高强钢组合梁

1浅谈高强钢-混组合结构研究现状摘要：钢-混组合梁是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。具有钢材和混凝土各自的优点，是继钢筋混凝土之后工程上又一成功的结构形式。本文介绍了组合结构的定义及特点，并对目前国内外高强钢-混组合结构研究现状进行了简要的介绍。关键词：组合结构；特点；高强Abstract：Steel-ConcreteCompositeBeam,whichtakesbothadvantagesofsteelandconcrete,isanewstructuredevelopedfromreinforcedconcretestructure..Itisanothersuccessfulstructureafterreinforcedconcretestructure.Thispaperintroducesthedefinitionandcharacteristicsofcompositestructure,andgivehighstrengthsteelcompositestructureathomeandabroadresearchstatusabriefintroduction.Keywords：compositestructure;characteristic;highstrength1组合梁定义钢-混组合梁是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。混凝土抗压强度高，抗拉强度低，宜用于承受压力，不宜承受拉力，而钢材抗拉抗压强度较高，但是钢结构构件的截面一般较薄，受压时容易发生屈曲。钢-混组合梁则充分结合了以上两种材料的优点，翼板采用钢筋混凝土板，作为受压结构，腹板采用钢材，作为受拉结构，混凝土板和钢梁通过剪力连接件进行连接，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。是继钢筋混凝土之后工程上又一成功的结构形式。2组合梁特点钢-混组合梁除了包含钢材和混凝土两种材料自身的性能特点外，还具有许多其他优点：（1）节约钢材。混凝土板主要处于受压区，钢材主要处于受拉区。两种材料都能发挥各自的优势。研究表明，相对于钢结构，钢-混组合结构可以节省20%-40%的钢材[1]。（2）刚度更强，梁高降低。组合梁中有混凝土板辅助工作，钢筋混凝土板的参与大大增强了梁的刚度。通过比较组合梁和钢板梁，可发现，在相同的刚度要求条件下，组合梁可比钢板梁截面高度将减小10%；而在相同的用钢量情况下，组合梁可比钢板梁的挠度减少1/3-1/2。另外，梁的自振频率也得到了提高。同时，由于混凝土面板的存在，使得钢-混组合梁的侧向刚度和竖向刚度都有了很大的提高。（3）增加承载力。钢筋混凝土板与钢梁作为全梁的一部分，比按照非组合梁考虑能够承受更大的荷载。（4）施工方便，进度加快。钢梁可以作为混凝土面板的模板支撑，可以直接在钢梁上2进行浇筑，从而减少了搭支架的工作量，进而减少了施工时间，加快了施工进度。（5）抗疲劳性增强。同样是由于混凝土板的存在，使得混凝土板传递的力发生了扩散，致使钢梁上翼缘受到的应力大大减少，改善了全梁的受力状态，从而增强了组合梁的抗疲劳性能。（6）抗震性能提高。由于组合梁抗疲劳性能和整体性能的增强，使得组合梁的抗震性能也得到了增强[2]。（7）增加抗火性能。钢筋混凝土的存在对整根梁的抗火性能的提升有很大的贡献。3高强钢-混组合梁研究目的钢-混组合结构产生于20世纪20年代，但是一直到20世纪70年代才作为最基本的结构形式在工程中大量应用。钢-混组合梁的发展可以分为三个阶段：初始阶段、推广阶段和全面发展与应用阶段。钢-混组合梁结构在我国的研究起步比较晚，直到1978年才有进行相关的应用，但是我国组合梁发展迅猛，特别是近年来，钢-混凝土组合梁结构在建筑和桥梁结构中得到越来越广泛的应用，取得了显著的经济效益和社会效益。