型钢混凝土梁受力性能试验研究

第３０卷第６期　南京理工大学学报　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．６　２００６年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＮａｎｊｉｎ￣Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔ　Ｄｅｃ．２００６　型钢混凝土梁受力性能试验研究　范　进　，沈银良　，张斌　（１．南京理工大学土木工程系，江苏南京２１００９４；２．苏州市建筑设计研究院有限责任公司，江苏苏州２１５０００）　摘要：为了研究型钢混凝土梁的受力性能，对８根内含Ｈ型钢的型钢混凝土粱进行了试验和　研究，结果表明：型钢混凝土梁的开裂弯矩与粘结力、箍筋、剪力连接件无关；型钢混凝土梁具有　较好的延性；当配箍较少时，型钢混凝土梁会发生斜截面受剪破坏；粘结力对梁的承栽力和刚度　有显著影响；型钢和混凝土之间的滑移一般在加载后期出现，在接近极限荷栽时迅速增加，剪力　连接件对滑移无影响。　关键词：型钢混凝土梁；受力性能；试验研究　中图分类号：ＴＵ　３９８　．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—９８３０（２００６）０６－０７０９—０５　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｅａｍｓ　ＦＡＮ　Ｊｉｎ　，ＳＨＥＮ　Ｙｉｎ—ｌｉａｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｂｉｎ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＳＴ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｕｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ，ｅｉｇｈｔ　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔａｉｎ　Ｈ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ：（１）１１ｌｅ　ｃｒａｚｅ　ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｅｂａｍ　ｉＳ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｏｆ　ｏｂｎｄ　ｆｏｒｃｅ，ｓｔｉｒｒｕｐｓ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ．　（２）Ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｃｃｕｒｓ　ｗｈｅｎ　ｓｉｔｒｒｕｐｓ　ａｒｅ　ｌｅｓｓ．（３）Ｔｈｅ　ｂｏｎｄ　ｏｆｃｒｅ　ｈａｓ　ｎａ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｌｏａｄ—ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｎａｄ　ｉｒｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｅｂａｍ．（４）Ｔｈｅ　ｓｌｉｐｐａｇｅ　ａｐｐｅａｒｓ　ａｔ　ｌｏａｄ　ａｎａｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ａｔ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｓｈｅａｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　型钢混凝土是钢与混凝土组合结构的一种主　家已经得到了广泛的运用，尤其在日本这样一个　要形式，由于其承载力高、抗震及耐久性能好等特　多地震的国家，型钢混凝土结构已经成为中高层　点，被广泛运用于各种工程结构中，特别是大跨、　建筑的首选结构形式。