裝配式型鋼-混凝土組合扁梁研究

發(fā)布時(shí)間：2017-03-03

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，鋼產(chǎn)量也迅猛提高，給鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)用鋼量在總鋼產(chǎn)量中占比僅為5%~6%，其中鋼結(jié)構(gòu)住宅用鋼量占比還不到1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家20%~30%的平均水平。與傳統(tǒng)混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)建造方式相比，鋼結(jié)構(gòu)體系容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)更容易滿足人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在數(shù)量和質(zhì)量方面的要求，具有材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能優(yōu)越、制作與安裝工業(yè)化程度高，施工周期短等眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用裝配式施工方式能最大程度減少施工現(xiàn)場(chǎng)的占用面積和建造過(guò)程中產(chǎn)生的建筑垃圾，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

目前，對(duì)裝配式住宅產(chǎn)業(yè)化研究主要集中于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究較少。雖然，與鋼結(jié)構(gòu)體系相配套的主要結(jié)構(gòu)部件梁、柱和墻板可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配，但樓板仍采用壓型鋼板或疊合板，現(xiàn)場(chǎng)澆筑?？梢?jiàn)鋼結(jié)構(gòu)體系在施工過(guò)程中，現(xiàn)澆混凝土樓板因其施工工藝和自身材料特性等原因，使得樓板的澆筑和養(yǎng)護(hù)明顯滯后于鋼結(jié)構(gòu)主框架的施工速度，這就造成兩種主要構(gòu)件的施工銜接不連貫，不緊湊，無(wú)法形成暢通的流水作業(yè)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)體系裝配施工速度受到嚴(yán)重制約，大量現(xiàn)場(chǎng)澆筑的樓板連接方式已經(jīng)難以解決鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的要求，這就對(duì)新型預(yù)制樓板的開(kāi)發(fā)以及樓板與柱連接的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，尋求新型梁板連接的組合扁梁結(jié)構(gòu)形式已成為必然。

 

型鋼-混凝土組合扁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)在許多實(shí)際工程中得到應(yīng)用，尤其是最近20年來(lái)已在高層結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房以及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

T型組合梁通常將型鋼梁和混凝土翼緣板通過(guò)抗剪連接件相連而形成整體，該類梁結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮混凝土與鋼材的優(yōu)點(diǎn)，提高梁的承載力、剛度和穩(wěn)定性。在20世紀(jì)80年代初，隨著壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)在高層建筑中開(kāi)始采用，大幅度縮短了建造時(shí)間，同時(shí)降低了樓蓋結(jié)構(gòu)高度和自重，該類組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展到達(dá)了一個(gè)新的時(shí)期。我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)以及歐洲規(guī)范4(1990-1999)中第一部分均有T型組合梁的設(shè)計(jì)方法。然而，T型組合梁由于結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的要求，導(dǎo)致產(chǎn)生樓面結(jié)構(gòu)層高度較大和樓板需要現(xiàn)澆等問(wèn)題，難以滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)中央快速裝配、便捷施工的理念。

組合扁梁作為一種新的結(jié)構(gòu)形式，通常是將混凝土樓板擱置于鋼梁下翼緣上，鋼梁上翼緣焊接剪力連接件，隨后現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土填實(shí)，鋼梁與混凝土之間通過(guò)相互的粘結(jié)力，使得兩種材料不僅能發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高和鋼材抗拉性能好的優(yōu)勢(shì)之外，還能形成整體協(xié)同工作。該類組合扁梁樓蓋將鋼梁內(nèi)嵌于混凝土樓板之中，實(shí)現(xiàn)樓蓋中不設(shè)次梁的狀態(tài)，從而滿足“無(wú)梁樓蓋”的要求，因此，能夠最大程度上減小結(jié)構(gòu)層高，使得建筑樓層的有效空間加大。此外，在多高層、大跨度結(jié)構(gòu)中使用組合扁梁，其力學(xué)效果更為明顯，即在作為框架梁受力之外還能承載樓面荷載。按照采用不同形式的混凝土樓板，組合扁梁結(jié)構(gòu)分為疊合板組合扁梁、深肋組合扁梁、拱形組合扁梁、預(yù)制板組合扁梁等多種類型，并且易于實(shí)現(xiàn)不同工程結(jié)構(gòu)的需求。

