钢桁架_混凝土组合梁的试验研究_潘年

随着结构工程的不断发展， 对各种能够满足超 高层、 大跨度及其他特殊要求的结构形式的需求越 来越大。同时， 创新节能的新型建筑模式是目前结 构工程领域中最值得关注的问题 。钢 － 混凝土组合 结构在解决上述问题方面有较大优势并得到了广泛 ［1 － 6 ］ 。本文研究的钢桁架 － 混凝土组合梁是在 应用 钢 － 混凝土组合梁的基础上发展起来的一种新型组 合结构形式， 它具有一定的优越性， 可以节省钢材用 量、 提高经济效益， 因此， 具有很好的应用前景。 1 1. 1 试验方案 试验设计 1 ） 钢桁架： 上海皮特森金属结构系统有限公司
大的过程中， 构件一直保持很好的整体性， 整体变形 当荷载加到屈服荷载 （ P y = 130 kN 左右 ） 不明显， 时， 试件开始进入弹塑性状态， 整体变形开始明显变 化。当荷载增加到接近极限荷载 P u （ P u = 150 kN 左 右） 的 90% 时， 混凝土翼板下表面开始出现微裂缝， 但裂缝数量很少。裂缝首先出现在混凝土下表面的 钢桁架节点处， 随后栓钉连接件的位置也出现裂缝 ， 并且随着荷载的逐渐增加， 裂缝一直向外延伸， 最后 成为一条通长的裂缝， 如图 5a 所示。侧面的裂缝由 混凝土下表面的裂缝延长过来， 沿混凝土翼板的厚 度方向从下往上延伸， 如图 5b 所示。 加载结束后， 对应于钢桁架节点的跨中位置处， 混凝土翼板的上 表面附近出现被挤压的痕迹， 如图 5c 所示。 3 3. 1 试验结果及分析 杆件应变对比曲线
a—混凝土翼板下表面的裂缝； b—沿翼板厚度的裂缝； c—翼板上表面被挤压的痕迹 图5 Fig． 5 桁架组合梁的破坏形态 Failure patterns of truss composite beam
合梁下弦杆的抗拉特性充分发挥， 在极限荷载 P u 时， 下弦杆应变达到屈服应变的 10 倍—15 倍， 而钢 桁架下 弦 杆 应 变 只 达 到 屈 服 应 变 的 1. 2 倍—1. 5 倍。 图 6b 为两种桁架的上弦受力情况， 钢桁架的 上弦以受压为主， 而桁架组合梁的上弦由钢桁架的 上弦与混凝土翼板组成， 由此组合梁的中和轴确定 。 钢桁架的上弦是否受压 本试验的实测结果显示， 桁架组合梁的钢桁架上弦处于受拉状态 。 图 6c 和图 6d 为两种桁架的斜杆受力情况。 由 于桁架组合梁的混凝土翼板提供了一部分抗剪能 力， 降低了钢桁架部分的剪力， 其腹杆所受的剪力与 相应钢桁架相比有所减小， 改善了腹杆的受力状况。 3. 2 荷载 － 挠度对比曲线 124
Schematic diagram of test setup for truss composite beam
置都布置了位移计， 实测结构最大竖向位移及组合 。 桁架整体变形 在梁端部， 量程较小的位移计用来 实测支座沉降， 导杆引伸仪用来实测钢桁架与混凝 土之间的相对滑移。 1. 4. 2 应变实测点 1 ） 钢桁架部分， 实测点布置如图 3a 所示， 实测 下弦杆的最大拉应变、 腹杆的最 上弦杆的最大应变、 大拉应变及最大压应变。2 ） 混凝土翼板， 实测点布 实测跨中翼板上表面沿宽度方向和 置如图 3b 所示， 沿厚度方向的应变。
— —潘 钢桁架 － 混凝土组合梁的试验研究— 年， 等
3 组试验的钢桁架处于弹性阶段， 加载初期， 跨 。 （ P 中挠 度 变 化 很 小 当 荷 载 接 近 屈 服 荷 载 y = 100 kN左右） 时， 桁架进入弹塑性状态， 荷载 － 跨中 挠度曲线逐渐偏离原挠曲曲线。当曲线开始折弯之 后， 随着荷载的继续增加， 纯弯区的受压上弦杆突然 失稳， 试验停止。试验破坏现象如图 4 所示。 2. 2 桁架组合梁 加载初期 ， 构件处于弹性阶段 。 在荷载逐渐增 123
1. 2
材料性能 试件所用钢材的拉伸试验结果如表 1 所示。
表1 钢板材性试验结果
屈服应变 / 10 － 6 1 578 1 521
Table 1
钢板厚 / mm 3 5
The test results of properties of steel plate
屈服强度 / MPa 313. 4 270. 3 极限强度 / MPa 453. 37 384. 60 延伸率 / % 32. 8 32. 3 Fig． 2 图2 桁架组合梁加载装置示意
F650LH04 － 9000 。 生产， 规格为 PSJ2 ） 组合桁架： PSJF650LH04 － 9000 与混凝土 板组合的桁架组合梁， 试件构造如图 1 所示。 栓钉 采用 10 × 60 ， 按完全抗剪连接布置， 布置方式为双 列， 纵向间距为 250 mm， 共 36 排， 端部栓钉距桁架 上 弦 杆 端 部 120 mm。 受 力 钢 筋 布 置 为 双 层 8@ 150 ， 分布钢筋布置为双层 8@ 235 。
表2 Table 2 混凝土试块抗压强度 Compressive strength of concrete coupons
Fig． 3 a—钢应变实测点； b—混凝土应变实测点 图3 桁架组合梁的测点布置 Layout of measuring points of truss composite beam
a—试件跨度； b—截面构造； c—钢桁架主要截面尺寸 图1 Fig1 桁架组合梁的构造 Details of truss composite beam
浇筑构件时， 制备 2 组共 6 个边长为 150 mm 的标准立方体试块， 并与试件在相同的室内环境中 养护， 混凝土试块强度的试验结果如表 2 所示。
钢桁架 － 混凝土组合梁的试验研究
潘 年
1， 2
聂建国
1， 2
余洲亮
3
（ 1． 清华大学土木工程系，北京 100084 ； 2． 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084 ； 3． 上海皮特森金属结构系统有限公司，上海 271000 ） 摘 要： 以钢桁架 － 混凝土组合梁为研究对象， 对 3 组钢桁架和 3 组桁架组合梁（ 每组有 2 榀桁架） 进行
