內(nèi)置不同角鋼骨架的型鋼混凝土梁受力性能研究*

韓博文, 高華國,2,3, 尤季旺, 趙 暢, 王慶利

(1 遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，鞍山 114051；2 中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；3 中國地震局地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

0 引言

型鋼混凝土(steel reinforced concrete,SRC)結(jié)構(gòu)是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的一種重要形式,因其較好的承載能力、優(yōu)良的延性及耗能能力等因素,被廣泛應(yīng)用于大跨重載結(jié)構(gòu)和高層乃至超高層建筑中[1-3]。但正因?yàn)獒槍π弯摶炷两M合結(jié)構(gòu)的研究日趨成熟,提出新的型鋼和混凝土的組合形式以達(dá)到更高的承載力要求也成為目前研究的主要方向。

通過結(jié)合型鋼及混凝土兩種材料的優(yōu)勢,眾多國內(nèi)外學(xué)者開展了大量型鋼混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)研究。其中楊勇[4-6]提出部分預(yù)制型鋼混凝土梁,分別進(jìn)行了7組梁受彎性能和17組梁受剪性能靜力試驗(yàn),結(jié)果表明該試件的現(xiàn)澆和部預(yù)制分能夠很好地協(xié)同工作;張令心[7]將型鋼混凝土根據(jù)核心區(qū)混凝土的約束效應(yīng)分為三個(gè)區(qū)域,并給出了基于柔度法的有限元模型。童樂為[8]開展了型鋼混凝土梁在低周往復(fù)荷載作用下的疲勞試驗(yàn),并提出應(yīng)力幅-疲勞壽命曲線;蘇益聲[9]提出一種蜂窩式的型鋼組合梁,并對其靜載受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,探究了這種新型構(gòu)件截面對抗彎剛度及承載力的影響;朱筱俊[10]針對H型鋼混凝土梁開展了受扭性能試驗(yàn),結(jié)果表明型鋼在試件開裂后對裂縫的發(fā)展起到了良好的控制作用;上述研究多為探究型鋼的不同構(gòu)造對組合梁受力性能的影響,型鋼混凝土梁在其他影響因素作用下,也可能產(chǎn)生不同的受力性能,用于多種實(shí)際建筑工程中。

為了研究型鋼混凝土的更多可能性,王連廣[11-12]分別設(shè)計(jì)了兩組空腹式型鋼混凝土梁進(jìn)行受彎試驗(yàn),其中一組為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力SRC梁和一組非預(yù)應(yīng)力SRC梁,結(jié)果表明施加預(yù)應(yīng)力的構(gòu)件裂縫出現(xiàn)較為滯后,且后續(xù)發(fā)展緩慢;陳宗平等[13-14]提出一種高溫型鋼-再生混凝土組合梁,分析了溫度等變化因素對組合梁自身力學(xué)性能的直接影響,并通過推導(dǎo)得到相應(yīng)的最大極限承載力的計(jì)算公式;Alhozaimy[15-16]研究了不同氧濃度對不同定義條件下混凝土中嵌入的鋼筋的被動膜形成和腐蝕的時(shí)間依賴性影響;代金亮[17]設(shè)計(jì)了一種空間鋼骨架-混凝土梁并針對其受彎性能開展一系列對比試驗(yàn);王兵等[18-19]采用有限元軟件建立了高溫后型鋼再生混凝土梁受彎的有限元模型,并對其破壞模態(tài)進(jìn)行機(jī)理分析。

據(jù)此筆者提出四種新型內(nèi)置不同角鋼骨架的型鋼混凝土梁(steel reinforced concrete beam with built-in different angle steel framework,簡稱ARCB)?？紤]到ARCB中空間角鋼骨架與混凝土之間的滑移問題,在角鋼上設(shè)置一定數(shù)量的鉆尾螺栓作抗剪連接件,使混凝土與角鋼骨架能夠良好的協(xié)同工作。為了進(jìn)一步減少ARCB的自重,ARCB的空間骨架中部減少綴板連接件和箍筋的數(shù)量,形成一種空腹式空間角鋼骨架。

