带T形肋剪力键的钢-混凝土...合梁受弯性能试验及理论分析_陈思程.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201040湖南省教育厅优秀青年项目(19B188),湖南省自然科学基金青年基金项目(2018JJ3161),湖南省研究生科研创新项目(CX20190802),湖南建工集团基础研究项目(JGJTK-2018003)。第一作者:第一作者:陈思程,硕士,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究,Email:634891381 。通信作者:通信作者:黄海林,博士,副教授,主要从事基于新材料的既有结构修复与加固研究,Email:hhlvsgenius 。带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯性能试验及理论分析陈思程1,2,黄海林1,邓 轩1,张明亮3(1 湖南科技大学湖南省智慧建造装配式被动房工程技术研究中心,湘潭 411201;2 湖南城建职业技术学院,湘潭 410004;3 湖南建工集团有限公司,长沙 410004)摘要:为研究带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁的承载力和破坏机理,对 7 个钢-混凝土组合梁试件进行了受弯性能试验。以贯穿钢筋直径、开孔间距及开孔孔径为参数,分析了试件的破坏形态、应变分布、钢板与混凝土相对滑移量和受弯承载力。试验结果表明:大部分试件发生弯曲破坏,呈现出明显的延性破坏特征,其余试件发生弯剪破坏;开孔孔径和贯穿钢筋直径是影响试件受弯承载力的主要因素,而开孔间距对钢板与混凝土之间的相对滑移影响显著,开孔孔径 40mm 和贯穿钢筋直径 10mm 为最优抗弯组合。基于试验结果,采取合理假定,并引入受弯承载力折减系数 1、2来考虑对受弯承载力的影响,给出了带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯承载力计算方法。经对比,计算值均小于试验值,具有一定安全储备。关键词:钢-混凝土组合梁;剪力键;破坏机理;界面滑移;受弯承载力 中图分类号:TU398 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0072-08引用本文 陈思程,黄海林,邓轩,等.带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯性能试验及理论分析J.建筑结构,2023,53(3):72-79.CHEN Sicheng,HUANG Hailin,DENG Xuan,et al.Experimental and theoretical analysis on flexural performance of steel-concrete composite beams with T-section rib shear connectorJ.Building Structure,2023,53(3):72-79.Experimental and theoretical analysis on flexural performance of steel-concrete composite beams with T-section rib shear connector CHEN Sicheng1,2,HUANG Hailin1,DENG Xuan1,ZHANG Mingliang3(1 Hunan Engineering Research Center for Intelligently Prefabricated Passive House,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2 HuNan Urban Construction College,Xiangtan 410004,China;3 Hunan Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Changsha 410004,China)Abstract:In order to research the bearing capacity and failure mechanism of steel-concrete composite beams with T-section rib shear connector,seven steel-concrete composite beam specimens were tested for flexural performance.Taking the diameter of the penetrating steel bar,the opening hole spacing and the opening hole diameter as parameters,the failure pattern,strain distribution,relative slip between steel plate and concrete and flexural bearing capacity of the specimens were analyzed.The test results show that most of the specimens fail in bending mode and present characteristics of ductile failure,and other specimens fail in bending and shearing mode.The opening hole diameter and diameter of the penetrating steel bar are the main factors that affect the flexural bearing capacity,and the opening hole spacing