新型組合梁板連接中板的抗彎性能

孫林+黃輝輝+楊俊杰+傅劍平+黃宗明

摘要：在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于上部荷載較大或梁的跨度較大，使得梁的截面高度較高，通常會影響建筑的有效層高和建筑的總體高度。為了減小各層梁板結(jié)構(gòu)高度，有效增大各層凈高，提出了一種鋼箱梁嵌入現(xiàn)澆板的新型組合梁板連接方式。針對這種新型連接方式，對6個鋼箱梁混凝土板組合連接區(qū)域進行了板承受支座負(fù)彎矩的單調(diào)加載試驗，對比分析了采用鋼箱梁嵌入混凝土板組合樓蓋與傳統(tǒng)栓釘連接組合樓蓋中板抵抗支座負(fù)彎矩的性能差異；并利用ABAQUS對試件進行了有限元分析。試驗與有限元分析結(jié)果表明：采用鋼箱梁嵌入板連接組合方式，其混凝土板抵抗支座負(fù)彎矩的能力與傳統(tǒng)連接方式板抵抗支座負(fù)彎矩能力沒有明顯差異。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；嵌入式連接；抗彎性能；延性

中圖分類號：TU375.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）03003509

Abstract：In structural design of highrise buildings， due to large upper loads or span， the beam section height is large， which usually affects the effective story height and the total height of building. To reduce the height of beamslab structure and increase the clearance height of each floor effectively， a new connection method of composite beamslab structure with steelbox beam embedded was proposed. As for the new connection method， monotonic loading tests were carried out on composite connection area of six steelconcrete slabs with steelbox beam embedded， to study the negative moment resistant. The difference in negative moment resistant capacity between the concrete composite floor with steelbox beam embedded and the concrete composite floor with traditional stud connection was analyzed. The finite element analysis was carried out by using ABAQUS. Experimental results and finite element analysis show that， as for the connection method of composite beamslab with steelbox beam embedded， the negative moment resistant capacity of concrete slab has no significantly difference with the concrete slab with traditional stud connection.

Keywords：composite structure； embedded connection； flexural behavior； ductility

鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)以及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在建筑工程中應(yīng)用較為廣泛的鋼梁混凝土板組合樓蓋是一種常用的組合樓蓋形式，鋼梁和混凝土樓板之間設(shè)置抗剪連接件將二者連接成為一個整體而協(xié)同工作。

Viest [1]對栓釘抗剪連接件進行了研究，提出了栓釘?shù)目辜襞R界值。Slutter等[2]對完全抗剪連接的組合梁進行了研究，單獨對抗剪連接件進行了推出試驗，提出了鋼混凝土組合梁極限抗彎強度的計算方法。Johnson等[3]對部分抗剪連接的組合梁進行了試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果和前人研究的理論計算，提出了部分抗剪連接的組合梁的抗彎強度及其撓度的計算方法。Gattesco [4]開發(fā)了有限元程序?qū)︿摶炷两M合梁進行了有限元分析，用桿單元模擬栓釘剪力連接件的工作性能。Valente等[5]對鋼輕質(zhì)混凝土組合梁進行了試驗研究，主要研究了抗剪連接件的布置以及荷載分布對組合梁性能的影響。近年來，Pavlovic'等[6]對作為抗剪連接件的螺栓和栓釘進行了推出試驗研究和有限元分析，研究了抗剪連接件的受力性能。Zona等[7]針對箱型組合梁開發(fā)了考慮剪切滑移變形的組合梁單元，用以分析組合梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及屈曲問題。Hwang等[8]建立了用于模擬采用部分抗剪連接的后張法組合梁非線性行為的有限元模型。Pathirana等[910]對螺栓連接和栓釘連接的組合梁進行了組合梁的抗彎性能和抗剪連接件的推出試驗和有限元分析，研究參數(shù)有混凝土的強度、鋼材的屈服強度以及抗剪連接件的數(shù)量等。中國對鋼混凝土組合梁的研究起步較晚。李鐵強等[11]對采用彎筋作為剪力連接件的組合梁進行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，對國外規(guī)范采用簡化塑性方法設(shè)計組合梁的可行性進行了驗證。聶建國等[1216]對鋼混凝土組合梁的撓度和承載力計算進行了試驗和理論研究，考慮的因素有滑移效應(yīng)、抗剪連接程度和剪力滯后等。李國強等[17]提出了一種腹板嵌入式鋼混凝土組合梁，并對該梁的整體抗彎性能進行了研究，與現(xiàn)行規(guī)范中的采用栓釘作為剪力連接件的組合梁進行了對比分析。徐榮橋等[18]對部分抗剪連接組合梁撓度計算的不同方法進行了對比分析，針對現(xiàn)行規(guī)范中采用的折減剛度法所存在的問題，提出了部分抗剪連接組合梁撓度計算的改進折減剛度法。丁發(fā)興等[19]進行了3組栓釘剪力連接件推出試驗，研究栓釘直徑和栓釘屈服強度對試件受剪承載力的影響。薛鋮 [20]采用混凝土暗梁作為抗剪連接件，通過試驗及有限元數(shù)值模擬，研究了新型鋼混凝土組合梁的受力過程、破壞過程和組合梁組合作用的影響因素。童樂為等 [21]進行了鋼混凝土組合梁在負(fù)彎矩作用下的受力性能試驗，研究了H形鋼的腹板高厚比、抗剪連接栓釘數(shù)量等因素對組合梁受力性能的影響。劉奇順 [22]對栓釘連接件承載力和荷載滑移關(guān)系曲線的研究成果進行了統(tǒng)計歸納，得到了承載力和荷載滑移曲線的計算公式，并基于OpenSEES提出了用于鋼混凝土組合梁分析的雙層纖維梁模型。