由于ARCB與普通鋼筋混凝土梁(SRCB)相比,用角鋼代替受壓區(qū)和受拉區(qū)鋼筋、用型鋼綴板代替箍筋致使組合結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和角鋼不同的放置位置、放置方式的問題,故需要對其相應(yīng)的破壞機(jī)理以及承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究。ARCB中由于鋼筋骨架中部未設(shè)置綴板連接件和箍筋,會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的承載能力,因此需要對其受力性能進(jìn)行深入研究?；诖?課題組設(shè)計(jì)四種不同的ARCB試件對梁的受力性能開展試驗(yàn)研究,并提出相應(yīng)的剛度及承載力計(jì)算方法。本文中介紹四種ARCB試件的理論計(jì)算、試驗(yàn)研究以及有限元模擬結(jié)果,以期為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10個(gè)試件,包括5種截面類型的梁,不同截面類型的梁依據(jù)fy(拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值)×As(鋼筋截面面積)值相等進(jìn)行配筋。10個(gè)試件均為2800mm×200mm×300mm的矩形截面梁,其保護(hù)層的厚度為30mm。各試件中的角鋼和綴條均采用Q235軋制型鋼,其中ARCB-3和ARCB-4構(gòu)件中的角鋼與綴板均通過焊接連接。試驗(yàn)組RCB-0、ARCB-1、ARCB-2中的縱筋為直徑14mm的HRB335級鋼筋,箍筋為直徑8mm的HPB300級鋼筋。為避免鋼骨架與混凝土之間產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象,使鋼骨架與混凝土協(xié)同工作,制作試件時(shí)在角鋼雙肢每隔一組箍筋(綴條)設(shè)置一組六角鉆尾螺栓12#×30以作抗剪連接件的作用,如圖1所示。各試件的截面形式及尺寸見圖2。

圖1 抗剪連接件

圖2 截面尺寸

所有試件均采用同一類型的型鋼和混凝土,其中混凝土的強(qiáng)度等級為C30,制作試件的同時(shí)預(yù)制8個(gè)混凝土立方體試塊,并與試驗(yàn)梁在相同環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),經(jīng)過28d后對試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),混凝土實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度分別為33、31、30、28、32、27、32、30MPa,其余試件參數(shù)見表1、2。

表2 鋼材拉拔件實(shí)測參數(shù)平均值

1.2 加載裝置及加載方案

試驗(yàn)采用50t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)在梁試件跨中通過分配梁施加集中力荷載,采用逐級加載的加載制度,每5kN作為一個(gè)等級。為避免在加載過程中受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生局部破壞,同時(shí),在兩個(gè)加載點(diǎn)下分別放置一塊130mm×80mm×7mm的Q235鋼板做墊片。通過XL2101B6靜態(tài)應(yīng)變儀采集鋼筋、角鋼、混凝土的應(yīng)變和試件的豎向荷載、位移。當(dāng)試件受拉區(qū)形成貫通裂縫、試驗(yàn)機(jī)自動卸載或跨中撓度超限時(shí),即認(rèn)為試件已破壞。

2 ARCB梁受彎性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)分析

從整個(gè)試驗(yàn)過程來看,各個(gè)試件均表現(xiàn)為明顯的正截面彎曲破壞,試件的破壞形式如圖3所示。

圖3 試件破壞形式

對于RCB構(gòu)件,在加載過程中梁底部跨中受拉區(qū)混凝土率先達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度退出工作,繼續(xù)加載,受拉區(qū)的縱向受力鋼筋逐漸進(jìn)入屈服狀態(tài),隨后受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度。試件ARCB的加載過程中,試件底部跨中受拉區(qū)混凝土首先達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度,該過程相較于RCB構(gòu)件所用的時(shí)間有所延長,隨后開始逐漸發(fā)生裂縫,5組試驗(yàn)梁均發(fā)生彎曲破壞。