近年来，我国也开始推广　高层、重载结构。这种结构在欧美以及日本等国　使用型钢混凝土结构，且已经建成了一些具有代　收稿日期：２００６—０５—１５　修回日期：２００６—０９一ｌ０　作者简介：范进（１９６２一），男，江苏海安人，教授，博士，主要研究方向：结构设计理论、工程结构的抗灾与防护，Ｅ—　ｍａｉｌ：ｆａｎｊｉｎｅｍ＠ｍａｉｌ．ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃａ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

７１０　南京理工大学学报　第３０卷第６期　表性的中高层建筑。虽然我国的型钢混凝土结构　的设计理论已经有了很大的发展，但还不能适应　工程实际的需要。目前我国还没有编制专门针对　型钢混凝土结构的设计规范，对型钢混凝土受弯　构件也没有形成统一的计算理论，最主要的分歧　是对型钢和混凝土间粘结滑移的不同考虑¨Ｉ４　Ｊ。　因此，对型钢混凝土受弯构件的破坏形态、承载能　力、粘结性能、延性等力学性能及其影响因素进行　深入研究有着重要的意义。本文采用试验研究的　方法，研究了型钢混凝土梁的各项力学性能。　１试件设计及试验方案　１．１试件设计　本试验梁采用内含Ｈ型钢的型钢混凝土梁。　目前，关于型钢混凝土结构的试验研究大多采用轧　制工字钢，很少采用Ｈ型钢，这不能适应梁柱内多　种型钢形式的需要。Ｈ型钢亦称“宽翼缘工字　钢”，是一种重要的型钢，其力学性能优越，在各钢　铁工业发达国家是一种产销量几乎与螺纹钢、线材　相同的产品。试验共设计制作了８根型钢混凝土　试验梁，梁长２　ｍ，净跨１．８　ｍ，横截面见图１。　２西１２　图１试验梁截面示意图　材料性能：混凝土采用Ｃ３０，实测立方体强度　为３３．０　ＭＰａ；纵筋和箍筋分别采用ＨＲＢ４００和　ＨＰＢ２３５热扎钢筋，实测屈服强度分别为５５２　ＭＰａ　和２６５　ＭＰａ：Ｈ型钢的型号为１００×１００×６×８，钢　材屈服强度为２７０　ＭＰａ。各试件型钢和混凝土的　粘结情况及配筋情况见表１。　１．２试验方案　１．２．１加载方案　试验采用四点弯曲加载方案，在距梁两端支　座５００　ｍｍ处施加两个集中荷载，纯弯段长８００　ｍｍ。加载装置采用３０　ｔ级液压千斤顶，荷重传感　器采用ＢＨＲ一４型荷重传感器，在加载过程中，应　变数据采用ＤＨ３８１５静态电阻应变测试仪记录，　试验方案如图２和３所示。　表１试件主要参数　试件编号强度等级　混凝土　粘结条件　纵筋　箍筋　型钢与混凝土的隔离采用在型钢表面粘贴透　明胶带，剪力连接件采用直径１０　ＩＴｌｌｎ，长度４０　ＩＴｌｌｎ　的圆钢，双排布置，纵向间距为２００　ＩＴｌｌｎ，横向间距　为５０　ｍｍ。　５０ｏ　８０ｏ　５００　图２试验方案示意图　图３试验粱试验过程　１．２．２测试方案和内容　试验为单调加载的静力试验。在正式加载　前，先对试件进行预加载，预加载值为试件计算开　裂荷载的６０％。正式加载时，先以极限荷载的　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第１５１期　范进沈银良张斌型钢混凝土梁受力性能试验研究　７１１　１０％作为每级加载值，每级荷载的持荷时间约为　１０　ｍｉｎ，加载达计算的极限荷载的９０％时，放缓加　载速度。通过ＤＨ３８１５静态电阻应变测试仪的定　时采样功能，每隔１０　Ｓ采样一次，以获得混凝土、　钢筋、型钢应变变化规律以及极限荷载时的应变。　试验主要测试内容有：混凝土的开裂及裂缝　发展，试件破坏形态，混凝土、钢筋及型钢的应变、　混凝土和型钢之间的滑移。滑移传感器是根据电　子位移计的原理自制的。试件内部钢筋、型钢上　应变片及滑移传感器的布置图如图４和５所示，　同时在混凝土表面也布置了一定数量的应变片。　图４钢筋、型钢表面应变片布置图　图５　Ｈ型钢表面滑移传感器布置图　２试验现象及试验结果分析　２．