腹板開矩形洞口連續(xù)組合梁試驗研究與有限元分析

李龍起， 楊真真， 廖文遠

(1.許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000；2.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650224)

腹板開矩形洞口連續(xù)組合梁試驗研究與有限元分析

李龍起1， 楊真真1， 廖文遠2

(1.許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000；2.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650224)

為了探究腹板開單一矩形洞口連續(xù)組合梁的力學性能，對5根腹板開單洞口連續(xù)組合梁和1根腹板無洞連續(xù)組合梁試件進行了試驗加載和校準的有限元分析.研究了試件的承載能力、混凝土板和鋼梁的截面剪力分布特點等.試驗與分析結(jié)果顯示：腹板開洞使組合梁強度和剛度降低，試件承載力得到削弱；洞口長度范圍出現(xiàn)剪力重分布，其余段鋼梁和混凝土板的剪力分布與腹板無洞組合梁相同.試驗和有限元分析都表明我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》需要對腹板開洞組合梁的抗剪設計增加相關補充性規(guī)定.

連續(xù)組合梁；腹板開洞；矩形洞口；剪力重分布；受力性能

工程中為了方便水、電、暖和通信等管道設施的穿過，經(jīng)常在使用組合梁的建筑物上對組合梁的腹板上進行開洞，這樣可以達到降低層高，大大節(jié)約建設資金的目的[1-2].但是，腹板開洞之后往往會引起組合梁強度和剛度的降低，這在世界已經(jīng)成為共識，這也被國內(nèi)外的許多文獻資料所證實[3-8].目前，國內(nèi)外對腹板開洞梁的研究方向主要集中于簡支組合梁，而對腹板開單一矩形洞口連續(xù)組合梁的研究也是近幾年才能搜集到相關文獻[9].例如在國內(nèi)，王鵬、廖文遠等對分別位于正負彎矩區(qū)的腹板開洞的簡支組合梁受力性能進行了相關試驗研究[6-7]；顧祥林、陳濤等對簡支帶伸臂組合梁和簡支組合梁[8]洞口的受力特性進行了相關研究，并給出了計算腹板開洞組合梁極限承載力的理論計算公式；寇立亞、胡夏閩等[10]則是通過有限元方法，對腹板開洞簡支組合梁做了相關分析研究工作.國外研究者Darwin和Redwood，Clawson等人很早就進行了腹板開洞簡支組合梁的研究工作，并且編寫有專門的腹板開洞組合梁設計的相關標準規(guī)范以供設計之用[11-12].但是，直到目前，我國還仍未在《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中引入有關腹板開洞組合梁的相關條文，這也可能與腹板開洞組合梁在我國的研究資料相對缺乏有很大關系.對腹板開洞連續(xù)組合梁來說，國內(nèi)外對腹板開洞連續(xù)組合梁的研究進行的比較少，對其受力特性還了解不多.而與腹板開洞簡支組合梁相比，其是否會在受力和內(nèi)力重分布等方面擁有其自身特殊的受力性能還不得而知.因此，為了研究腹板開矩形洞口連續(xù)組合梁的受力性能，本文設計制作了6根腹板開矩形洞口連續(xù)組合梁試件，其中5根為腹板開洞連續(xù)組合梁，1根腹板無洞連續(xù)組合梁作為對比試件，對6根試件進行了試驗加載和有限元分析.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

5根腹板開洞連續(xù)組合梁試件的幾何參數(shù)以及試件設計參數(shù)分別見圖1和表1，另外1根腹板無洞組合梁試件幾何尺寸同開洞組合梁試件. 本次試驗的B1-B6共6根組合梁的鋼梁全部采用Q235B熱軋H型鋼，混凝土翼板的混凝土設計標號均采用C30商品混凝土，栓釘為單排布置.

圖1 連續(xù)組合梁試件幾何尺寸

試件編號洞口尺寸b0×h0/(mm)鋼梁尺寸hs×bf×tw×tf/(mm)洞口開設位置L0/(mm)混凝土板be/(mm)hc/(mm)配筋率/%橫向縱向B1無洞250×125×6×9—10001100.50.86B2400×150250×125×6×985010001100.50.86B3400×150250×125×6×985010001250.50.86B4400×150250×125×6×985010001450.50.86B5400×150250×125×6×985010001100.51.23B6400×150250×125×6×985010001100.51.44

注：L1，L2分別為第一跨、第二跨跨度，L0為洞口中心線到中支座的距離；hs為鋼梁高度，bf為翼緣寬度，tw為腹板厚度，tf為翼緣厚度.