在裝配鋼結(jié)構(gòu)體系中使用新型組合扁梁結(jié)構(gòu)能降低結(jié)構(gòu)高度、增加使用面積、減少工程造價(jià)，具有對(duì)良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前，雖然對(duì)國(guó)內(nèi)外組合梁的受力性能開(kāi)展了較為深入的研究，但是，對(duì)于應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的型鋼一混凝土組合扁梁的研究資料比較匱乏，因而，已有組合梁的研究成果非常值得借鑒。我們從組合梁在縱向抗剪承載力、翼緣板有效寬度、變形與剛度和極限抗變承載力等幾個(gè)方面，介紹國(guó)內(nèi)外對(duì)組合扁梁和T形組合梁受力性能研究成果。

 

國(guó)內(nèi)外對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)受力性能研究現(xiàn)狀

 

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常將組合樓蓋體系整體受力性能轉(zhuǎn)化為三個(gè)主要部分去研究，即組合梁結(jié)構(gòu)、上翼緣樓板結(jié)構(gòu)以及梁板之間相互作用，其中組合梁是實(shí)現(xiàn)板與柱之間連接傳力的重要構(gòu)件。在水平荷載作用下，水平力也容易造成樓板與梁之間剪切破壞，因此樓板與組合梁之間的可靠連接是實(shí)現(xiàn)樓板整體性能的關(guān)鍵，也是研究組合梁的受力性能是的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

縱向抗剪承載力研究——抗剪連接件是組合梁的重要組成部分，其作用是保證鋼梁和混凝土翼緣板形成整體共同工作。我國(guó)最早對(duì)槽鋼和彎筋等柔性抗剪連接件進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出兩根采用槽鋼作為剪力連接件的組合梁，由截面豎向應(yīng)變分布曲線，可知該類組合梁在受力過(guò)程中截面變形保證平面，隨后又對(duì)該類抗剪件組合梁進(jìn)行較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并于1983年提出了槽鋼剪力連接件計(jì)算公式。栓釘焊接設(shè)備的發(fā)明應(yīng)用，推動(dòng)了栓釘抗剪件的研究，我國(guó)專家設(shè)計(jì)了多組栓釘抗剪件推出試驗(yàn)，深入分析了其剪切力學(xué)性能，研究成果在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17-88)關(guān)于剪切連接章節(jié)中得以體現(xiàn)。

混凝土翼緣有效板寬研究——通常組合梁在進(jìn)行計(jì)算時(shí)將其截面視為T形截面，由于翼緣板中剪力滯后現(xiàn)象的存在，產(chǎn)生的剪應(yīng)變導(dǎo)致混凝土整個(gè)截面不能保證平截面，造成翼板內(nèi)的壓應(yīng)力沿寬度方向分布不均勻，因此，圣維南理論不能用于研究組合梁，為了解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中通常引入有效寬度的概念進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。有專家認(rèn)為有效寬度既不能代表混凝土翼緣板抗彎時(shí)的屈服寬度，也不能表示該板的實(shí)際參與寬度，而是按等效后有效板寬中最大彎曲正應(yīng)力和壓應(yīng)力合力分別與實(shí)際組合梁翼緣板相等的原則確定的一種折算寬度。

在國(guó)外對(duì)安全剪切連接的組合梁在正常使用和承載能力兩種狀態(tài)下的有效翼緣板寬取值做了較為細(xì)致的研究，提出組合梁混凝土翼緣有效寬度在正、負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)取值不同，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)時(shí)歐洲規(guī)范中組合梁塑性設(shè)計(jì)時(shí)，其有效寬度取值的計(jì)算方法較實(shí)際情況偏于保守，并推導(dǎo)出組合梁在塑性狀態(tài)下有效寬度取值的修正公式。

現(xiàn)有研究表明，采用不同的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范計(jì)算出的有效板寬對(duì)組合梁的承載力有顯著影響。但是，由于對(duì)組合梁的剪力滯后效應(yīng)和不同材料組合性質(zhì)研究不充分，組合梁在彈性階段和塑性階段以及正彎矩區(qū)和負(fù)彎矩區(qū)，其有效板寬計(jì)算方法仍需深入研究。綜上可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)組合梁翼板有效寬度設(shè)計(jì)方法差別較大，而且，諸多學(xué)者是否將翼緣板厚作為影響有效板寬的因素，仍持有不同見(jiàn)解。綜上，當(dāng)前關(guān)于組合梁翼緣板有效寬度取值問(wèn)題亟待解決。