a—上弦受压失稳； b—上弦平面外失稳 图4 Fig． 4 钢桁架的破坏形态 Failure patterns of steel trusses
把钢桁架和桁架组合梁的杆件应变曲线画在一 起， 得到两种桁架的应变曲线对比， 如图 6 所示。 从图 6a 可知， 在初始加载阶段， 两种桁架的下 弦杆的受力情况基本相同 。 到了塑性阶段 ， 桁架组
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变形和承载力等受力性能， 并对两者进行比较， 得出： 将钢 对比试验研究。研究桁架组合梁和钢桁架的刚度 、 桁架与混凝土翼板组成桁架组合梁后， 桁架杆件的受力性能和结构稳定性得到很大的改善， 结构整体刚度和 承载力显著提高， 具有显著的经济效益。 在结构力学的基础上， 提出了桁架组合梁的短期刚度 、 挠度及抗弯 承载力计算公式， 并利用试验实测结果对公式进行验证 。 关键词： 钢桁架； 钢桁架 － 混凝土组合梁； 拟静力试验； 抗弯刚度； 抗弯承载力 DOI： 10. 7617 / j． issn． 1000 － 8993. 2013. 10. 026
把钢桁架的荷载 － 跨中挠度曲线与桁架组合梁 的荷载 － 跨中挠度曲线画在一起， 得到两种梁的荷 载 － 跨中挠度曲线对比， 如图 7 所示。 根据试验曲 线的发展趋势， 结合钢材材性试验和试验过程中材 料的应力 － 应变关系， 可将钢桁架和桁架组合梁的 受力过程大致分为如下几个阶段 。 3. 2. 1 钢桁架 1 ） Ⅰ阶段： 图 7 中钢桁架试验曲线的 a—b 阶 段。在此阶段， 各种材料均处于弹性状态， 桁架的受 力过程较为理想， 荷载与挠度保持线性关系。 2 ） Ⅱ 阶段： 图 7 中钢桁架曲线的 b—c 阶段。 在此阶段， 桁架结构的承载力由受压的上弦杆失稳 控制， 使材料无法充分发挥其特性。虽然， 桁架结构 的受力过程也能进入弹塑性阶段 ， 但结构延性较差，
1985 年出生， 第一作者： 潘年（ 柬埔寨） ， 男， 硕士。 电子信箱： bagnaheng@ yahoo． com 收稿日期： 2012 － 09 － 14
122 Industrial Construction Vol. 43 ， No. 10 ， 2013
工业建筑 2013 年第 43 卷第 10 期
混凝土试块尺寸 / mm 立方体抗压强度 / MPa 轴心抗压强度 / MPa 150 × 150 × 150 33. 32 25. 32
1. 3
试验装置和加载方案 试件简支， 考虑到构件在实际应用中的荷载作
2 2. 1
试验现象 钢桁架
用方式和桁架的主要节点受力特性的情况， 采用 4 点对称集中加载， 其跨中弯矩等效于均布荷载作用 下所产生的跨中弯矩。 采用 2 台 300 kN 的油压千 斤顶加载， 加载方式为单调静力加载。 加载装置示 意如图 2 所示。 1. 4 量测方案 1. 4. 1 位移实测点 每榀桁架下弦杆下方的跨中位置及集中荷载位
EXPERIMENTAL STUDY OF COMPOSITE BEAM ASSEMBLED BY STEEL TRUSS AND CONCRETE
2 Heng Panha1， 2 Nie Jianguo1，
Yu Zhouliang3
（ 1． Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084 ，China； 2． Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Beijing 100084 ，China； 3． Shanghai Peterson Metal Building System Co． Ltd，Shanghai 271000 ，China） Abstract： The paper was mainly focused on the study of composite trusses， by conducting static loading tests on 3 sets of composite trusses and 3 sets of steel trusses（ 2 trusses per set） ． Through the tests，the composite trusses and steel trusses were compared in mechanic performance，rigidity，deformation，and moment capacity，etc． After comparing， the conclusions were drawn that in the composition， the mechanical performance of the chords and webs， and structural stability were greatly improved，and the rigidity and moment capacity were increased． So，the composite trusses were more economical for engineering application． It was also proposed the formulas for calculating the shortterm stiffness，deflection and elastic moment capacity，and methods for calculating the ultimate moment capacity for composite trusses，which all were verified by the test results． Keywords： steel truss； steel trussconcrete composite beam； pseudo static loading test； flexural rigidity； moment capacity