裝配式型鋼-混凝土組合扁梁研究
2017-02-27 10:42 中國鋼結構資訊網 系統管理員
近年來，隨著我國經濟迅速增長，鋼產量也迅猛提高，給鋼結構的發展帶來了前所未有的機遇。目前我國鋼結構用鋼量在總鋼產量中占比僅為5%~6%，其中鋼結構住宅用鋼量占比還不到1%，遠遠低于發達國家20%~30%的平均水平。與傳統混凝土框架剪力墻結構建造方式相比，鋼結構體系容易實現大規模工業化生產，裝配式鋼結構更容易滿足人們對建筑結構產品在數量和質量方面的要求，具有材料強度高、結構自重輕、抗震性能優越、制作與安裝工業化程度高，施工周期短等眾多優點，同時采用裝配式施工方式能最大程度減少施工現場的占用面積和建造過程中產生的建筑垃圾，符合可持續發展的戰略。
目前，對裝配式住宅產業化研究主要集中于鋼筋混凝土結構，而對裝配式鋼結構住宅的研究較少。雖然，與鋼結構體系相配套的主要結構部件梁、柱和墻板可實現工廠預制，現場裝配，但樓板仍采用壓型鋼板或疊合板，現場澆筑。可見鋼結構體系在施工過程中，現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護明顯滯后于鋼結構主框架的施工速度，這就造成兩種主要構件的施工銜接不連貫，不緊湊，無法形成暢通的流水作業，導致鋼結構體系裝配施工速度受到嚴重制約，大量現場澆筑的樓板連接方式已經難以解決鋼結構住宅產業化的要求，這就對新型預制樓板的開發以及樓板與柱連接的設計提出了更高的要求，尋求新型梁板連接的組合扁梁結構形式已成為必然。
型鋼-混凝土組合扁梁結構特點
從20世紀50年代開始，鋼—混凝土組合梁結構在許多實際工程中得到應用，尤其是最近20年來已在高層結構、工業廠房以及橋梁結構等領域應用廣泛，取得了良好的經濟效益和社會效益。
T型組合梁通常將型鋼梁和混凝土翼緣板通過抗剪連接件相連而形成整體，該類梁結構能充分發揮混凝土與鋼材的優點，提高梁的承載力、剛度和穩定性。在20世紀80年代初，隨著壓型鋼板組合梁結構在高層建筑中開始采用，大幅度縮短了建造時間，同時降低了樓蓋結構高度和自重，該類組合結構的應用和發展到達了一個新的時期。我國《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）以及歐洲規范4（1990-1999）中第一部分均有T型組合梁的設計方法。然而，T型組合梁由于結構和構造上的要求，導致產生樓面結構層高度較大和樓板需要現澆等問題，難以滿足裝配式鋼結構中央快速裝配、便捷施工的理念。
組合扁梁作為一種新的結構形式，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，隨后現場澆筑混凝土填實，鋼梁與混凝土之間通過相互的粘結力，使得兩種材料不僅能發揮混凝土抗壓強度高和鋼材抗拉性能好的優勢之外，還能形成整體協同工作。該類組合扁梁樓蓋將鋼梁內嵌于混凝土樓板之中，實現樓蓋中不設次梁的狀態，從而滿足“無梁樓蓋”的要求，因此，能夠最大程度上減小結構層高，使得建筑樓層的有效空間加大。此外，在多高層、大跨度結構中使用組合扁梁，其力學效果更為明顯，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，組合扁梁結構分為疊合板組合扁梁、深肋組合扁梁、拱形組合扁梁、預制板組合扁梁等多種類型，并且易于實現不同工程結構的需求。
在裝配鋼結構體系中使用新型組合扁梁結構能降低結構高度、增加使用面積、減少工程造價，具有對良好的經濟和社會效益。目前，雖然對國內外組合梁的受力性能開展了較為深入的研究，但是，對于應用于裝配式鋼結構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方面，介紹國內外對組合扁梁和T形組合梁受力性能研究成果。
國內外對組合梁結構受力性能研究現狀
國內外學者通常將組合樓蓋體系整體受力性能轉化為三個主要部分去研究，即組合梁結構、上翼緣樓板結構以及梁板之間相互作用，其中組合梁是實現板與柱之間連接傳力的重要構件。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現樓板整體性能的關鍵，也是研究組合梁的受力性能是的重點和難點。