2.2 荷載-撓度曲線及破壞機(jī)理分析

從試件的破壞形態(tài)上看,ARCB與RCB試件表現(xiàn)出相似的受力過程,試件跨中位置的荷載-撓度曲線見圖4。在加載初期曲線為直線段,試件達(dá)到開裂荷載前始終處于彈性工作階段,隨后圖中曲線進(jìn)入曲線段,試件開始進(jìn)入彈塑性階段,但這一階段的持續(xù)時(shí)間較短,當(dāng)受拉區(qū)的鋼材達(dá)到屈服應(yīng)力后,試件抗拉能力急劇下降,撓度增長速度加快,剛度隨之減小,最后試件達(dá)到極限荷載發(fā)生破壞。

圖4 荷載-撓度曲線

對比5組試件得出,在同等力的效應(yīng)作用下內(nèi)置角鋼空間骨架的型鋼混凝土梁具有較大的剛度,型鋼與混凝土協(xié)同作用效果更好;角鋼肢尖相對比肢背相對的布置方式對混凝土的約束更強(qiáng);肢尖相對布置的空間角鋼骨架對核心區(qū)混凝土的約束作用更為良好。

對比四組ARCB試件可知,相同Asfy值的試件,由綴條代替箍筋對核心混凝土的約束效應(yīng)更好,其承載力和剛度的提升效果也較為明顯。達(dá)到峰值荷載時(shí)ARCB試件仍能夠維持較高的承載能力和變形能力。各個(gè)構(gòu)件的極限荷載及破壞形態(tài)見表3。

表3 試件極限荷載及破壞形態(tài)

由表3可知,所有不同布置形式的ARCB試件均在一定程度上提高了自身極限荷載。其中類工字形角鋼骨架所在的試驗(yàn)組4極限荷載較RCB-0構(gòu)件提升約21.5%;ARCB-1試件極限荷載增幅25%,而對核心區(qū)混凝土約束效應(yīng)最強(qiáng)的ARCB-3構(gòu)件其極限承載力相較于ARCB-1構(gòu)件提升了8.5%。

2.3 裂縫形態(tài)分析

各試件的裂縫形態(tài)如圖5所示。由于本試驗(yàn)為了避免加載過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,采用分配梁進(jìn)行加載,裂縫基本先發(fā)生在純彎段,隨著加載繼續(xù)進(jìn)行,純彎段裂縫不斷增加隨后趨于穩(wěn)定,剪跨段逐漸由細(xì)小裂紋發(fā)展為指向加載點(diǎn)的斜裂縫,直至構(gòu)件破壞。

根據(jù)圖5對比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)組3的裂縫寬度比類工字形的角鋼骨架所在的試驗(yàn)組4更均勻;ARCB-2和ARCB-3兩組試件產(chǎn)生的裂縫寬度較小,說明角鋼肢尖相對布置的試件抗裂性能相較于其他試件較好,且剪跨段裂縫較少,基本為純彎曲破壞。

2.4 M-Ф關(guān)系曲線

曲率Ф計(jì)算簡圖如圖6,其幾何關(guān)系公式為:

圖6 曲率計(jì)算簡圖

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(1)得出各個(gè)試驗(yàn)梁的曲率值,并繪制彎矩曲率(M-Φ)曲線,見圖7。由圖7可知,加載前期曲線整體呈線性變化,直至受拉區(qū)混凝土達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度發(fā)生裂縫,中和軸上移,試件的剛度開始降低,隨后受拉區(qū)角鋼進(jìn)入屈服階段,彎矩增幅緩慢而曲率增長速度加快,曲線逐漸趨于水平。ARCB-2試件和ARCB-3試件因其角鋼布置方式為肢尖相對,在M-Ф曲線中與水平坐標(biāo)軸圍成的面積普遍大于其余組試件,延性較好;對比ARCB-1、ARCB-4試件和ARCB-2、ARCB-3試件可知,由于綴條比箍筋與混凝土的接觸面積更大,對試件核心區(qū)混凝土的約束效應(yīng)更強(qiáng);受拉區(qū)和受壓區(qū)同時(shí)布置角鋼時(shí)延性更好。