has a paramount influence on relative slip between steel plate and concrete,opening hole diameter of 40mm and the penetrating steel bar diameter of 10mm are the optimal combination for enhancing flexural bearing capacity.Based on the test results,rational assumption was adopted,and the flexural bearing capacity discount factor 1 and 2 was introduced to consider the impact of flexural bearing capacity,the calculation method of flexural bearing capacity of steel-concrete composite beam with T-section rib shear connector was given.The calculated value is less than the test value through comparison,which has certain safety reserve.Keywords:steel-concrete composite beam;shear connector;failure mechanism;interface slip;flexural bearing capacity 第 53 卷 第 3 期 陈思程,等.带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯性能试验及理论分析0引言 开孔钢板连接件(简称 PBL 键)的抗剪刚度大、耐疲劳性能好,是近年来应用在钢-混凝土组合结构桥梁的一种新型连接件。在 20 世纪 90 年代初,德国 Leonhardt 等1采用在钢板上开孔后浇筑混凝土以利用孔中的混凝土榫来抵抗剪力流的开孔钢板连接件(PBL 连接件)。国内外学者2-10 分别考虑了贯穿钢筋数量、开孔钢板厚度、混凝土强度、开孔直径等参数进行了推出试验,分析 PBL 连接件受力机理和破坏模式,并根据试验结果提出了 PBL 连接件的抗剪承载力计算公式。徐宙元等11为研究带开孔钢板剪力连接件的钢-混凝土组合桥面板的受力性能,以开孔钢板剪力连接件的布置形式、组合板的厚度、贯穿钢筋数量等为参数,制作了 14 块钢-混凝土组合板,进行了正、负弯矩作用下的静力试验,结果表明,组合桥面板具有较高的承载能力和抗弯刚度,并具有良好的延性。李天翔等12研究了以花纹钢板为上翼缘的钢-混凝土组合梁的受力性能,根据试件应变分布规律和荷载-位移曲线,分析了其在受弯状态下的破坏机理,试验表明,钢梁-混凝土翼板处于良好的共同工作状态,能够达到完全抗剪组合承载力。王建萍等13提出了一种改进型附加装配式钢管 PBL 剪力键,并研究了钢管长度、钢管直径以及孔中贯通钢筋直径等参数对该类 PBL 剪力键承载性能的影响,结果表明,增大钢管直径和增大贯通钢筋直径均能提升该类剪力键的极限承载力。Kim 等14-16提出了一种压型钢板-混凝土组合桥面板,其主要构造为压型钢板、PBL 连接件、贯穿钢筋和混凝土,并通过受弯性能试验发现,PBL 连接件能够充分发挥其传力特性,与普通钢筋混凝土桥面板相比,其受弯承载力与开裂荷载分别提高 2.5、7.1 倍,而其重量却减轻约 25%。目前可采用推出试验与梁式试验进行 PBL连接件抗剪性能的研究,推出试验受力明确,故应用较多,梁式试验受力状态复杂但更符合结构实际受力。为了深入研究 PBL 连接件在组合梁中的受力机理及其对受弯承载力的贡献,本文设计制作了 7 根带 T 形肋剪力键的钢-混凝土组合梁,其三维模型如图 1 所示,分析了不同贯穿钢筋直径、开孔间距及开孔孔径等参数对试件受弯承载力的影响,研究不同参数影响下试件的破坏形态、应变分布、相对滑移大小,并提出受弯承载力计算公式。图 1 组合梁三维模型1试验概况 共设计制作了 7 个试件,主要参数包括:贯穿钢筋直径、开孔间距及开孔孔径,详细参数如表 1所示。梁的计算跨度为 2 700mm,混凝土翼板尺寸为 3 000mm300mm120mm,试件翼板混凝土设计强度等级为 C30,覆盖整个上部 T 形肋。混凝土翼板内配有上下纵筋、箍筋和横向贯穿钢筋。横向箍筋为6 200,T 形肋剪力键和钢梁均采用Q345 钢材,普通工字钢型号为 20a,规格为 H200100711.4。普通构造钢筋和横向贯穿钢筋采用 HRB400 级钢筋。试件整体构造和尺寸如图 2所示。图 2 组合梁试件整体构造及几何尺寸为防止钢梁支座处发生局部屈曲破坏,在支座处对称设置了 6mm 厚的钢板作为加劲肋。钢材的物理力学性能见表 2,混凝土标准试块的物理力学性能见表 3。37建 筑 结 构2023 年表 1 试件详细参数试件编号贯穿钢筋直径/mm开孔孔径/mm开孔间距/mm剪力键数量试件 10试件 2102020013试件 3201000试件 4104010027试件 5104020013试件 6204010027试件 7204020013表 2 钢材物理力学性能钢材型号抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 弹性模量/MPaHRB4005664342.15105Q345底部钢板4833422.13105开孔钢板4833402.04105表 3 混凝土物理力学性能设计强度等级实测立方体抗压强度/MPa弹性模量/MPa劈裂抗拉强度/MPaC3029.82.71041.25试验加载装置如图 3 所示。对受弯试件在反力架下进行静力两点对称加载,试验前要确保加载各部分精确对中以确保对称加载。试件测点布置示意见图 4,应变测点布置于四个截面,即跨中截面、离跨中为 400mm 位置处的两个加载点截面以及离跨中 800mm 处截面;梁跨中(A 点)和两个加载点处底面