腹板圆形开孔PEC梁抗剪承载能力分析

黄双成

摘要：随着建筑业的发展，高层建筑的数量增长不断提升，混凝土包裹腹板开孔梁逐渐展现着优势，适应时代发展。梁腹板上的开孔使结构更为美观、对管线布置提供了便利，且降低了建筑的层板厚度，发展前景可观。本文通过对工字型型钢腹板圆形开孔PEC梁进行了数据分析、理论推导及合理的有限元建模分析，验证了其抗剪承载可靠性。提出了对该类复合梁研究的前景展望。

关键词：部分混凝土包裹PEC梁，腹板圆形开孔，抗剪承载分析，有限元建模

1 引言

随着建筑智能化程度的普及，建筑结构辅助设施应用程度不断提升，使得建筑管线安装不得不考虑从结构梁底进行穿行布设，在保证建筑物净高满足功能需求的条件下，房屋层高势必会增加，从而使得工程造价增加，高层结构中此现象尤为突出。传统复合梁虽然有着制作方便的优点，但是随着建筑工业的发展，传统钢-混梁在高层建筑中的管线架设、通风等方面的缺陷已逐渐满足不了时代的需求。新型腹板开孔钢-混凝土PEC梁克服了此缺点，腹板开孔为栓钉的布置提供了便利，具有良好纵向抗剪性能，并且可在工厂里加工时直接将栓钉布置妥当，从而很大程度的节约了现场加工产生的成本。因此，对型钢开孔的PEC梁的研究有着重大的意义。

2 理论分析

（1）开孔梁斜截面抗剪承载破坏形态

对于开孔梁的抗剪切承载能力，在对型钢梁腹板位置进行圆形开孔后，梁的整体性就会被削弱，从而使得梁体腹板开孔处成为了全梁的薄弱部位，可能造成提前开裂及失效破坏。对于开孔梁斜截面，破坏形态主要体现为剪压破坏、斜拉破坏、开孔侧砼的斜压破坏、开孔侧砼的斜拉破坏和弦杆的剪切破坏五种形式。腹板圆形开孔PEC梁的受力大致可分为弹性、弹塑性和极限破坏三个阶段。

（2）剪应变分析

型钢梁的剪切应变是通过三向应变花测量得到，应变花布置角度为45°，根据平面应变理论分析：剪应变：

两主应变及主应变与x轴的夹角为：

分析得出，虽然数据具有一定的离散性，但仍呈现一定的规律。在构件开裂前，各混凝土测点应变基本呈线性变化，构件处于弹性阶段，砼体主要承受抗剪作用。当试件开裂时，砼体应变突然增加，随着继续增加荷载，砼体最终被切断，荷载溢出。

（3）滑移微分方程分析

在正常荷载作用下，钢梁处于弹性工作阶段，混凝土翼缘板的最大压应力也处于应力-应变曲线的上升段，这已被大量的试验分析及数值理论计算所验证。为了使得问题更为简化，可将组合梁简化成一个弹性体来进行对其滑移效应的分析。在荷载作用下复合梁中的型钢与混凝土的应变沿着截面方向呈线性分布。混凝土梁和型钢交界面的弯曲曲率相同，两者间无竖向翘起，复合梁中剪力连接构件处于弹性工作状态。

（4）抗剪破坏机理

由于无腹筋梁在破坏时无征兆且裂缝开展迅速，承载能力较差，在实际工程中的应用价值较低。因此在实际情况中，需要配置一定数量的箍筋及斜筋来提高构件的抗剪承载力。对于有腹筋梁的结构，在未发生开裂前，腹筋处应力几乎为零，剪力主要在梁腹板中的砼体内传递。当构件产生斜裂缝后，构件整体内力发生重分布情况，表现为：斜裂缝处的箍筋和混凝土共同承受剪力作用，与斜裂缝相交的箍筋应力产生突变，对于此时梁的受力模型，可将其简化成一个多腹杆的桁架模型，而箍筋和梁腹板内被斜裂缝所分割的砼可分别看做为桁架受拉腹杆及受压腹杆，纵向受拉筋变为桁架的下弦受拉弦杆，上部剪压区内的砼可看作为整个桁架的受压弦杆。

（5）公式推导

实腹梁（未开孔梁）抗剪强度计算公式可统一为：，在集中力荷载作用下简化为一个公式计算，当考虑抗震作用时，集中力荷载作用下的剪力计算公式为：

由已有的开孔梁研究资料显示，型钢的开孔直径不宜大于0.4倍的梁高，剪跨比为2.5时作用的承载力为最大。开孔处取斜压角为45°，取受力最大处的截面进行计算，根据实腹梁的抗剪承载力的计算公式推导分析可得，型钢腹板圆形开孔PEC梁的抗剪承载计算公式可以表达成：

通过现有的型钢混凝土梁抗剪开裂荷载的计算理论分析得到：在合理的开孔情况与环箍补强的作用下，工字梁腹板圆形开孔的混凝土包裹梁的开裂荷载与实腹梁的开裂荷载较为接近。采用环形箍筋补强作用下的开孔梁，开孔处和未开孔处的开裂荷载差异不大，证实了环形箍筋对型钢开孔造成的抗裂度下降有著一定的补强作用。

3 限元建模分析

通过ABAQUS软件进行建模分析显示，有限元模拟与试验结果良好吻合。梁体随着荷载的增加，跨中挠度也不断增加，且挠度值最大部位位于梁跨中;在不同剪跨比下，梁体的抗剪承载力极限有差异，剪跨比越小的抗剪承载力越大，且通过对比得到：剪跨比对影响梁体抗剪承载力程度大。受力过程明显分为了弹性、弹塑性及破坏极限三个阶段，分析结果与现有理论吻合。

4 结论

部分包裹混凝土PEC梁作为一种新型复合截面形式梁，通过对梁体进行混凝土部分包裹可提高结构的防腐及抗火性能，也为结构提供了一定的刚度，从而避免其失稳破坏;混凝土的抗压性能特点及钢材的翼缘抗拉性能、腹板抗剪性能在复合梁中得到了综合发挥。

在现有的混凝土梁抗剪承载力理论分析的基础上，与型钢腹板圆形开孔混凝土梁抗剪破坏模态进行合理分析，分析得到了相应的抗剪承载力计算公式，为类似的型钢开孔混凝土组合梁抗剪承载力的分析提供了重要的理论依据。PEC梁腹板开孔工艺对改善梁结构承载力具有一定的改良效果，改善了房建的施工工艺，为房屋设施设备管线的布置提供了便利，合理的降低了建筑成本。腹板开孔PEC梁的发展前景可观。

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