圖7 M-Ф關(guān)系曲線

2.5 應(yīng)變分析

2.5.1 混凝土截面應(yīng)變分析

試驗(yàn)通過XL2101B6靜態(tài)應(yīng)變儀采集混凝土梁跨中40、150、260mm三種不同截面高度的應(yīng)變,圖8為跨中截面應(yīng)變分布圖,通過觀察不同荷載下純彎段混凝土應(yīng)變隨截面高度的變化規(guī)律可知:各構(gòu)件混凝土截面應(yīng)變基本符合平截面假定。

圖8 跨中截面應(yīng)變分布

2.5.2 鋼筋及角鋼應(yīng)變分析

提取編號為1的試件中受拉區(qū)跨中鋼筋/角鋼水平一肢的應(yīng)變,繪制試驗(yàn)荷載與角鋼應(yīng)變關(guān)系曲線,如圖9所示。相同荷載下,RCB試件中鋼筋的應(yīng)變值比ARCB試件中角鋼的應(yīng)變值大很多,其中,受拉區(qū)和受壓區(qū)均布置角鋼且肢尖相對布置的試件ARCB-3的承載力更高,其極限荷載較RCB試件提升約46%,較受壓區(qū)布置受力鋼筋、受壓區(qū)角鋼肢尖相對布置的試件ARCB-2提升約12%,較受壓區(qū)受拉區(qū)同時(shí)布置角鋼但肢背相對的試件ARCB-4提升約7%。相同荷載作用下的應(yīng)變比RCB試件減小了95.2%。

圖9 荷載-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)束后,從采集到的角鋼上所布置的應(yīng)變片的數(shù)據(jù)可以看出,純彎段受力鋼筋和角鋼在破壞時(shí)均已達(dá)到屈服狀態(tài);將試驗(yàn)梁進(jìn)行切割后發(fā)現(xiàn)空間鋼骨架與混凝土之間并未存在明顯的滑移痕跡,這也進(jìn)一步說明ARCB構(gòu)件具有良好的整體性。

3 有限元模擬

3.1 單元選取及材料本構(gòu)

混凝土梁構(gòu)件、角鋼、綴條、剛性墊片均采用實(shí)體單元(C3D8R),梁中受力鋼筋、箍筋均采用桁架單元(T3D2)?；炷恋谋緲?gòu)模型采用ABAQUS中自帶的CDP模型,受力鋼筋、角鋼和箍筋均采用理想彈塑性模型,材料參數(shù)見表4、5。

表4 鋼材材料參數(shù)

表5 混凝土材料參數(shù)

3.2 邊界條件及加載方式

為了模擬簡支梁真實(shí)的受力情況,在梁底部梁端分別綁定80mm×130mm×7mm的剛性墊片,限制一側(cè)剛性墊片X、Y、Z向的平移自由度和另一側(cè)剛性墊片X、Y向的平移自由度。空間鋼骨架通過綁定(Tie)連接并內(nèi)置于混凝土構(gòu)件中,保護(hù)層厚度為30mm。梁頂部剛性墊片按照試驗(yàn)中剪跨比為3的分配梁位置進(jìn)行布置,與混凝土梁通過綁定命令連接,在剛性墊片上表面的中心設(shè)置兩個(gè)參考點(diǎn)RP-1和RP-2,分別與墊片上表面耦合,在兩個(gè)參考點(diǎn)施加Y軸負(fù)方向的位移荷載。

3.3 網(wǎng)格劃分

按照內(nèi)置角鋼空間骨架的型鋼混凝土梁的構(gòu)造特點(diǎn)和具體尺寸,對于網(wǎng)格尺寸,混凝土單元選用50mm,角鋼、綴條、受力鋼筋和箍筋均選用30mm,剛性墊片選用50mm。試驗(yàn)梁的網(wǎng)格劃分如圖10所示。

