部分包覆钢-混凝土组合空腹梁受弯性能试验研究*

楚留声, 王帅起, 李 杰, 李青泽, 王狄龙

(1 郑州大学土木工程学院，郑州 450001；2 同济大学土木工程学院，上海 200092；3 上海杉达学院，上海 201209；4 浙江圣鑫建设有限公司，绍兴 312300)

0 引言

部分包覆钢-混凝土组合空腹梁(简称PEC空腹梁)是一类新型装配式钢-混凝土组合梁,该梁是在空腹H型钢板内翼缘间焊接钢筋形成连杆,腹板间焊接钢筋或角钢形成拉结筋,并浇筑混凝土而形成的一种新型钢混组合构件,整体构造简单且能较大程度节省用钢量。

PEC结构在性能和经济性等方面优势明显。相比钢结构,PEC结构具有更优的承载力、刚度、延性、抗火性及耐腐蚀性。相比混凝土梁,PEC梁的承载力比相同尺寸的钢筋混凝土梁高一倍以上[1]。目前,国内外对PEC梁的研究大都集中在实腹型梁。加拿大和欧洲等国已将PEC构件纳入相关设计规范[2],并提出了矩形截面PEC梁抗弯刚度和承载力的计算方法。国内,陈以一等[3]、李杰等[4]、胡夏闽等[5]、梁炯丰等[6]也对矩形截面PEC梁抗弯性能进行了研究。相对于传统PEC梁,PEC空腹梁腹部混凝土可一次浇筑成型,不需翻面,在保证构件施工质量的同时,能够有效减少施工周期,且节省用钢量,具有良好的经济效应。但目前关于PEC空腹梁的相关研究却极少。

为此,本文通过四点弯曲试验,对PEC空腹梁的受弯性能、延性、混凝土与型钢应变、滑移等指标进行试验研究,对比分析5种不同构造PEC空腹梁的优劣,以对该类构件进行经济性优化。

1 试验概况

1.1 试件制作

试件依据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)[7]进行设计。共设计5种不同构造形式(钢筋桁架、角钢桁架、π型桁架、蜂窝、空腹)的PEC空腹梁,对应编号分别为B-1-r、B-2-a、B-3-π、B-4-c、B-5-o。钢筋均采用HRB400,型钢采用Q355B,混凝土强度等级为C30。各试件钢框架立面图及横截面示意图如图1～5所示,腹部用混凝土填充。试件基本参数对比详见表1。

图1 试件B-1-r

图2 试件B-2-a

图3 试件B-3-π

图4 试件B-4-c

图5 试件B-5-o

1.2 材性试验

在浇筑试件的过程中,预留标准立方体试块,并将试块和试件放在同等条件下养护,测得其立方体抗压强度为51.61MPa。依据《金属材料 室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)[8],对不同厚度t的钢材材料性能进行测定,得到其屈服强度fy、极限强度fu、弹性模量E的结果见表2。

表2 钢材材料性能

1.3 加载装置及测量内容

本试验为四点弯曲试验,采用同济大学建筑结构试验室2 000kN伺服加载系统进行加载。采用力与位移混合控制加载。力控制加载时,每级加载20kN(约0.05Pu,Pu为理论极限荷载),加载速度为20kN/min,达到预估极限承载力的50%后,以位移进行加载,每级加载5mm,加载速度为5mm/min,至试件破坏。试验加载装置简图及实际装置图如图6所示。

图6 装置简图及实际装置图

试验测量内容包括:1)试件跨中挠度;2)腹部混凝土与翼缘间的相对滑移;3)跨中截面混凝土、拉结筋、型钢的应变;4)混凝土裂缝宽度。

位移计及应变片布置如图7所示,位移计D1～D6用以测量跨中及四等分点处挠度;位移计D7～D12测量混凝土与翼缘间的相对滑移;位移计D13～D15测量加载后期跨中混凝土应变,以此结果验证加载后期混凝土平截面假定。C1～C5为混凝土应变片,S1～S14为型钢应变片,钢筋的应变片预埋在试件内。

