部分包覆鋼-混凝土組合空腹梁受彎性能試驗研究*

楚留聲, 王帥起, 李 杰, 李青澤, 王狄龍

(1 鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001；2 同濟大學土木工程學院，上海 200092；3 上海杉達學院，上海 201209；4 浙江圣鑫建設有限公司，紹興 312300)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合空腹梁(簡稱PEC空腹梁)是一類新型裝配式鋼-混凝土組合梁,該梁是在空腹H型鋼板內翼緣間焊接鋼筋形成連桿,腹板間焊接鋼筋或角鋼形成拉結筋,并澆筑混凝土而形成的一種新型鋼混組合構件,整體構造簡單且能較大程度節(jié)省用鋼量。

PEC結構在性能和經(jīng)濟性等方面優(yōu)勢明顯。相比鋼結構,PEC結構具有更優(yōu)的承載力、剛度、延性、抗火性及耐腐蝕性。相比混凝土梁,PEC梁的承載力比相同尺寸的鋼筋混凝土梁高一倍以上[1]。目前,國內外對PEC梁的研究大都集中在實腹型梁。加拿大和歐洲等國已將PEC構件納入相關設計規(guī)范[2],并提出了矩形截面PEC梁抗彎剛度和承載力的計算方法。國內,陳以一等[3]、李杰等[4]、胡夏閩等[5]、梁炯豐等[6]也對矩形截面PEC梁抗彎性能進行了研究。相對于傳統(tǒng)PEC梁,PEC空腹梁腹部混凝土可一次澆筑成型,不需翻面,在保證構件施工質量的同時,能夠有效減少施工周期,且節(jié)省用鋼量,具有良好的經(jīng)濟效應。但目前關于PEC空腹梁的相關研究卻極少。

為此,本文通過四點彎曲試驗,對PEC空腹梁的受彎性能、延性、混凝土與型鋼應變、滑移等指標進行試驗研究,對比分析5種不同構造PEC空腹梁的優(yōu)劣,以對該類構件進行經(jīng)濟性優(yōu)化。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試件依據(jù)《部分包覆鋼-混凝土組合結構技術規(guī)程》(T/CECS 719—2020)[7]進行設計。共設計5種不同構造形式(鋼筋桁架、角鋼桁架、π型桁架、蜂窩、空腹)的PEC空腹梁,對應編號分別為B-1-r、B-2-a、B-3-π、B-4-c、B-5-o。鋼筋均采用HRB400,型鋼采用Q355B,混凝土強度等級為C30。各試件鋼框架立面圖及橫截面示意圖如圖1～5所示,腹部用混凝土填充。試件基本參數(shù)對比詳見表1。

圖1 試件B-1-r

圖2 試件B-2-a

圖3 試件B-3-π

圖4 試件B-4-c

圖5 試件B-5-o

1.2 材性試驗

在澆筑試件的過程中,預留標準立方體試塊,并將試塊和試件放在同等條件下養(yǎng)護,測得其立方體抗壓強度為51.61MPa。依據(jù)《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)[8],對不同厚度t的鋼材材料性能進行測定,得到其屈服強度fy、極限強度fu、彈性模量E的結果見表2。

表2 鋼材材料性能

1.3 加載裝置及測量內容

本試驗為四點彎曲試驗,采用同濟大學建筑結構試驗室2 000kN伺服加載系統(tǒng)進行加載。采用力與位移混合控制加載。力控制加載時,每級加載20kN(約0.05Pu,Pu為理論極限荷載),加載速度為20kN/min,達到預估極限承載力的50%后,以位移進行加載,每級加載5mm,加載速度為5mm/min,至試件破壞。試驗加載裝置簡圖及實際裝置圖如圖6所示。

圖6 裝置簡圖及實際裝置圖

試驗測量內容包括:1)試件跨中撓度;2)腹部混凝土與翼緣間的相對滑移;3)跨中截面混凝土、拉結筋、型鋼的應變;4)混凝土裂縫寬度。

位移計及應變片布置如圖7所示,位移計D1～D6用以測量跨中及四等分點處撓度;位移計D7～D12測量混凝土與翼緣間的相對滑移;位移計D13～D15測量加載后期跨中混凝土應變,以此結果驗證加載后期混凝土平截面假定。C1～C5為混凝土應變片,S1～S14為型鋼應變片,鋼筋的應變片預埋在試件內。

