載值不超過試件開裂荷載的60%.為測量鋼次梁的應變，在上下翼緣、不同截面高度處腹板處布置應變片，測量其應變變化規(guī)律，同時測量混凝土對鋼次梁的錨固程度.為測量混凝土梁鋼筋的應變，在混凝土梁主要受力鋼筋以及可能較早屈服的鋼筋處粘貼應變片.為準確測量加載點的豎向位移、混凝土梁的平面外位移、鋼次梁的平面外位移，在混凝土梁及鋼次梁相應部位布置位移計.

圖7　加載裝置示意

3結(jié)果及分析

3.1試驗現(xiàn)象

在正式加載前，先對試件在0～20 kN范圍內(nèi)進行一次加載和卸載.卸載至0 kN后，將試件加載至30 kN，發(fā)現(xiàn)“荷載-位移曲線”不再呈直線狀態(tài)，對試件進行卸載后位移沒有回到原點.此時再對試件進行加載，發(fā)現(xiàn)曲線沿著卸載路線攀升.定義鋼梁所受的極限荷載為Pu，加載至60 kN(0.26Pu)，在混凝土梁左邊的正面和背面各出現(xiàn)一條0.1 mm寬的斜裂縫，裂縫與水平面的角度約為45°，裂縫長度方向中點離鋼次梁約750 mm；加載至70 kN(0.30Pu)，混凝土梁背面出現(xiàn)第二條斜裂縫，裂縫方向與第一條裂縫基本平行；加載至75 kN(0.33Pu)，混凝土梁頂面出現(xiàn)多條細斜裂縫，裂縫位于梁面中間，約為45°方向，此外，節(jié)點區(qū)域鋼次梁下方混凝土表面亦出現(xiàn)一條0.1 mm寬的裂縫，該裂縫一端與鋼次梁相連，與水平面夾角約為45°；此后加載至100 kN(0.43Pu)，混凝土梁上裂縫逐漸增多，但是裂縫寬度沒有太大變化，混凝土梁右邊沒有出現(xiàn)明顯的裂縫，“荷載-位移曲線”斜率有減小趨勢；加載至120 kN(0.52Pu)，右邊混凝土梁頂面出現(xiàn)第一條裂縫，裂縫走向與左邊基本對稱，左邊混凝土梁頂面增加多條裂縫；此后，隨著荷載增加，混凝土裂縫逐漸發(fā)展，但節(jié)點區(qū)的裂縫沒有明顯發(fā)展；加載至170 kN(0.74Pu)，在混凝土梁兩邊的節(jié)點區(qū)域，同時出現(xiàn)疑似鋼次梁翹起裂縫，梁頂面裂縫發(fā)展明顯；加載至200 kN(0.87Pu)，左邊鋼次梁上翼緣應變達1.8×10-3，鋼次梁接近屈服階段；加載至230 kN(1.00Pu)，左邊鋼次梁上翼緣板屈服，曲線開始進入下降段，左邊千斤頂退出工作，右邊千斤頂繼續(xù)加載；加載至250 kN，右邊鋼次梁上翼緣板屈服，曲線也開始進入下降段，鋼次梁發(fā)生較大變形，位移計到達量程極限并有稍微損壞，由于無法進行加載而停止試驗.

圖8　裂縫形態(tài)圖

通過對試驗現(xiàn)象、裂縫位置、裂縫走向以及裂縫出現(xiàn)時間等進行觀察和分析，得到主要結(jié)論：

1)試驗中，鋼次梁端部翼緣板受拉屈服，屬于次要構(gòu)件的塑性破壞.

2)混凝土梁上的裂縫基本與水平方向呈45°夾角，部分裂縫從混凝土梁正面貫通至混凝土梁頂面，或者從梁頂面貫通至梁背面，由裂縫形態(tài)判斷，混凝土梁上的裂縫主要是由于扭轉(zhuǎn)原因產(chǎn)生的.工程應用中，可通過增大梁寬等方式提高混凝土梁的抗扭承載力，避免梁身過早出現(xiàn)裂縫.

3)在加載到75 kN時，節(jié)點部位出現(xiàn)一條裂縫，但從觀測結(jié)果看，裂縫只出現(xiàn)在混凝土表面的局部位置，并且隨著加載進行，該裂縫沒有發(fā)展.整個試驗過程中也沒有發(fā)現(xiàn)節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)剪切裂縫.節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)的裂縫對節(jié)點承載力不起控制作用.

4)混凝土梁的設計抗剪承載力為488.6 kN，當構(gòu)件破壞時，混凝土梁受到的實際剪力為250 kN(右鋼次梁)，剪力并非構(gòu)件破壞的控制性因素.

5)構(gòu)件破壞時，鋼次梁下方混凝土沒有出現(xiàn)局部壓酥現(xiàn)象，混凝土梁局部抗壓承載力滿足要求.