１试验现象　在加载初期，试件的荷载挠度曲线基本呈线　性变化，当荷载达到６０　ｋＮ（即弯矩为１５　ｋＮ・ｍ）　左右，首先在试件纯弯段下边缘出现弯曲微裂缝；　随着继续加载，裂缝数量增加，间距一般在１３　ｍｍ　一２０　ｍｍ之间，与箍筋间距相近，因此，可以推断　纯弯段的裂缝间距和箍筋间距有一定的关系；当　荷载达到１００　ｋＮ（即弯矩为２５　ｋＮ・ｍ）时，在弯剪　段底部出现弯曲微裂缝；随着荷载的继续增加，纯　弯段裂缝缓慢向上发展，弯剪段裂缝向加载点倾　斜发展，当遇到型钢下翼缘时，裂缝发展速度明显　变缓；接近极限荷载荷时，弯曲裂缝才发展到型钢　上翼缘，剪切裂缝也延伸到加载板附近。除试件　Ｃ　为剪切破坏以外，其它试件均为纯弯段受压区　混凝土被压溃而破坏。弯曲破坏形式和剪切破坏　形式见图６和图７。　图６试验梁弯曲破坏形式　图７试验梁剪切破坏形式　２．２试验结果分析　２．２．１荷载一挠度曲线　图８为各试件跨中截面荷载一挠度曲线。由　图可见，荷载在极限荷载的７０％一８０％以前，跨　中截面的挠度呈明显的线性增长趋势，试件处于　弹性阶段；在极限荷载的８０％一９０％之间，挠度　的增长速度逐渐加快，试件进入弹塑性阶段；到极　限荷载的９０％以后，荷载增加很慢，而挠度迅速　增加，表明型钢已屈服，但试件没有发生脆性破　坏，承载能力也未见减小，而是略有增加，说明了　型钢混凝土梁具有很好的延性。图９为试件Ｃ　和试件Ｃ　的挠曲线，由图可见，型钢和混凝土之　间没有粘结力的试件Ｃ　在荷载超过１２０　ｋＮ后的　挠度增长明显快于试件Ｃ　。　图８试验梁跨中荷载挠度曲线　图９试验梁Ｃ：和Ｃ　挠曲线　２．２．２应变分析　在加载初期，混凝土、钢筋、型钢的应变随着　荷载线性变化，但由于混凝土过早开裂，受拉区部　分混凝土应变片由于混凝土开裂被拉断，部分由　维普资讯 http://www.cqvip.com

７ｌ２　南京理工大学学报　第３０卷第６期　于裂缝间混凝土回缩，输出应变不断减小，而在试　件顶面混凝土受压区应变片输出应变不断增大。　当荷载达到极限荷载时，试件Ｃ。和试件Ｃ　顶面　混凝土的极限应变分别为０．００３　１和０．００３　２，全　部试件极限荷载时混凝土的极限应变平均值为　０．００３。图ｌ０为试件ｃ。和试件ｃ　纯弯段顶面混　凝土压应变随荷载的变化曲线。　图ｌ０试验梁Ｃ。，Ｃ　跨中截面上边缘混凝土压应变　图１１为试件Ｃ　型钢截面应变分布图。型钢　应变分布在极限荷载８５％以前，都呈现平面分布　规律，应变随着荷载而线性增加，中和轴在距型钢　上翼缘１５　ｍｍ处。随着荷载的进一步增大，型钢　上下翼缘逐渐发生塑性应变，每级荷载的应变增　加幅度明显变大，而中和轴的位置只有微小变化。　图１１试验梁Ｃ　内型钢的截面应变　图ｌ２为试件受拉纵向钢筋的应变随荷载的　变化曲线，跨中截面受拉纵筋的应变都随荷载线　性增大，除个别试件在加载后期应变片损坏外，其　余试件纵筋都发生了屈服；图ｌ３为试件Ｃ．和试　件Ｃ　弯剪段箍筋的应变随荷载的变化曲线。弯　剪段的箍筋在加载初期受力很小，在加荷中期应　变明显增大，这说明弯剪段箍筋在混凝土开裂后　开始承担弯剪段的剪力，在极限荷载时弯剪段箍　筋没有发生屈服；纯弯段的箍筋在极限荷载以前　基本不受力，当荷载接近极限荷载时，应变突然增　大，说明纯弯段箍筋在承载力后期对核心混凝土　有一定的约束作用。　图ｌ２试验梁跨中截面受拉纵筋应变　图ｌ３试验梁Ｃ。，Ｃ　弯剪段箍筋应变　２．３试验梁力学性能的影响因素分析　２．３．１配箍率的影响　由试件Ｃ．一Ｃ　的试验结果可知，配箍率较小　的试件Ｃ　为剪切破坏，极限承载力和挠度都比试　件ｃ。和试件ｃ　小，而配箍率较大的试件ｃ　的极　限承载力和挠度和试件Ｃ。和试件Ｃ　基本一致。　说明虽然箍筋的存在可以约束混凝土，增大型钢　和混凝土之间的组合作用，但对于型钢混凝土梁　的正截面承载力没有影响，而对斜截面承载力影　响较为明显。通过对裂缝间距的测量发现，裂缝　间距和箍筋间距有一定关系。　２．３．２粘结力的影响　试件Ｃ　隔离了型钢和混凝土，型钢和混凝土　之间不存在粘结力，试件ｃ　仅型钢上下翼缘外侧　与混凝土有粘结力。试件Ｃ　和试件Ｃ　的极限荷　载分别为２１５．５　ｋＮ和２１８．２　ｋＮ，分别比自然粘结　的试件Ｃ。和试件Ｃ　的平均值低８．５％和７．３％，　说明型钢和混凝土之间的粘结力的存在与否对型　钢混凝土梁的承载力影响较为明显。试件Ｃ　的　承载力仅比试件Ｃ　提高了１．