摘要:對12個(gè)不同預(yù)留孔形、孔內(nèi)不同填充材料的推出試件及2根不同預(yù)留孔形的完全剪力連接與1根部分剪力連接的鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明,只要預(yù)留孔形設(shè)計(jì)合理,灌孔混凝土強(qiáng)度得當(dāng),鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁就具有良好的組合效應(yīng)和整體工作性能,是一種有發(fā)展前途和廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的新型組合結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞:鋼- 混凝土組合梁;鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁;栓釘;組合效應(yīng)
中圖分類號: TU375. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
目前,在我國工程中應(yīng)用的組合梁多為在鋼梁上現(xiàn)澆混凝土板,兩者之間通過剪力連接件而共同工作形成的組合結(jié)構(gòu)。在一些對工期與施工現(xiàn)場作業(yè)條件受限制的橋梁、房屋新建、改造和搶修的工程中,普通的鋼筋混凝土組合梁遇到現(xiàn)場濕作業(yè)多、支模量大和施工周期長的局限,如果能設(shè)計(jì)出將鋼梁與預(yù)制板直接結(jié)合的組合梁,則能取得快速施工、預(yù)制裝配的優(yōu)勢。這種結(jié)構(gòu)是將鋼縱梁與鋼橫梁形成施工單元,預(yù)制板預(yù)留孔與焊在鋼梁上的栓釘對齊就位后,在預(yù)制板栓釘預(yù)留孔洞內(nèi)及板與板之間的槽內(nèi)澆灌比預(yù)制板高一定強(qiáng)度等級的混凝土,當(dāng)孔內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后,鋼梁與混凝土預(yù)制板連成整體而形成鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很明顯:主要的受力部件在工廠制造,機(jī)械化程度高,專業(yè)技術(shù)熟練,因而構(gòu)件的質(zhì)量高;預(yù)制構(gòu)件的模板可以重復(fù)使用,現(xiàn)場要澆筑面層時(shí),可以利用預(yù)制構(gòu)件做腳手架和模板,比整體式結(jié)構(gòu)省工省料,并且能夠縮短工期;由于這是一種新型的組合梁結(jié)構(gòu),在國內(nèi)外規(guī)范與規(guī)程中關(guān)于這樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條文很少,給鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的推廣應(yīng)用造成一定的困難,為促進(jìn)這種新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展,本文擬從以下幾方面對其進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析:
(1) 通過12個(gè)以不同孔形、孔內(nèi)不同填充材料和栓釘?shù)牟贾梦恢脼樽兞康念A(yù)制板后灌孔栓釘剪力鍵推出試驗(yàn),獲取這種結(jié)構(gòu)栓釘?shù)墓ぷ餍阅堋?/P>
(2) 以3根不同孔形、剪力連接度預(yù)制板后灌孔組合梁的試驗(yàn),探討這種梁的組合效應(yīng)與整體工作性能。同時(shí)建立在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)行《規(guī)范》有關(guān)組合梁承載力、變形計(jì)算公式,提出對符合上述條件鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁設(shè)計(jì)的修正公式。
1 預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的試驗(yàn)研究
剪力連接件不僅傳遞鋼梁與混凝土板之間的縱向剪力、同時(shí)還要抵抗混凝土板與鋼梁之間的掀起作用,是保證鋼梁與混凝土翼緣共同工作的關(guān)鍵元件。為獲取預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的極限承載力、試驗(yàn)分析不同的預(yù)留孔形對栓釘?shù)某休d力與滑移的影響、分析預(yù)留孔內(nèi)不同的填充材料對栓釘極限承載力與滑移的影響。本論文設(shè)計(jì)了12個(gè)預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的推出試件,具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見文獻(xiàn)[ 1 ] ,所有推出試件加載時(shí),在2混凝土塊下墊細(xì)石英砂,采用連續(xù)加載的加載模式,試驗(yàn)加壓時(shí)用同一傳感器保證軸心加載,在短工字鋼與混凝土塊的2對側(cè)設(shè)置4個(gè)百分表觀測加載過程中兩者之間的滑移,具體加載裝置見圖1。