為了減小建筑整體高度，采用了一種鋼箱梁嵌入混凝土板的新型連接方式，組合梁采用鋼板作為抗剪連接件，目前還沒有學(xué)者針對這種鋼箱梁嵌入式的連接方式進行研究。為探討鋼箱梁嵌入混凝土板這種新型連接方式的受力性能，筆者進行了該連接方式的現(xiàn)澆板在支座處的抗彎性能以及組合梁的抗彎性能的研究，本文主要針對現(xiàn)澆板在支座處的抗彎性能進行研究，通過試驗研究和有限元分析，對比分析采用鋼箱梁嵌入混凝土板的新型連接方式與傳統(tǒng)栓釘連接方式中板抵抗支座負(fù)彎矩能力的差異，以及兩類組合形式中板的延性。

1試驗研究

1.1試件介紹

實際結(jié)構(gòu)采用的梁板截面如圖1所示。

考慮實驗室的條件和研究目的，試驗混凝土現(xiàn)澆板的實際結(jié)構(gòu)板厚取為150 mm，試件的鋼箱梁根據(jù)梁的腹板剛度進行了縮尺。共設(shè)計了6個試件，試件的設(shè)計參數(shù)如表1所示。作為連接件的鋼板厚度為14 mm，鋼箱梁截面均采用125 mm×250 mm的矩形截面，壁厚為16 mm，所有試件混凝土板的鋼筋均采用直徑為6.5 mm的HRB600鋼筋。試件設(shè)計如圖2所示。

1.2材料參數(shù)

鋼筋和鋼板的材性試驗按《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）[23]的要求進行，在INSTRON試驗機上完成了拉伸性能試驗，得到直徑為6.5 mm的HRB600鋼筋和Q235B鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

1.3加載方案和測量方案

試件采用單調(diào)加載，裝置如圖3所示。試驗過程中采用力和位移混合控制的方法進行加載，前期采用力控制加載，荷載按照每級10 kN施加，當(dāng)試件達(dá)到承載力峰值后采用位移控制加載。

在混凝土板跨中的中間位置安裝百分表，測量跨中位移，在試驗過程中同步繪制出荷載位移曲線（PΔ曲線）。為了減小位移測量的誤差，在混凝土板的跨中邊緣位置對稱布置兩個百分表，根據(jù)這兩個百分表的測量數(shù)據(jù)，對荷載位移曲線進行修正，百分表安裝位置如圖4所示。

2試驗破壞現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象及破壞特征

試驗初始階段，首先在板底跨中或跨中附近出現(xiàn)裂縫，并向試件兩側(cè)面延伸。隨著荷載的增大，板底相繼出現(xiàn)多條貫通板底的裂縫，并向試件兩側(cè)面延伸。加載到后期，大部分試件斜裂縫斜向延伸至板頂和鋼箱梁接觸處。隨后，各個試件均以鋼筋拉斷或變形太大不能繼續(xù)承載而破壞。采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)比較接近，各試件的破壞形態(tài)如圖5所示。

2.2試驗結(jié)果及分析

2.2.1承載力和破壞形態(tài)分析試件的極限抗彎承載力和破壞形態(tài)以及根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[24]計算得到的抗彎承載力和抗剪承載力如表4，計算時不考慮鋼箱梁嵌入混凝土板的影響。

2.表中試件的抗彎承載能力和抗剪承載能力均換算為試驗加載點處對應(yīng)的荷載值。分析表4數(shù)據(jù)：由試件KW1與KW4的最終破壞彎矩可知，試驗中采用的鋼箱梁壁厚足夠，剛度足夠，在試驗過程中，能有效承受混凝土板受彎時受壓區(qū)混凝土傳遞的壓力；試件KW1、KW4與KW3以及KW5、KW7與KW8的最終破壞彎矩差別均在5%以內(nèi)，說明采用鋼箱梁嵌入式連接的試件，其抵抗支座負(fù)彎矩能力與栓釘連接的試件基本相同。