圖10 網(wǎng)格劃分示意

3.4 模擬曲線結(jié)果

圖11(a)～(e)為全部試件的試驗(yàn)和模擬結(jié)果曲線對比,總體來看,兩者的吻合情況較好,在加載初期的彈性階段范圍內(nèi),兩者的曲線斜率幾乎一致,說明有限元模擬很好地預(yù)測了試件彈性范圍內(nèi)的剛度變化。圖11(f)為5組試件有限元模擬匯總,從圖中可以看出,在荷載達(dá)到20kN時(shí),5組試件的斜率均發(fā)生一定變化,說明試件在該位置處發(fā)生剛度折減。圖12為試件ARCB-3的剛度折減點(diǎn)應(yīng)力云圖,可以表征剛度折減時(shí)刻構(gòu)件的細(xì)觀應(yīng)力狀態(tài),該時(shí)刻的撓度為1.02mm,此時(shí)受拉區(qū)混凝土已經(jīng)達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度開始進(jìn)入下降段,應(yīng)力為1.66MPa,該時(shí)刻角鋼應(yīng)力為98MPa,未達(dá)到其屈服應(yīng)力,試件仍處于線彈性階段;當(dāng)撓度達(dá)到5.1mm時(shí)角鋼達(dá)到屈服應(yīng)力,此時(shí)荷載達(dá)到極限荷載的45%;繼續(xù)加載,試件撓度增長速度加快而承載力提升速率變緩,直至角鋼達(dá)到極限應(yīng)力的96%時(shí),試件開始發(fā)生破壞,退出工作。

圖11 模擬曲線對比

圖12 剛度折減點(diǎn)應(yīng)力云圖

3.5 破壞模態(tài)

以前文中總體性能較好的ARCB-3試件為例,圖13中(a)為其有限元模擬的破壞形態(tài),圖(b)為ARCB-3-2試件的試驗(yàn)照片。兩者變形規(guī)律基本一致且都為彎曲破壞,跨中受拉區(qū)純彎段破壞較為明顯,表現(xiàn)為多條貫通裂縫以及大量均勻微小裂縫,模擬結(jié)果與試驗(yàn)較為一致。

圖13 混凝土損傷

圖14為ARCB-3鋼-混凝土組合梁撓度分布曲線。給出了ARCB-3試件有限元模型在不同受力階段下的撓度沿梁全跨方向的分布狀態(tài)(L為試件的跨度),從圖中可以看出,型鋼-混凝土組合梁的撓曲變形大致基于組合梁跨中點(diǎn)呈對稱分布。

圖14 撓度分布曲線

3.6 參數(shù)分析

為探究內(nèi)置角鋼空間骨架的型鋼混凝土梁受力性能的影響因素,通過有限元模擬對其進(jìn)行參數(shù)化分析,結(jié)果見圖15,其中圖15(a)、(c)以試驗(yàn)中承載力較好的ARCB-3試件展開分析,圖15(b)對四組新型角鋼骨架試件梁進(jìn)行分析,圖15(d)以帶有受力鋼筋骨架且承載力較好的試件ARCB-2為分析對象。