1.2 試件加載與模型建立

試驗采用10 000 kN(1 000噸)微機控制電液伺服壓力試驗機進行兩點單調(diào)對稱集中加載，為了方便加載機進行荷載的施加，在試件加前對試驗機進行了適應性改造，同時為了觀察試件加載過程中的表面裂縫情況，在試件周圍搭設了腳手架.試件布置和加載照片如圖2所示.

圖2 組合梁試件加載示意圖

為了更精確地利用有限元軟件ANSYS對試件進行模擬分析，通過與試驗結(jié)果對比對有限元模型進行了校準.建立模型所使用的單元情況如下，對鋼梁腹板和翼緣分別采用PLANE42和SOLID45單元模擬,混凝土板則采用SOLID65單元進行模擬,鋼筋采用了LINK8單元模擬,用彈簧單元COMBIN39模擬栓釘.鋼材本構(gòu)關系采用實測拉伸數(shù)據(jù)輸入，混凝土采用Hognestad[13]建議的本構(gòu)關系模型采用實測數(shù)據(jù)輸入，栓釘采用Ollgaard[14]建議的荷載-滑移曲線，最終建立的有限元模型示意圖如圖3(a)所示,模擬計算后的腹板開洞組合梁的變形示意圖如圖3(b)所示.

2 試件極限承載力

6根連續(xù)組合梁試件極限承載力試驗與有限元結(jié)果對比如表2所示.從表中可以看出，組合梁腹板開洞后其極限承載力得到明顯降低，這是由于腹板洞口的存在使組合梁剛度削弱的緣故.另外還看出有限元計算結(jié)果與試件試驗結(jié)果吻合較好，這說明使用有限元模擬分析連續(xù)組合梁是合理的.

圖3 試件有限元模型與變形

試件編號洞口b0×h0/(mm)混凝土板bc/(mm)hc/(mm)配筋率/%橫向縱向極限荷載試驗/(kN)有限元/(kN)1無洞10001100.50.863733452400×15010001100.50.862872743400×15010001250.50.863052834400×15010001450.50.863153175400×15010001100.51.232902806400×15010001100.51.44295298

注：b0為洞口寬度,h0為洞口高度；bc為混凝土板寬度,hc為混凝土板高度.

六根連續(xù)組合梁試件極限承載力試驗與有限元結(jié)果對比如圖4所示.圖4給出了組合梁試件極限承載力的有限元與試驗結(jié)果比值分布.從圖中可以看出，有限元結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差在8%以內(nèi)，說明通過校準后的有限元計算結(jié)果能夠滿足工程精度要求.

3 試件剪力分布規(guī)律

3.1 試件洞口長度范圍截面剪力

腹板開洞組合梁洞口區(qū)域內(nèi)力分布如圖5所示.從圖中可以看出組合梁腹板開洞后洞口區(qū)域內(nèi)力比較復雜，變?yōu)槿纬o定，通過列平衡方程的方法已經(jīng)不能對內(nèi)力進行求解.

圖4 組合梁極限承載力有限元與試驗結(jié)果比值分布

圖5 組合梁洞口區(qū)域截面內(nèi)力示意圖

表3為通過有限元模擬計算出的該區(qū)域鋼梁和混凝土板承擔的剪力值.從表中可以看出，對腹板無洞連續(xù)組合梁來說，混凝土板承擔了截面總剪力的30%左右，鋼梁承擔了70%左右的剪力；對腹板開洞連續(xù)組合梁而言，洞口處混凝土板承擔的剪力達到了截面總剪力的85%～90%，鋼梁承擔的剪力只占到截面總剪力的10%～15%.從表中實測數(shù)據(jù)還可以看出，由于開洞使洞口抵抗剪力的材料減少，與腹板無洞組合梁相比,B2～B6腹板開洞梁洞口處混凝土板承擔的剪力增加，而鋼梁截面承擔的剪力則大幅減少.上述結(jié)果顯示,我國目前現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017-2003)[15]對組合梁只考慮鋼梁來承擔剪力的相關條文對腹板開洞組合梁是偏向于保守的.