主要的試驗(yàn)結(jié)果與荷載- 滑移曲線參考文獻(xiàn)[ 1 ] ,通過對預(yù)制板后灌孔栓釘連接件采用(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017 - 2003) )中栓釘設(shè)計(jì)公式(Ncv = 0. 43As
)計(jì)算得理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比分析。獲得兩者關(guān)系見表1 (編號、參數(shù)見文獻(xiàn)[ 1 ] ) :
在對比同批現(xiàn)澆推出試件T - 6的試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,上表顯示預(yù)制板后灌孔栓釘連接件有良好的極限承載能力。所有試件均為栓釘剪斷破壞,栓釘?shù)钠茐奶卣饕妶D2,單個(gè)栓釘連接件的承載力實(shí)際由0. 7Asγ f值來控制,而且其極限承載力主要與孔內(nèi)填充混凝土的強(qiáng)度有關(guān),孔內(nèi)強(qiáng)度高則栓釘?shù)臉O限承載力要高,且滑移效果相對要好[ 1 ] 。
考慮荷載- 滑移關(guān)系也是反映栓釘承載能力和變形性能的一個(gè)重要的物理量,也是組合梁界面上滑移分布規(guī)律不可以缺少的試驗(yàn)依據(jù),所有的推出試件在荷載P = 140 kN ( P = 0. 65Pu )大約是以下時(shí)P - u大致為線性關(guān)系,而且滑移量控制在1 mm左右。此時(shí)的P值也比表1中栓釘?shù)睦碚撚?jì)算承載力極限值要大,當(dāng)荷載大于140 kN以后,滑移明顯加速, P - u才轉(zhuǎn)為非線性關(guān)系。這說明預(yù)制板后灌孔栓釘連接件具有良好的抗滑移效果。
2 鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的試驗(yàn)研究
依據(jù)簡化的塑性極限狀態(tài)方法,本文設(shè)計(jì)了3根不同后灌孔形、不同連接度的簡支鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁,從荷載- 滑移、荷載- 鋼梁應(yīng)變、荷載與混凝土預(yù)制板應(yīng)變及荷載- 撓度等方面對鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的受彎性能及組合效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。相關(guān)試驗(yàn)概況參見文獻(xiàn)[ 3 ]。3根組合梁均按簡支設(shè)計(jì),采用單點(diǎn)集中加載的正位加載模式。試件均在1 000 kN加載架下進(jìn)行,試驗(yàn)的加載裝置圖如下:
3根試驗(yàn)梁SCB - 1, 2, 3[ 3 ]的加載程序均為預(yù)加載、破壞荷載2階段。以每級20 kN分3級預(yù)加載,試驗(yàn)從加荷到70 kN后,每級荷載為10 kN,每級荷載的一般的持續(xù)時(shí)間是10分鐘左右。SCB - 1, 2兩根梁當(dāng)加荷到160 kN, SCB - 3達(dá)到150 kN后,采用撓度控制加載,直到試驗(yàn)的結(jié)束。分別在115 kN, 110 kN, 100 kN時(shí),在加載位置混凝土翼板的下表面出現(xiàn)第一條裂縫。其中SCB - 1, 2的裂縫范圍全部集中在加載點(diǎn)下預(yù)制板(600 mm ×600mm)板底。SCB - 3盡管加載點(diǎn)恰好在預(yù)制板板縫(板縫寬50mm,千斤頂下的分配梁寬為100 mm,搭每邊混凝土預(yù)制板板長25 mm)處。但在加載的過程中,板縫槽內(nèi)混凝土一直沒有剝落,在達(dá)到試驗(yàn)最后荷載時(shí),板縫上表面還沒有肉眼可見的裂縫,裂縫的范圍主要在加載點(diǎn)下2塊板各自300 mm的范圍內(nèi)。這點(diǎn)說明鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的板縫,即使沒有特殊加強(qiáng)處理,僅僅在板縫內(nèi)填充強(qiáng)度等級較高的混凝土,即使當(dāng)板縫處于組合梁的最大彎矩處,板縫內(nèi)混凝土也完全能夠滿足組合梁在承受荷載過程中不至提前破壞而脫離組合梁結(jié)構(gòu),這說明板縫處理對組合梁的承載能力以及組合梁的組合效應(yīng)影響不明顯,其為鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)3根梁在鋼梁下翼緣屈服時(shí),鋼梁與混凝土預(yù)制板之間的滑移均很小。完全連接的組合梁SCB - 1, 2在100 kN (56%左右極限荷載時(shí)) ,組合梁最大滑移量小于0. 5mm;在160 kN (為極限荷載89%時(shí))也僅僅1mm滑移量。說明完全連接的具有良好的組合效應(yīng)。部分連接的SCB - 3在100 kN (60%左右極限荷載時(shí)) ,滑移量為1 mm左右,有較明顯的組合效應(yīng),但略差于完全抗剪連接的組合梁。