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。我國最早對槽鋼和彎筋等柔性抗剪連接件進行研究，設計出兩根采用槽鋼作為剪力連接件的組合梁，由截面豎向應變分布曲線，可知該類組合梁在受力過程中截面變形保證平面，隨后又對該類抗剪件組合梁進行較為系統的試驗研究，并于1983年提出了槽鋼剪力連接件計算公式。栓釘焊接設備的發明應用，推動了栓釘抗剪件的研究，我國專家設計了多組栓釘抗剪件推出試驗，深入分析了其剪切力學性能，研究成果在《鋼結構設計規范》（GBJ17-88）關于剪切連接章節中得以體現。
混凝土翼緣有效板寬研究——通常組合梁在進行計算時將其截面視為T形截面，由于翼緣板中剪力滯后現象的存在，產生的剪應變導致混凝土整個截面不能保證平截面，造成翼板內的壓應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，為了解決這一問題，在設計中通常引入有效寬度的概念進行簡化計算。有專家認為有效寬度既不能代表混凝土翼緣板抗彎時的屈服寬度，也不能表示該板的實際參與寬度，而是按等效后有效板寬中最大彎曲正應力和壓應力合力分別與實際組合梁翼緣板相等的原則確定的一種折算寬度。
在國外對安全剪切連接的組合梁在正常使用和承載能力兩種狀態下的有效翼緣板寬取值做了較為細致的研究，提出組合梁混凝土翼緣有效寬度在正、負彎矩區應取值不同，試驗結果表明當時歐洲規范中組合梁塑性設計時，其有效寬度取值的計算方法較實際情況偏于保守，并推導出組合梁在塑性狀態下有效寬度取值的修正公式。
現有研究表明，采用不同的設計方法和規范計算出的有效板寬對組合梁的承載力有顯著影響。但是，由于對組合梁的剪力滯后效應和不同材料組合性質研究不充分，組合梁在彈性階段和塑性階段以及正彎矩區和負彎矩區，其有效板寬計算方法仍需深入研究。綜上可見，國內外規范對組合梁翼板有效寬度設計方法差別較大，而且，諸多學者是否將翼緣板厚作為影響有效板寬的因素，仍持有不同見解。綜上，當前關于組合梁翼緣板有效寬度取值問題亟待解決。
變形與剛度計算理論研究——國內已有研究資料表明，換算截面法計算出來的組合梁剛度（包括短期和長期剛度）計算值偏高，從而導致變形計算值低于實測值，說明通過換算截面剛度法計算產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將發生形變，從而出現交界面滑移現象，這種不可避免的滑移對組合梁變形影響巨大。
極限抗彎承載力研究——早期組合梁規范源于橋梁結構，采用彈性理論設計方法，如《美國公路與運輸行業標準》（AAHSTO 1944）和《德國橋梁規范》（DIN1078 1954），60年代中期開始逐漸運用按塑性理論設計方法。我國專家試驗研究了4根部分剪力連接組合梁，并將量測結果與國內外8根部分剪力連接組合梁進行對比，提出考慮剪力連接程度影響的組合梁極限抗彎承載力計算公式并給出修正建議。
國外專家利用有限元軟件對鋼一混凝土組合板梁進行三維實體建模，非線性分析結果表明，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，使腹板受拉區寬度增加，從而增強了組合梁的整體承載力。對部分剪力連接的組合梁在負彎矩區受力性能進行了研究，試驗表明組合梁極限承載能力并沒有隨著剪切連接程度降低而產生顯著變化，但是，組合梁的延性較動能力反而提高了，并根據上述結果，提出了計算部分剪切連接組合梁極限承載能力的修正剛一塑性設計方法。國內外關于組合扁梁抗彎承載力的計算方法研究較少，有文獻提出簡支深肋組合扁梁設計方法，由于該類梁結構主要依靠粘結力實際不同材料協同工作，因此，組合扁梁為完全剪力連接條件下，能夠最大程度發揮扁梁截面的抗彎在載力，故應按塑性理論設計其抗彎承載能力。
綜上所述，現有關于組合梁極限承載力的設計理論，若能在綜合考慮抗剪連接程度和滑移效應的基礎上按照塑性理論進行設計，將更符合實際。我們對現有組合梁結構在縱向抗剪承載力、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行了總結。研究表明，現有組合梁結構暫時不能廣泛應用于裝配式鋼結構的主要原因在于，其設計原理均是基于傳統現澆樓板提出的，而對適用于裝配式樓板的組合扁梁結構研究不足。為了促進裝配式住宅產業化的發展，還需進一步增加對鋼一混凝土組合結構的研究，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理和設計理論亟待研究，這對完善現行鋼結構設計理論、推廣裝配施工的設計理念和實際，對實現我國裝配式鋼結構住宅產業化目標具有積極的現實意義。
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