３％，说明仅型钢翼　缘外侧与混凝土之间的粘结对型钢混凝土的受弯　承载力基本没有影响，从而能推断型钢整体或型　钢翼缘内侧和腹板与混凝土的粘结对型钢混凝土　梁正截面承载力有较为显著的影响。　同时，在加载过程中可以发现试件Ｃ　的挠度　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第１５１期　范进沈银良张斌型钢混凝土梁受力性能试验研究　７１３　发展最快，试件ｃ。次之，其余各试件挠度发展变　化基本相同，这说明当型钢和混凝土之间不存在　粘结时，试件刚度明显减小。　２．３．３抗剪连接件的影响　试件Ｃ，在型钢上翼缘加剪力连接件，试件　Ｃ。为隔离型钢和混凝土并在型钢上翼缘加剪力　连接件。试件Ｃ，和试件Ｃ。的极限荷载分别为　２３７．５　ｋＮ和２３３．８　ｋＮ。试件Ｃ，相对于试件Ｃ。　和试件Ｃ　的承载力几乎没有提高，这说明型钢和　混凝土之间的自然粘结作用能保证剪力的可靠传　递；而当型钢和混凝土之间没有粘结作用时，抗剪　连接件的设置可以提高型钢混凝土梁的承载力和　刚度，试件Ｃ。的承载力相对于试件Ｃ　的承载力　提高了８．５％，而相对于自然粘结的试件Ｃ。和试　件Ｃ　几乎没有下降。　２．３．４滑移分析　根据滑移传感器的数据，型钢和混凝土之间　的滑移存在一定的随机性，但其规律性还是很明　显的。除了做了隔离的试件Ｃ　试件Ｃ　和试件　Ｃ。外，其它试件均在加载后期才出现明显的滑　移，在接近极限荷载时滑移才迅速增加，试件ｃ　和试件Ｃ。在加载中期就出现了滑移，试件Ｃ。出　现滑移的时间稍晚于试件Ｃ　。　试件Ｃ，相对于试件Ｃ。和试件Ｃ　设置了剪力　连接件，但这并没有延缓型钢和混凝土之间的滑移　的发生，其滑移的规律与试件Ｃ。和试件Ｃ　相同。　３结束语　（１）本试验各试件开裂弯矩基本一致，说明　当型钢对称布置时，型钢混凝土梁的开裂弯矩与　型钢和混凝土间是否存在粘结力、箍筋间距大小、　是否设置剪力连接件无关；型钢的存在，延缓了裂　缝的发展；裂缝间距和箍筋间距有一定的关系。　（２）型钢混凝土梁具有较好的延性；当配箍　配置较少时，型钢混凝土梁会发生斜截面受剪　破坏。　（３）型钢与混凝土之间的粘结力对型钢混凝　土梁的承载力和刚度有显著影响；只有当型钢和　混凝土之间不存在粘结力时，剪力连接件对型钢　混凝土梁的承载力和刚度有一定影响。　（４）型钢和混凝土之间滑移存在一定的随机　性，一般在加载后期出现明显的滑移，在接近极限　荷载时滑移迅速增加；无论型钢与混凝土之间的　粘结力是否存在，剪力连接件都不能延缓或减小　型钢和混凝土之间的滑移。　参考文献：　［１］杨勇，赵鸿铁，薛建阳．型钢混凝土粘结滑移力学　性能研究综述分析［Ｊ］．西安建筑科技大学学报，　２００２，３４（２）：１０３—１０８．　［２］ＣｈａｒｌｅｓＷＲ，Ｒｏｂｅｒｔ　Ｃ．Ｓｈｅａｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉ－　ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＡＳＣＥ，１９９９，１２５（２）：１４２　—１５１．　［３］Ｗｅｎｇ　Ｃ　Ｃ，Ｙｅｎ　Ｓ　Ｉ，Ｊｉａｎｇ　Ｍ　Ｈ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕａｙ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｆｕｌｌ・・ｓｃａｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｎ・－　ｃｒｅｔｅ　ｅｎｃａｓｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｅｂａｍｓ［Ｊ］．Ｊ　ｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｎｅｅｒ－　ｉｎｇ，２００２，１２８（９）：１　１８６—１　１９４．　［４］　王连广，李立新，张海霞．钢骨混凝土结构构件滑　移性能研究［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，２００２，３５　（５）：３２—３４．