變形與剛度計(jì)算理論研究——國(guó)內(nèi)已有研究資料表明，換算截面法計(jì)算出來(lái)的組合梁剛度(包括短期和長(zhǎng)期剛度)計(jì)算值偏高，從而導(dǎo)致變形計(jì)算值低于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明通過(guò)換算截面剛度法計(jì)算產(chǎn)生的組合梁變形值偏于不安全，其主要原因在于栓釘作為傳力連接件，在傳遞鋼梁和混凝土翼緣交界面的剪力時(shí)將發(fā)生形變，從而出現(xiàn)交界面滑移現(xiàn)象，這種不可避免的滑移對(duì)組合梁變形影響巨大。

極限抗彎承載力研究——早期組合梁規(guī)范源于橋梁結(jié)構(gòu)，采用彈性理論設(shè)計(jì)方法，如《美國(guó)公路與運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(AAHSTO 1944)和《德國(guó)橋梁規(guī)范》(DIN1078 1954)，60年代中期開(kāi)始逐漸運(yùn)用按塑性理論設(shè)計(jì)方法。我國(guó)專家試驗(yàn)研究了4根部分剪力連接組合梁，并將量測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外8根部分剪力連接組合梁進(jìn)行對(duì)比，提出考慮剪力連接程度影響的組合梁極限抗彎承載力計(jì)算公式并給出修正建議。

國(guó)外專家利用有限元軟件對(duì)鋼一混凝土組合板梁進(jìn)行三維實(shí)體建模，非線性分析結(jié)果表明，在剪切荷載作用下板梁的組合作用可以有效提高腹板抗剪力能力，使腹板受拉區(qū)寬度增加，從而增強(qiáng)了組合梁的整體承載力。對(duì)部分剪力連接的組合梁在負(fù)彎矩區(qū)受力性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明組合梁極限承載能力并沒(méi)有隨著剪切連接程度降低而產(chǎn)生顯著變化，但是，組合梁的延性較動(dòng)能力反而提高了，并根據(jù)上述結(jié)果，提出了計(jì)算部分剪切連接組合梁極限承載能力的修正剛一塑性設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)外關(guān)于組合扁梁抗彎承載力的計(jì)算方法研究較少，有文獻(xiàn)提出簡(jiǎn)支深肋組合扁梁設(shè)計(jì)方法，由于該類梁結(jié)構(gòu)主要依靠粘結(jié)力實(shí)際不同材料協(xié)同工作，因此，組合扁梁為完全剪力連接條件下，能夠最大程度發(fā)揮扁梁截面的抗彎在載力，故應(yīng)按塑性理論設(shè)計(jì)其抗彎承載能力。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于組合梁極限承載力的設(shè)計(jì)理論，若能在綜合考慮抗剪連接程度和滑移效應(yīng)的基礎(chǔ)上按照塑性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，將更符合實(shí)際。我們對(duì)現(xiàn)有組合梁結(jié)構(gòu)在縱向抗剪承載力、翼緣板有效寬度、變形與剛度以及極限抗彎承載力等受力性能方面已取得研究成果進(jìn)行了總結(jié)。研究表明，現(xiàn)有組合梁結(jié)構(gòu)暫時(shí)不能廣泛應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的主要原因在于，其設(shè)計(jì)原理均是基于傳統(tǒng)現(xiàn)澆樓板提出的，而對(duì)適用于裝配式樓板的組合扁梁結(jié)構(gòu)研究不足。為了促進(jìn)裝配式住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，還需進(jìn)一步增加對(duì)鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究，特別是基于裝配式鋼框架的型鋼一混凝土組合扁梁的受力機(jī)理和設(shè)計(jì)理論亟待研究，這對(duì)完善現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、推廣裝配施工的設(shè)計(jì)理念和實(shí)際，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。


 

轉(zhuǎn)自預(yù)制建筑網(wǎng)