组合梁的相关研究也有了很多。目前，组合梁在实际应用中，混凝土等级一般不超过C60，钢梁等级一般不超过Q500，对于更高强度的组合梁的性能特点是什么，很少有人进行研究。许多相关的研究要么只针对纯钢梁，要么只针对纯混凝土梁，很少对高强钢-混组合梁进行研究。在材料科学取得长足进步以及组合梁理论不断完善的背景下，把高强高性能材料引入到普通的钢-混凝土组合梁中，将取得显著的经济效益和社会效益。高强材料组合梁是新材料和新结构的有机结合。因此，进行高强钢-混组合梁进行研究是相当有必要的。4高强钢-混组合结构研究现状2008年，王春生等[3]为研究高强钢-混凝土组合梁中结构几何参数及材料强度对组合梁受力性能的影响，建立了14组构件在跨中两点对称荷载作用下的有限元数值模型，对其受力性能进行了分析。混凝土等级从C40到C70，钢材等级从Q235到Q420。分析结果表明：在承载能力极限状态下，钢梁的贡献占竖向抗剪强度约77.0%；在弹性与塑性阶段，不同材料强度的组合梁的跨中最小与最大挠度比值分别为79.5%和28.0%；在塑性状态下，不同混凝土板横向配筋率和宽度的组合梁的跨中最小与最大挠度比值分别为62.1%和53.3%，不同材料强度、混凝土板宽度、横向配筋率和厚度的组合梁的最小与最大纵向滑移量比值分别为25.0%、41.9%、63.2%、70.7%。可见，提高钢梁强度或增大钢梁尺寸可显著提高组合梁竖向抗剪能力；材料强度对组合梁弹性工作阶段的跨中挠度影响较小，混凝土板横向配筋率及其宽度对塑性状态下跨中挠度有较大影响；弹性工作阶段材料与几何参数对组合面滑移的影响不明显，塑性状态下材料强度、混凝土板宽度、横向配筋率及厚度对纵向滑移影响较大。32009年，聂建国等[4]共进行了8根简支梁在跨中两点对称荷载作用下的试验，以研究高强钢-混凝土组合梁在静载作用下的受弯性能。8根试件均为完全剪力连接，主要的变化参数为混凝土强度等级和钢梁强度等级。加载方式为单调静力加载，试验测量内容主要为竖向加载荷载、挠度、截面应变等。试验结果表明，所有试件均发生典型的弯曲破坏，高强钢与混凝土通过栓钉连接表现出良好的整体工作性能。现行规范中的简化塑性计算方法可以较准确地预测该类型梁的极限抗弯承载力。根据该塑性理论方法，对组合梁进行了参数分析，主要变化参数为混凝土强度等级和钢梁强度等级。分析表明，其他条件相同时，相比混凝土强度，钢梁强度是影响组合梁抗弯承载力的主要因素。同年，于天泓等[5]介绍了高强钢组合梁在国内以及在澳大利亚、欧洲、美国等发达地区的研究现状，并指出其优点和在设计中存在的问题。他认为国际上对高强钢组合梁的研究主要集中在抗弯承载力问题上，且研究对象多为简支梁。而国内的研究则刚刚处于起步阶段。2013年，贾金青等[6]采用截面纤维单元分析法，编制了截面弯矩-曲率全过程分析程序。选取相关试验对该分析方法和计算程序进行验证，结果表明计算结果与试验结果吻合较好，此分析方法及计算程序可以较好地预测柱正截面强度和截面曲率延性。运用该分析方法与计算程序研究了轴压力系数、混凝土强度、配箍以及型钢对型钢超高强混凝土柱截面曲率延性的影响。结果表明：轴压力系数对截面曲率延性的影响最为显著；增强配箍能有效提高截面曲率延性，且改善配箍形式比仅提高体积配箍率更为有效；承受相同较大的轴向压力时，具有相同抗弯承载能力的型钢混凝土柱截面的曲率延性好于钢筋混凝土柱截面；箍筋有效约束指标'eI能综合反映配箍形式、箍筋直径、间距以及强度对截面曲率延性的影响，在其他条件相同时，与'eI基本成正比。同年，杨哲光[7]等针对高强工字型钢-混凝土组合梁的抗弯性能，建立了考虑滑移效应的三维有限元数值分析模型，对试验全过程进行非线性数值模拟。计算结果与试验数据吻合较好，利用该模型，对高强工字型钢-混凝土组合梁的受弯性能进行了力学分析，并由此验证简化塑性方法计算极限承载力的适用性，探讨了钢梁强度等级、混凝土强度等级对组合梁受弯性能的影响。在几何参数相同的情况下，钢梁的强度等级比混凝土强度等级对组合梁极限抗弯承载力提高幅度更明显。