圖7 位移計及應變片布置圖

2 試驗現(xiàn)象

5個試件均為彎曲破壞,純彎段裂縫較多,裂縫寬度較大;剪跨段裂縫較少。由于鋼和混凝土的協(xié)同作用,混凝土未出現(xiàn)明顯的壓碎現(xiàn)象,鋼梁的整體穩(wěn)定性也得以增強。各試件整體延性均較好,跨中撓度為凈跨(l0)的1/50時,達到承載力極限狀態(tài)[9],此時承載力并未下降。進一步加載,蜂窩構造和空腹構造PEC空腹梁因腹板截面變化處出現(xiàn)應力集中,導致下翼緣突然斷裂。

2.1 試件B-1-r

圖8 試件 B-1-r純彎段破壞形態(tài)

2.2 試件B-2-a

圖9 試件B-2-a純彎段破壞形態(tài)

2.3 試件B-3-π

圖10 試件B-3-π純彎段破壞形態(tài)

2.4 試件B-4-c

2.5 試件B-5-o

圖12 試件B-5-o純彎段破壞形態(tài)

3 試驗結果與分析

3.1 跨中荷載-撓度曲線

試件跨中荷載-撓度曲線見圖13。可見,PEC空腹梁的受力狀態(tài)可以分為彈性階段、彈塑性階段。

圖13 試件跨中荷載-撓度曲線

(1)彈性階段:加載初期,除腹部混凝土初始裂縫外,各試件無新裂縫產(chǎn)生,試件處于彈性工作狀態(tài);隨著荷載的增大,腹部混凝土開裂,但由于鋼梁翼緣的約束作用,裂縫發(fā)展緩慢,剛度也未明顯下降,曲線基本呈線性變化。

(2)彈塑性階段:型鋼受拉翼緣屈服,腹部混凝土裂縫發(fā)展較快,剛度逐漸降低,跨中撓度的增加速率遠超荷載的增加速率,曲線呈非線性變化。

3.2 承載力分析

表3 特征點荷載

3.3 變形分析

本文采用延性系數(shù)μΔ[10-11]來衡量構件的延性性能,μΔ=Δu/Δy,其中Δu為極限位移,Δy為屈服位移。μΔ計算結果見表4。在破壞狀態(tài)下5個試件的撓度對比見圖14。

表4 試件延性系數(shù)

圖14 整體撓度對比

由表4可知,5個試件都表現(xiàn)出良好的延性,其中試件B-3-π延性最優(yōu),延性系數(shù)達12.64;試件B-4-c和試件B-5-o由于截面變化處集中應力的存在,延性系數(shù)略小。由圖14也可看出,破壞狀態(tài)時,試件B-3-π的撓度最大,達到l0/12;各試件1/4跨處和3/4跨處的撓度基本相同。

3.4 混凝土應變分析

3.5 型鋼應變分析

圖16 試件跨中截面型鋼應變

3.6 鋼-混凝土滑移分析

混凝土開裂都集中在截面下部,型鋼上翼緣與混凝土之間的滑移很小,主要對型鋼下翼緣與混凝土之間的滑移情況進行分析。達到承載力極限狀態(tài)時,各試件不同位置的滑移量見表5。

表5 試件不同位置的滑移量

由表5可得,PEC空腹梁中型鋼翼緣與混凝土的滑移在跨中較大,在支座處較小,原因是跨中附近裂縫較多,翼緣與混凝土之間的粘結作用遭到較大程度破壞,故而產(chǎn)生較大滑移。而支座處的裂縫較少,整體性較好,且支座處受到的縱向剪切力較小,導致其滑移要小于跨中。試件B-4-c及試件B-5-o整體性較前三種試件B-1-r、B-2-a、B-3-π差,整體滑移量偏大?？傮w上,加載過程中PEC空腹梁型鋼翼緣與內部混凝土之間的滑移量不大,對受彎承載力計算的影響可忽略不計。

4 結論

通過試驗觀察和測試數(shù)據(jù)分析,可以得到以下結論:

(1)除試件B-2-a開裂、屈服及極限荷載較小外,其余試件相差不大,但試件B-4-c、B-5-o在截面變化處易產(chǎn)生應力集中,致使加載過程中,下翼緣被拉斷,構造優(yōu)勢不明顯。5類PEC空腹梁均具有良好的延性和變形能力,其中,試件B-3-π延性優(yōu)勢最為明顯。

(2)按全截面塑性準則來計算PEC空腹梁的受彎承載力是可行的,理論值與試驗值誤差較小。

(3)達到極限狀態(tài)時,各試件型鋼受拉及受壓翼緣進入屈服狀態(tài),型鋼與混凝土沿高度方向均基本符合平截面假定。

(4)PEC空腹梁鋼翼緣與混凝土的相對滑移在跨中較大,支座處較小;試件B-4-c及B-5-o整體性較其他3種差,滑移量相對偏大。但整體上,加載過程中PEC空腹梁與內部混凝土之間的滑移量不大,對受彎承載力計算的影響可忽略不計。