表3 連續(xù)組合梁洞口處截面分擔的剪力

3.2 沿梁長度方向截面剪力分布

為測定組合梁各重要截面的應變情況，所試驗的6根連續(xù)組合梁試件雖然粘貼了一定數(shù)量的應變片，但是只能反映局部少量截面的應變變化情況.如果需要了解沿整個連續(xù)組合梁長度方向上應變的變化規(guī)律，單靠應變片量測定的話，就需要粘貼大量的應變片，這會給試驗帶來測量不便和耗費大量經(jīng)費的問題，并且在現(xiàn)有數(shù)值模擬計算已經(jīng)比較方便的條件下也顯得沒有必要.在驗證了有限元計算結(jié)果準確性的基礎上，本文使用校準后的有限元軟件ANSYS對組合梁試件進行了數(shù)值模擬計算并給出了腹板無洞組合梁B1和腹板開洞組合梁B2沿梁長度方向混凝土板和鋼梁截面的剪力分布并對其分布規(guī)律進行了探討.

圖6 試件B1混凝土板和鋼梁截面剪力分布

3.2.1 腹板無洞組合梁

圖6為腹板無洞連續(xù)組合梁試件B1的混凝土板和鋼梁在不同荷載階段沿梁長度方向的剪力分布圖，從中可以看出：

(1) 鋼梁承擔的剪力在整個加載過程中都比混凝土板承擔的剪力要大.以荷載達到1.00Pu為例，混凝土板承擔了22%～31%左右的截面總剪力，鋼梁則承擔了截面總剪力的68%～77%左右，這也與文獻[16]得到的結(jié)論相符合.

(2) 在相同加載步距下，混凝土板截面承擔的剪力增加幅度明顯要比鋼梁承擔的剪力增加幅度小得多.

(3) 混凝土板分擔的截面剪力隨荷載增加而增大，但增加速度最快的是在0.75Pu～1.00Pu段，相反鋼梁承擔的截面剪力在該段增加速度則相對較慢.從該圖中還可看出腹板無洞組合梁在兩組成部分之間存在豎向的剪力重分布現(xiàn)象.

3.2.2 腹板開洞組合梁

同樣，通過校準的有限元模擬計算出腹板開洞連續(xù)組合梁試件B2沿梁長度方向混凝土板和鋼梁在不同荷載階段的截面剪力分布，如圖7所示.從圖中可以看出：

圖7 試件B2混凝土板和鋼梁截面剪力分布

(1) 在相同荷載步距下，除洞口區(qū)梁端之外，混凝土板承擔的剪力增加幅度也明顯比鋼梁承擔的剪力增加幅度要??；在洞口段，混凝土板截面承擔的剪力隨著荷載的增加而不斷增大.相反，洞口處鋼梁截面所承擔的剪力隨荷載的增加其增長卻比較緩慢，這是因為由于挖去絕大部分承擔剪力的鋼梁腹板，這就限制了鋼梁承擔剪力的增加幅度.

(2) 在洞口梁端，鋼梁承擔的剪力在荷載的任意階段明顯比混凝土板承擔的剪力要大.以荷載達到1.00Pu為例，混凝土板大約承擔了截面總剪力的89%，而鋼梁則大約承擔力截面總剪力的12%.

(3) 在無洞口梁端，鋼梁承擔的剪力比混凝土板承擔的剪力要大.如當荷載達到1.00Pu時，第一跨左半跨混凝土板承擔了約33%的截面總剪力，鋼梁承擔了約67%的截面總剪力；第二跨左半跨混凝土板承擔了約30%的總剪力，而鋼梁則承擔了約70%的截面總剪力.

(4) 在0.75Pu～1.00Pu荷載段，洞口處鋼梁承擔的剪力幾乎沒有增加，而混凝土板所承擔的剪力則繼續(xù)增加.這是由于在此荷載階段，洞口區(qū)域四個角點區(qū)域由于應力集中出現(xiàn)屈服并逐漸形成四個彎矩塑性鉸(相當于一個剪力鉸)，引起豎向剪力重分布.

4 結(jié)論

通過對6根鋼-混凝土連續(xù)組合梁試件的單調(diào)對稱集中加載試驗和有限元分析，得出以下結(jié)論.

(1) 組合梁開洞會造成其洞口處截面剛度減小，承載力降低.