如表4所示，試件計算的抗剪承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗彎承載力，試驗過程中采用新型連接方式的板在支座處均出現(xiàn)了斜向裂縫。分析發(fā)現(xiàn)，由于鋼箱梁與混凝土板之間連接鋼板的存在阻礙了支座處板負(fù)彎曲垂直裂縫的開展，導(dǎo)致垂直裂縫旁斜裂縫沿著連接板邊緣穿過，形成斜向裂縫，該斜裂縫出現(xiàn)后并未引起承載力的降低。在試驗中，試件KW3因加載偏快使得試件的變形不大（撓度為跨度的15%），試件KW5混凝土強度偏高，延性變差（撓度小于跨度的15%）。其余試件在荷載峰值之后PΔ曲線均出現(xiàn)一段較大的位移平臺段，具有良好的變形能力（撓度均大于跨度的18%），表明新型連結(jié)方式和傳統(tǒng)連接方式的板均具有比較典型的彎曲破壞特征，因此，試件的破壞形態(tài)定義為斜截面彎曲破壞或正截面彎曲破壞。

2.2.2PΔ曲線對比分析試件的PΔ曲線如圖6所示。

1圖6表明：

1）試件KW1、KW3和KW4的峰值荷載基本相同，對應(yīng)混凝土板的抗支座負(fù)彎矩能力相同，說明采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板具有基本相同的抗彎承載力。加載前期，曲線走勢基本相同，3個試件的剛度差別不大。

2）對比試件KW1和KW4可知，在鋼箱梁中澆筑混凝土對試件抗支座負(fù)彎矩性能影響不大，同時表明鋼箱梁的壁厚足夠。但是，兩者的極限位移具有較大的差異，是因為試件KW1鋼箱梁內(nèi)未填充混凝土，鋼箱梁可以側(cè)向變形，增大了板的變形能力，試件KW4鋼箱梁中填充的混凝土阻礙了鋼箱梁的側(cè)向變形，從而使得其變形小于未填充混凝土的試件。試件KW1和KW4達(dá)到峰值荷載后荷載維持在一個穩(wěn)定水平，表現(xiàn)出良好的延性，最終試件因板底鋼筋拉斷而破壞。

3）對比試件KW1和KW5，試件的跨度相同，混凝土強度不同，KW5混凝土強度高，其承載力高，但是其極限位移小，延性差于KW1。

4）試件KW7和KW8曲線走勢基本一致，兩者的承載力基本相同，說明采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板具有基本相同的承載力，兩種連接方式均具有良好的延性。

3抗彎性能有限元分析

3.1模型介紹

為了分析試件的受力機理，建立有限元模型，對6個試件進行有限元分析，劃分單元后的模型如圖7所示。

鋼箱梁和混凝土采用實體單元C3D8模擬，作為抗剪連接件的大鋼板和小鋼板采用殼單元S4模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬。

2）鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)各部件之間的連接關(guān)系是：鋼筋網(wǎng)片和作為抗剪連接件的鋼板與混凝土采用embedded連接，鋼箱梁與混凝土板采用接觸連接，切向為了避免剛度矩陣的奇異，采用Penalty接觸屬性，法向采用Hard接觸屬性。對于栓釘連接的試件，有限元驗算結(jié)果表明上部不帶鋼箱梁的鋼筋混凝土板受力與上部帶鋼箱梁的結(jié)構(gòu)受力一致。因此，對于栓釘連接的試件，可以認(rèn)為上部的鋼箱梁的作用類似于加載梁，模型中不考慮栓釘?shù)淖饔茫瑯訉撓淞号c鋼筋混凝土板采用接觸連接。

3）鋼材和鋼筋采用材性試驗的數(shù)據(jù)，本構(gòu)模型采用等向強化模型，σε關(guān)系采用雙折線；混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型，混凝土受拉受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用規(guī)范的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3.2分析結(jié)果

3.2.1 PΔ曲線對比分析通過對鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到的PΔ曲線與試驗曲線如圖8。由圖8可知：有限元分析得到的構(gòu)件初始剛度和峰值承載力與試驗結(jié)果吻合良好；鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中的板與栓釘連接的組合結(jié)構(gòu)中的板具有基本相同的承載力和良好的延性；KW4模擬曲線上升段剛度偏大，原因是鋼箱梁內(nèi)填充的混凝土可能不密實，有限元模擬無法考慮混凝土不密實的情況。

