钢-压型钢板混凝土组合梁极限抗弯承载力的研究

作者:王挺;聂建国;李炳益;樊健生 刊名:建筑结构学报 上传者:刘涣军

【摘要】本文在推导钢压型钢板混凝土组合梁极限抗弯承载力计算公式的基础上,验证了简化计算方法的可行性。通过对笔者完成的 5根钢压型钢板混凝土组合梁试验结果的计算分析,提出栓钉间距对其抗剪承载力的影响系数β。本文公式计算结果与国内外 26根试验梁的实测值吻合良好。根据本文研究成果,可以很方便地得到考虑钢压型钢板混凝土组合梁组合作用的极限抗弯承载力。

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1引言近年来,钢压型钢板混凝土组合楼盖在高层建筑及多层房屋的楼盖结构中已经得到越来越多的应用[1]。但是,到目前为止,由于我国有关规范和规程[2][3]中尚没有相应的设计计算条文作为依据,又缺乏足够的试验结果作为参考,我国自行设计的钢压型钢板组合楼盖工程尽管采用了栓钉剪力连接件,但是大部分都没有考虑钢梁与压型钢板混凝土组合板的组合作用,即设计时仍然按钢梁设计,仅仅考虑钢梁的承载力和刚度,这样不仅造成了没有必要的材料浪费,而且使梁的结构高度增大,降低了建筑的有效使用空间高度,还可能造成强梁弱柱的后果。由此可见,对钢压型钢板混凝土组合梁的受力性能及其极限抗弯承载力进行研究是必要的,它对于按照考虑钢梁和压型钢板混凝土组合楼板的组合作用设计组合楼盖具有重要实用参考价值,具有显著的技术经济效益和社会效益。2极限抗弯承载力公式的推导为了简化计算,沿用传统的设计方法即把混凝土应力图形简化为等效矩形度力块的实用计算方法。为了推导公式的方便和计算的简化,在钢压型钢板混凝土组合梁截面达到承载力极限状态时,采用如下基本假设:(1)忽略混凝土的抗拉强度;(2)忽略混凝土板中钢筋和压型钢板的作用,压型钢板肋中的混凝土仅与剪力连接件一起传递剪力;(3)钢梁截面上拉压区的应力均达到屈服强度;(4)位于塑性中和轴以上的混凝土受压区达到混凝土轴心抗压强度。由于在钢梁和组合板之间存在相对滑移,钢梁和组合板中都存在塑性中和轴。按照钢梁中塑性中和轴位置的不同,分为如下两种情况。(1)钢梁中的塑性中和轴位于钢梁上翼缘内截面上的应力分布如图1所示,由平衡条件可以得到Mu=Ns(d1)Fd(hce)Nsc=NsFd由假设条件Ns=Asf,Fd=fcbeffxc及Nsc=2fbfa简化上式有Mu=Ns(d1)(hce)Fd()F2适用条件:Nsc=NsFd<2fAf且Fd(2)钢梁中的塑性中和轴位于钢梁腹板内截面上的应力分布如图2所示,由平衡条件可以得到Mu=Nsc(d1tf)2fAf(d1)Fd(hced1);Nsc=NsFd2fAf由假设条件Ns=Asf,Fd=fcbeffxc及Nsc=2ftwa对上式进行简化。当钢梁截面对称时,上式可简化为Mu=Ms(hced1)Fd()F2适用条件:Nsc=NsFd>2fAf且Fd以上各式中,Fd表示栓钉提供的总抗剪承载力,Ns表示钢梁全截面提供的拉力,Nc表示混凝土截面提供的压力,f、fc分别表示钢材的抗拉强度和混凝土轴心抗压强度,As表示钢梁的截面积,Af、Aw分别表示钢梁上翼缘和腹板面积,d1表示钢梁截面形心与组合板交界面之间的距离,其它符号含义如图所示。由于压型钢板肋宽的限制,在剪跨内所能提供的栓钉数往往少于完全剪力连接所需要的栓钉数,使梁处于部分剪力连接状态。在这种情况下,钢梁和组合板不能充分发挥各自的作用,栓钉承载力起控制作用。根据试验研究成果,混凝土等效矩形应力块的强度取轴心抗压强度fc比较合适。3极限承载力的简化计算公式由前面推导可知,钢压型钢板混凝土组合梁截面的极限抗弯承载力是栓钉所能提供的总抗剪能力Fd的分段二次函数。由于计算的复杂性,EurocodeNo.4采用RPJohnson提出的内插方法进行计算[1]。公式如下Mu=Ms(Mpl,RdMs)r式中,Mu表示钢压型钢板混凝土组合梁的极限抗弯承载力;Mpl,Rd表示截面性质相同的完全剪力连接组合梁的极限抗弯承载力;Ms表示纯钢梁的极限抗弯承载力;r表示剪力连接程度系数,r=;Nc表示混凝土截面提供的压力;Ns表示钢梁截面提供的拉力。按内插法得到的计算结果与按平衡法得到的计算结果的

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