(2) 腹板開洞組合梁洞口處截面存在剪力重分布現(xiàn)象，同時說明我國《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》對組合梁抗剪的相關規(guī)定對腹板開洞組合梁則不再適用.

(3)對腹板開洞組合梁來說：在洞口處梁段，鋼梁截面承擔的剪力在整個加載過程中都比混凝土板截面承擔的剪力要大，而在無洞梁段，則恰恰相反.

(4)組合梁開洞會引起洞口處角點產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，可在洞口周圍增設加勁肋來進行補強.

[1] Young K.Ju,Sung-Chul Chun, Sang-Dae Kim. Flexural test of a composite beam using asymmetric steel section with web openings[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 2009,135:448-458.

[2] 聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究與應用[J].土木工程學報，1999，32(2):3-8.

[3] 李龍起，周東華，王 鵬.腹板開洞連續(xù)工字型鋼梁的撓度計算方法[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2013，15(3):48-53.

[4] 李龍起，廖文遠.腹板開洞連續(xù)組合梁洞口補強方法研究[J].低溫建筑技術，2013，35(9):63-65.

[5] 李龍起，周東華，廖文遠，等.腹板開洞鋼-混凝土連續(xù)組合梁承載力影響參數(shù)分析[J].昆明理工大學學報：自然科學版，2015，40(2):15-22.

[6] 廖文遠，周東華，李龍起，等.負彎矩作用下腹板開洞組合梁抗剪性能試驗研究[J].四川大學學報：工程科學版，2014，46(4):46-52.

[7] 王 鵬，周東華，王永慧，等.腹板開洞鋼-混凝土組合梁抗剪承載力試驗研究[J].工程力學，2013，30(3):297-305.

[8] Tao Chen, Xianglin Gu, Hua Li. Behavior of steel-concrete composite cantilever beams with web openings under negative moment[J]. International Journal of Steel Structures, 2011,11(1):39-49.

[9] 李龍起，周東華，廖文遠，等.腹板開洞鋼-混凝土連續(xù)組合梁受剪性能試驗研究[J].西南交通大學學報：自然科學版，2015，50(4): 648-655.

[10]寇立亞，胡夏閩.考慮混凝土板作用的腹板開洞鋼-混凝土組合梁承載力有限元分析[J].四川建筑科學研究，2012，38(6):65-69.

[11]Redwood Richard G, Poumbouras G. Analysis of composite beams with web openings[J]. Journal of Structure Engineering, 1984, 110(9):1949-1958.

[12]K F Chung, C H Liu, A C H Ko. Steel beams with large openings of various shapes and sizes: an empirical design method using a generalized moment-shear interaction curve[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2003, 59(9): 1177-1200.

[13]Hognestad E, Hanson N W. Concrete stress distribution in ultimate strength design[J]. ACI Journal, Proceedings,1995,52(4):455-479

[14]Ollgaard H G, Slutter R G,Fisher J D. Shear strength of stud connectors in lightweight and normal-weight concrete[J]. Engineering Journal of American of Steel Construction, 1971,8(2):55-64.

[15](GB50017-2003)鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[16]樊健生.鋼與混凝土連續(xù)組合梁性能及試驗研究[D].北京：清華大學，2003.

責任編輯：衛(wèi)世乾

Tests and Finite Element Analysis of Continuous Composite Beams with Rectangular Web Openings

LI Long-qi1, YANG Zhen-zhen1, LIAO Wen-yuan2

(1.SchoolofCivilEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China;2.KunmingUniversityofScienceandTechnology,FacultyofCivilEngineeringandMechanics,Kunming650224,China)

In order to know mechanical properties of continuous composite beams with single rectangular web opening, tests and finite element analysis of five continuous composite beams with single web opening and one continuous composite beams without any web opening were conducted. Their bearing capacity and shear force borne by sections of concrete slabs and steel beams were also studied. Results are that web openings reduced strength, stiffness and bearing capacity of continuous composite beams and that shear-force redistribution existed at openings of steel beams and concrete slabs but other parts shared the same distribution of shearing force as composite beams without web openings, suggesting that stipulations about shear design of composite beams with web openings should be added to the present China Design Code of Steel Structure.

continuous composite beam, web opening, rectangular opening, shear-force redistribution, mechanical properties

2015-04-18

國家自然科學基金(51268022)

李龍起(1986—)，男，山東濰坊人，講師，博士，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu).

1671-9824(2016)02-0119-06

TU375.1

A