图7 位移计及应变片布置图

2 试验现象

5个试件均为弯曲破坏,纯弯段裂缝较多,裂缝宽度较大;剪跨段裂缝较少。由于钢和混凝土的协同作用,混凝土未出现明显的压碎现象,钢梁的整体稳定性也得以增强。各试件整体延性均较好,跨中挠度为净跨(l0)的1/50时,达到承载力极限状态[9],此时承载力并未下降。进一步加载,蜂窝构造和空腹构造PEC空腹梁因腹板截面变化处出现应力集中,导致下翼缘突然断裂。

2.1 试件B-1-r

图8 试件 B-1-r纯弯段破坏形态

2.2 试件B-2-a

图9 试件B-2-a纯弯段破坏形态

2.3 试件B-3-π

图10 试件B-3-π纯弯段破坏形态

2.4 试件B-4-c

2.5 试件B-5-o

图12 试件B-5-o纯弯段破坏形态

3 试验结果与分析

3.1 跨中荷载-挠度曲线

试件跨中荷载-挠度曲线见图13。可见,PEC空腹梁的受力状态可以分为弹性阶段、弹塑性阶段。

图13 试件跨中荷载-挠度曲线

(1)弹性阶段:加载初期,除腹部混凝土初始裂缝外,各试件无新裂缝产生,试件处于弹性工作状态;随着荷载的增大,腹部混凝土开裂,但由于钢梁翼缘的约束作用,裂缝发展缓慢,刚度也未明显下降,曲线基本呈线性变化。

(2)弹塑性阶段:型钢受拉翼缘屈服,腹部混凝土裂缝发展较快,刚度逐渐降低,跨中挠度的增加速率远超荷载的增加速率,曲线呈非线性变化。

3.2 承载力分析

表3 特征点荷载

3.3 变形分析

本文采用延性系数μΔ[10-11]来衡量构件的延性性能,μΔ=Δu/Δy,其中Δu为极限位移,Δy为屈服位移。μΔ计算结果见表4。在破坏状态下5个试件的挠度对比见图14。

表4 试件延性系数

图14 整体挠度对比

由表4可知,5个试件都表现出良好的延性,其中试件B-3-π延性最优,延性系数达12.64;试件B-4-c和试件B-5-o由于截面变化处集中应力的存在,延性系数略小。由图14也可看出,破坏状态时,试件B-3-π的挠度最大,达到l0/12;各试件1/4跨处和3/4跨处的挠度基本相同。

3.4 混凝土应变分析

3.5 型钢应变分析

图16 试件跨中截面型钢应变

3.6 钢-混凝土滑移分析

混凝土开裂都集中在截面下部,型钢上翼缘与混凝土之间的滑移很小,主要对型钢下翼缘与混凝土之间的滑移情况进行分析。达到承载力极限状态时,各试件不同位置的滑移量见表5。

表5 试件不同位置的滑移量

由表5可得,PEC空腹梁中型钢翼缘与混凝土的滑移在跨中较大,在支座处较小,原因是跨中附近裂缝较多,翼缘与混凝土之间的粘结作用遭到较大程度破坏,故而产生较大滑移。而支座处的裂缝较少,整体性较好,且支座处受到的纵向剪切力较小,导致其滑移要小于跨中。试件B-4-c及试件B-5-o整体性较前三种试件B-1-r、B-2-a、B-3-π差,整体滑移量偏大。总体上,加载过程中PEC空腹梁型钢翼缘与内部混凝土之间的滑移量不大,对受弯承载力计算的影响可忽略不计。

4 结论

通过试验观察和测试数据分析,可以得到以下结论:

(1)除试件B-2-a开裂、屈服及极限荷载较小外,其余试件相差不大,但试件B-4-c、B-5-o在截面变化处易产生应力集中,致使加载过程中,下翼缘被拉断,构造优势不明显。5类PEC空腹梁均具有良好的延性和变形能力,其中,试件B-3-π延性优势最为明显。

(2)按全截面塑性准则来计算PEC空腹梁的受弯承载力是可行的,理论值与试验值误差较小。

(3)达到极限状态时,各试件型钢受拉及受压翼缘进入屈服状态,型钢与混凝土沿高度方向均基本符合平截面假定。

(4)PEC空腹梁钢翼缘与混凝土的相对滑移在跨中较大,支座处较小;试件B-4-c及B-5-o整体性较其他3种差,滑移量相对偏大。但整体上,加载过程中PEC空腹梁与内部混凝土之间的滑移量不大,对受弯承载力计算的影响可忽略不计。