3.2.2鋼箱梁受力分析試件KW1和KW7有限元模型中嵌入的鋼箱梁的應(yīng)力云圖如圖9所示，由于鋼箱梁側(cè)面承受混凝土的擠壓作用，鋼箱梁底板類似于壓彎構(gòu)件。混凝土板受彎時，受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁腹板壓力，使得鋼箱梁底板下側(cè)受拉，上側(cè)受壓，但拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均較小，壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，應(yīng)力均小于鋼箱梁的屈服強度。說明試驗鋼箱梁的壁厚足夠，能夠承擔(dān)混凝土板受彎時混凝土傳遞給鋼箱梁的壓力。

3.2.3混凝土板受力分析圖10給出了試件KW1、KW7、KW8混凝土的主拉應(yīng)變分布（沿板跨度方向取一排單元）。有限元分析的主拉應(yīng)變分布與試件裂縫分布現(xiàn)象一致，主拉應(yīng)變最大處對應(yīng)結(jié)構(gòu)開裂較為嚴(yán)重的地方。

3.2.4鋼筋應(yīng)力分析圖11給出了試件KW1峰值和極限狀態(tài)底部鋼筋網(wǎng)片的主應(yīng)力分布。峰值位移時，鋼筋的最大拉應(yīng)力略大于鋼筋的屈服強度，后期隨著荷載的加載，鋼筋進入強化階段，應(yīng)力不斷增大。對應(yīng)試驗的極限位移時，有限元模擬的鋼筋強度沒有達(dá)到極限強度。

3.2.5鋼箱梁壁厚與混凝土板厚以及鋼箱梁嵌入深度的關(guān)系分析由于鋼箱梁嵌入混凝土板，混凝土板受彎時受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁壓力，為了防止鋼箱梁腹板變形過大或屈曲，鋼箱梁應(yīng)保證一定的壁厚?；炷涟迨軓潟r受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁的壓力與混凝土板厚以及嵌入深度有關(guān)。

通過變化板的厚度以及鋼箱梁的壁厚來進行有限元分析，在變化板厚的過程中，鋼箱梁嵌入深度均取為板厚的一半。分析計算結(jié)果如圖12，其中t/h為鋼箱梁的壁厚與鋼箱梁高度之比。鋼箱梁壁厚與混凝土板厚和鋼箱梁嵌入混凝土板的深度有關(guān)。鋼箱梁在受力過程中未進入屈服狀態(tài)的厚度是安全厚度。以板厚為150 mm的試件為例，鋼箱梁的厚度t取為14 mm（t/h=0.056），鋼箱梁腹板依然未屈服，說明試件的壁厚16 mm是足夠安全的。

從圖12可知，在保持鋼箱梁嵌入混凝土板一半的前提下，鋼箱梁所需要的壁厚隨著混凝土板厚的增加而增加，雖然板厚120 mm和板厚150 mm所需的壁厚基本一致，但是鋼箱梁的應(yīng)力狀態(tài)不一致，板厚為150 mm情況下，鋼箱梁的應(yīng)力狀態(tài)更高，如圖13所示，兩者的壁厚均為12 mm。當(dāng)然，在考慮鋼箱梁壁厚時，同時應(yīng)考慮組合梁的抗彎強度要求。

4結(jié)論及工程設(shè)計建議

4.1結(jié)論

通過對鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)進行了試驗和有限元分析，得出以下結(jié)論：

1）在保證鋼箱梁腹板剛度的前提下，采用鋼箱梁嵌入式連接方式既能減小各層梁板結(jié)構(gòu)高度，有效增大各層凈高，又能保證與工程常用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)具有基本相同的抗支座負(fù)彎矩能力和良好的延性。

2）鋼箱梁嵌入式連接組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中的板具有基本一致的破壞形態(tài)。

3）鋼箱梁壁厚受混凝土板厚度和鋼箱梁嵌入混凝土板的深度以及鋼箱梁抗彎強度要求的影響。

4.2工程設(shè)計建議

根據(jù)研究成果，針對鋼箱梁嵌入式連接組合梁板結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提出以下設(shè)計建議：

1）在計算鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板的抗彎承載力時，可依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，不考慮鋼箱梁嵌入混凝土板的影響。

2）在進行鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計時，鋼箱梁的設(shè)計除了要滿足組合梁抗彎承載力要求，還需考慮混凝土板受壓區(qū)混凝土對鋼箱梁的擠壓作用，確保鋼箱梁腹板不發(fā)生過大變形或屈曲。

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[24] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Ministry of Housing and Urbanrural Development of the Peoples Republic of China. Code for design of concrete structure： GB500102010 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2010. （in Chinese）

[25] ABAQUS A. 6.13 Analysis users manual [M]. SIMULIA， Providence， IR， 2013.

（編輯胡英奎）