6)加載前，由于鋼次梁距離混凝土梁頂面的距離較短，根據(jù)工程經(jīng)驗推斷鋼次梁可能對混凝土梁有翹起的作用，可能出現(xiàn)混凝土梁面被鋼次梁掀起的節(jié)點破壞形式.加載時發(fā)現(xiàn)，加載至極限荷載的75%時，混凝土梁上節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)疑似翹起裂縫.加載完成后，在混凝土梁背后亦發(fā)現(xiàn)此種裂縫，但裂縫寬度均小于0.1 mm.工程應用中，為避免混凝土梁面被鋼次梁掀起，可在混凝土梁節(jié)點區(qū)域中，在鋼次梁上方沿鋼次梁方向布置倒U型的鋼筋.

3.2計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

將加載點的荷載換算成混凝土承受的扭矩(數(shù)值上等于鋼次梁梁端承受的彎矩)，將試驗值與按規(guī)范公式計算的結(jié)果進行對比.混凝土梁扭矩的理論值與試驗值均為214 kN·m；節(jié)點區(qū)抗剪承載力理論值為488 kN，試驗施加剪力為224 kN；鋼梁固端彎矩理論值為191 kN·m，試驗值為214 kN·m.按規(guī)范公式計算的鋼梁抗彎承載力比試驗值約小10%，說明規(guī)范公式偏于保守.試件破壞時，混凝土梁承受的扭矩與其抗扭承載力計算值相等，由于構(gòu)件的破壞始于鋼次梁受彎屈服，混凝土梁并未達到抗扭承載力的極限，并且，此次試驗并未考慮混凝土樓板，而是將其視為安全儲備，實際工程中，混凝土樓板對混凝土梁的抗扭承載力有提高作用，因而實際上混凝土梁的抗扭承載力大于其設計值.從試驗結(jié)果看，鋼梁與混凝土的節(jié)點錨固良好，能滿足結(jié)構(gòu)安全性能要求.

3.3位移量測結(jié)果

將在彈性段反復加載產(chǎn)生的虛位移減去，得到試件兩個加載點的荷載-位移曲線，見圖9.右加載點由于設備的原因沒有采集到下降段.由于左右兩測點在正式加載初期有不同的虛位移，導致兩測點在相同荷載下的位移存在偏差.但是，左右測點的荷載-位移曲線基本平行，位移隨荷載的發(fā)展規(guī)律基本上是一致的.試驗得到的峰值承載力與按規(guī)范計算的峰值承載力大致相等.試件達到峰值承載力后，荷載-位移曲線進入下降段，但是下降緩慢.

圖9　加載點荷載-位移曲線

圖10　節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

3.4節(jié)點延性

定義延性系數(shù)為μ=θp/θe，式中θe為彈性極限時鋼次梁的轉(zhuǎn)角，θp為塑性極限時鋼次梁的轉(zhuǎn)角[13].由試驗數(shù)據(jù)計算得θe為0.004 74，θp為0.024 25，μ為5.11.

4結(jié)論

1)試驗現(xiàn)象表明結(jié)構(gòu)破壞始于鋼次梁上翼緣受拉屈服，能充分發(fā)揮鋼次梁的強度.節(jié)點區(qū)域錨固良好，沒有發(fā)生拔出式破壞.

2)試驗承載力略大于承載力理論計算值，對混凝土構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)分別用規(guī)范公式計算承載力能滿足安全要求.結(jié)構(gòu)達到峰值承載力后，荷載-位移曲線緩慢下降，結(jié)構(gòu)具有一定的變形性能，破壞形式不是脆性破壞.

3)混凝土梁扭轉(zhuǎn)角在加載過程中緩慢增長，延性較好，荷載卸去后，混凝土梁轉(zhuǎn)角出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，混凝土梁在構(gòu)件破壞后仍有一定的恢復能力.

4)節(jié)點具有良好的延性，通過位移量測結(jié)果計算得出節(jié)點的延性系數(shù)為5.11.

5)根據(jù)歐洲規(guī)范3提出的無支撐框架梁柱節(jié)點類型的分類標準，對于本文采用的節(jié)點，其彎矩-轉(zhuǎn)角曲線斜率小于24且大于0.5，屬于半剛性節(jié)點.

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(編輯趙麗瑩)

Experimental study on the joint of concrete girder and inserted steel secondary beam

LING Yuhong1,CHEN Jianjia2,MA Hongwei3

(1.Architecture Design & Research Institute, South China University of Technology, 510641 Guangzhou, China;2.Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province, 510010 Guangzhou, China;3.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, 510641 Guangzhou, China)

Abstract:This paper investigates a new type of secondary beam through type concrete girder-steel secondary beam connection. In the core zone, the steel beam fully crosses through the concrete girder with an end plate welded at steel beam end. Static test was conducted on the 1/2 scale specimen to study the mechanical behavior and failure process of this type of joint during bending moments. Tests results indicate that the bending failure of steel secondary beam occurs, and the strength of steel secondary beam can be fully used. Test capacity value is slightly higher than theoretical calculation value. Steel beam was anchored well and no slippage failure occurred during load process. The specimen showed excellent deformation capability and ductility coefficient can reach 5.11.

Keywords:secondary beam-through-type beam-beam joint; experiment; bearing capacity; ductility coefficient; semi-rigid connection

中圖分類號:TU398

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0158-05

通信作者:馬宏偉，hwma@scut.edu.cn.

作者簡介:凌育洪(1969—)，男，教授級高工，碩士生導師.

收稿日期:2015-02-17.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.027