同年，邵旭东等[8]研发了超高性能轻型组合梁，以形成一种力学性能优越、构造简单、耐久性能良好的新型组合桥梁结构。从经济性和力学性能等方面，对超高性能轻型组合梁与传统钢梁及组合梁进行了对比分析，对比研究表明，轻型组合梁自重轻，抗疲劳和超载能力强，但价格较传统组合梁稍贵。它既可用于新建桥梁，也可用于病害桥梁的加固改造。同年Huiyongban等[9]通过建立有限元模型与已有试验数据进行对比对高强钢-混组合4梁的弯曲性能进行了研究。考虑了几何和材料的非线性。三维模型先用已有试验数据进行对比验证。之后利用该模型进行参数分析。在参数分析中，设置了40根不同强度等级的混凝土和钢材组成的组合梁，对其抗弯强度、刚度和连接界面进行了研究。最后得出结论：刚塑性分析理论高估了高强组合梁的抗弯承载力；随着混凝土或钢梁强度等级的提高、组合梁的非线性变形减小；欧洲规范高估了完全剪力连接的组合梁的原始刚度，中国规范得出的结果对于部分连接的组合梁不够准确；随着钢梁强度等级的增加，交界面的滑移显著增大。2014年，贾金青等[10]通过对12根预应力型钢超高强混凝土组合梁进行静力荷载作用下受弯性能试验，分析预应力型钢超高强混凝土组合梁荷载-挠度曲线和跨中控制截面应变分布的变化规律。试验结果表明：该组合梁荷载-位移曲线具有明显的开裂拐点、屈服拐点、峰值拐点和峰值后持载特征；从加载至峰值荷载的90%，试验梁跨中控制截面均满足平截面假定；试验梁达到极限状态后，内置工字钢截面应力发生变化，使该组合梁在超高强混凝土脆性破坏后仍具有较高剩余承载力。基于试验结果，采用简单叠加法和变形协同分析法，分别提出了预应力型钢超高强混凝土组合梁正截面受弯承载力计算式，结果表明：两种计算式均有一定的适用性，基于简单叠加法的正截面受弯承载力计算式计算结果较为保守，基于协同分析法的正截面受弯承载力计算式计算结果与试验结果吻合较好。5结语本文主要介绍了国内外对高强钢-混组合结构的研究现状。可以发现，目前国内外对于高强钢-混组合结构的研究还较少，主要是针对纯钢结构或者是纯混凝土结构的研究。而对高强钢-混组合结构的研究组要集中在抗弯承载力上。因此，有必要进行高强钢-混组合梁的研究，全面探讨引入高强钢和高强混凝土后，组合结构的力学性能。5参考文献[1]孙林林.钢-混凝土连续组合箱梁稳定性研究[D].湖南：中南大学，2009[2]卜伟斐.集中荷载作用下钢-混凝土组合梁稳定性研究[D].湖南：中南大学，2012.[3]王春生,宋天诣,冯亚成,徐岳.高强钢-混凝土组合梁受力性能分析[J].交通运输工程学报,2008,02:27-33.[4]聂建国,李红有,唐亮.高强钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2009,02:64-69.[5]于天泓,胡夏闽.高强钢组合梁研究概述[J].四川建筑科学研究,2009,05:7-11.[6]贾金青,朱伟庆,余芳,张丽华.型钢超高强混凝土柱截面曲率延性研究[J].土木工程学报,2013,01:42-51.[7]杨哲光,韩家辉.高强工字型钢-混凝土组合梁抗弯承载力分析[J].钢结构,2013,10:1-5.[8]邵旭东,周爱国,潘仁胜,李积泉,曹君辉.超高性能轻型组合梁与传统钢梁及组合梁的对比分析[A].广东省公路学会、湖南省公路学会、香港公路学会、澳门工程师学会.2013年二省二区大型桥梁学术交流会论文集[C].广东省公路学会、湖南省公路学会、香港公路学会、澳门工程师学会:,2013:5.[9]HuiyongBan,MarkA.Bradford.Flexuralbehaviourofcompositebeamswithhighstrengthsteel[J].EngineeringStructures,2013,:.[10]贾金青,孟刚,朱伟庆.预应力型钢超高强混凝土组合梁受弯性能试验研究及承载能力分析[J].建筑结构学报,2014,09:1-10.