3根鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束過程中,鋼梁與鋼梁界面沒有掀起試驗(yàn)現(xiàn)象。在達(dá)到組合梁的極限荷載時(shí),也沒有栓釘?shù)睦瓟嗯c拔出。同時(shí)通過3根梁跨中全截面應(yīng)力圖[ 3 ]反映截面的平均應(yīng)變基本符合平截面假定,說明組合梁具有良好的整體工作性能,所以鋼梁與混凝土預(yù)制板能通過栓釘連接件的“組合”形成共同工作的組合結(jié)構(gòu)。主要試驗(yàn)結(jié)果分析見表2,將試驗(yàn)結(jié)果與其的設(shè)計(jì)參數(shù)采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017 - 2003)中組合梁計(jì)算理論獲得的理論值對比見表3:
通過上述試驗(yàn),得到鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁承載力試驗(yàn)值比組合梁計(jì)算理論值略大,說明鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁抗彎承載里的設(shè)計(jì)可套用現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算理論進(jìn)行設(shè)計(jì),撓度與滑移試驗(yàn)值均略大于按普通組合梁設(shè)計(jì)理論值,說明在板端沒有加強(qiáng)處理及增加縱向預(yù)應(yīng)力情況下,整體性及組合效果要略小于普通組合梁?？紤]鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁設(shè)計(jì)理論目前還不夠成熟,在設(shè)計(jì)鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁時(shí),正截面的抗彎設(shè)計(jì)可以直接套用現(xiàn)行普通組合梁設(shè)計(jì)公式[ 2 ] ,但撓度與滑移計(jì)算[ 4 ]需修正后,才能符合設(shè)計(jì)的要求(僅對于預(yù)制板與板之間沒有沒有做特殊處理的簡支鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁) ,其修正公式[ 4 ]如下:
3 結(jié)語
本文對預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的極限承載能力與鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的受彎性能、組合效應(yīng)以及整體性能作了一定的試驗(yàn)研究與理論分析,獲得主要結(jié)論如下:
(1) 預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的試驗(yàn)結(jié)果表明,按現(xiàn)有整澆板的計(jì)算理論設(shè)計(jì)栓釘連接件的承載力,其試驗(yàn)結(jié)果顯示完全能滿足設(shè)計(jì)要求。
(2) 3根鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁的試驗(yàn)結(jié)果顯示,鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁具有良好的整體工作性能與良好的組合效應(yīng),就極限承載力而言,只要在合適的連接度范圍內(nèi),部分連接的鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁也具有廣泛的應(yīng)用前景。
但由于試件數(shù)量的局限性,對于一種新型的組合梁結(jié)構(gòu)的研究還不全面與完善,尚有如下方面需要進(jìn)一步研究與探討:
(1)預(yù)制板后灌孔栓釘連接件的預(yù)留孔尺寸大小與坡度等確定的原則需要進(jìn)一步探討,孔內(nèi)填充混凝土的等級對栓釘與組合梁受彎性能影響的情度值得進(jìn)一步研究。
(2)本文僅僅是對簡支的鋼- 混凝土預(yù)制板組合梁進(jìn)行了靜態(tài)的試驗(yàn)研究,還有必要對該種新型結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進(jìn)一步試驗(yàn)研究。
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