圖15 不同參數(shù)下試件對比分析

圖15(a)中混凝土強(qiáng)度等級分別為30、40、50、60MPa,分別提取40、60、80、100kN荷載下其撓度情況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)加載前期各試件撓度基本相同,在接近構(gòu)件極限荷載的100kN狀態(tài)下時(shí)強(qiáng)度等級為C60的試件撓度比試驗(yàn)試件小33.3%,說明增大混凝土強(qiáng)度可是提升試件的剛度和抗彎性能;圖15(b)中角鋼強(qiáng)度等級為Q235～Q345,角鋼強(qiáng)度等級的提高直接影響到試件承載力的大小,其中試件組ARCB2極限荷載提升最為明顯,約11.1%,極限荷載提升幅度最小的試件組ARCB4也提升了7.3%;圖15(c)中分析了不同剪跨比的影響,在一定范圍內(nèi),試件的極限承載力會隨著λ的增大而減小;圖15(d)以帶有受力鋼筋骨架且承載力較好的試件ARCB-2為分析對象,鋼筋強(qiáng)度等級分別為HRB335、HRB400和HRB500,加載前期撓度幾乎一致,鋼筋進(jìn)入屈服階段后鋼筋強(qiáng)度等級越高的試件變形越小,加載后期撓度基本一致,說明提升鋼筋強(qiáng)度等級對試件在一定荷載狀態(tài)下抵抗變形能力有所助益。

4 正截面承載力及剛度計(jì)算

4.1 基本假定

1)型鋼骨架與混凝土在試件破壞前協(xié)同工作;2)試件截面應(yīng)變符合平截面假定;3)鋼材的本構(gòu)關(guān)系選用理想彈塑性模型,取極限拉應(yīng)變?yōu)?.01;4)混凝土本構(gòu)關(guān)系根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[20]選用。

4.2 正截面承載力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范采用等效矩形應(yīng)力圖代替實(shí)際受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖,如圖16所示。

圖16 等效矩形應(yīng)力圖

對受拉區(qū)角鋼重心所在直線取矩Mu:

表6 理論值Mu與試驗(yàn)值對比

4.3 剛度計(jì)算

計(jì)算時(shí),首先將角鋼視為普通鋼筋,如圖17所示,得出受拉區(qū)角鋼平均應(yīng)力σsk的計(jì)算公式:

圖17 截面應(yīng)力圖

式中:Mk為截面彎矩標(biāo)準(zhǔn)值;As為受拉區(qū)角鋼截面積;η為內(nèi)力臂系數(shù)。

受拉區(qū)角鋼的平均應(yīng)變εsk為:

式中Es為角鋼彈性模量。

設(shè)不均勻系數(shù)為λ,則可推出角鋼的平均應(yīng)變εsa為:

對受拉區(qū)角鋼重心所在直線取矩:

(6)

式中:ξ為相對受壓區(qū)高度;εcm為受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變;E0為初始彈性模量。

式中:ρ和ρ′分別為受拉區(qū)和受壓區(qū)角鋼的含鋼率;Ec為混凝土的彈性模量;ζ為修正系數(shù),其余參數(shù)含義見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)。

截面短期抗彎剛度Bs可表示為:

結(jié)合文獻(xiàn)[17,21]做出部分修改:

即可得出截面短期抗彎剛度Bs:

通過圖乘法求得跨中撓度計(jì)算值f與試驗(yàn)值f′(選用每組編號為1的試件),對比如表7所示。

表7 計(jì)算值f與試驗(yàn)值f′對比

5 結(jié)論

(1)在相同力的效應(yīng)作用下,ARCB試件的承載力較RCB有明顯的提高,不只是承載力的簡單疊加,極限承載力的提升幅度均在24%以上。

(2)角鋼布置形式和布置位置能夠影響梁的抗彎性能。對核心區(qū)混凝土約束效應(yīng)最強(qiáng)的ARCB-3試件,其極限承載力相較于ARCB-1試件提升了8.5%,而ARCB-1試件比RCB試件極限承載力提升25%。

(3)內(nèi)置角鋼空間骨架的型鋼混凝土梁其延性較普通鋼筋混凝土梁效果更好。在受拉區(qū)和受壓區(qū)同時(shí)布置角鋼時(shí)延性更好。

(4)增大混凝土強(qiáng)度、角鋼強(qiáng)度和受力鋼筋強(qiáng)度均對內(nèi)置角鋼空間骨架的型鋼混凝土梁有一定積極影響;在一定范圍內(nèi),試件的極限承載力會隨著剪跨比的增大而減小。