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组合结构楼板钢次梁-混凝土主梁节点静力性能研究

2024-06-12 122 上传者：管理员

摘要：进行了2个钢次梁-混凝土主梁节点试件的静载试验，分析了试件的受力过程和破坏机理，得到了试件弹性阶段、屈服阶段、极限阶段和破坏阶段的荷载和位移，并对试件破坏时钢次梁和钢筋关键部位的应力进行了分析。结果表明：试件的最终破坏始于钢次梁下翼缘屈服，节点区域锚固良好，属于次要构件的塑性破坏；插入式节点为半刚性连接节点，预埋式节点为铰接节点。

关键词：
混凝土主梁
节点
试验研究
钢次梁
静力性能
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在钢梁-混凝土梁楼盖中，混凝土梁往往作为框架主梁，与作为框架次梁的钢梁连接[1,2]。目前，新出现了一种插入式钢次梁-混凝土主梁节点（以下简称插入式节点），其做法为将钢次梁端部插入混凝土框架主梁内，混凝土与钢次梁直接接触传递荷载。这种插入式节点做法省去了预埋件和挑耳，方便工艺管道的布置，且可提高厂房楼层的净高，外型美观。许多研究表明，这种节点也有着很高的承载力。

美国、日本等学者[3,4]对于钢-混凝土组合结构已经有了较为深入的研究，组合结构的节点连接形式也日渐成熟，但是此类插入式节点还尚未被研究透彻。插入式节点在国内实际工程中已被大量采用，部分学者也进行了相关试验研究。徐慧良[5]进行了4种不同节点试件的静力加载试验。杨清发等[6,7]以实际工程中的节点为原型，提出了一种将钢次梁直接插入混凝土主梁中的节点构造形式。陈剑佳等[8,9]结合实际工程对多根钢次梁插入混凝土梁节点进行了试验研究和有限元分析。以上研究均仅限于部分刚性的节点，尚未有公认成熟的研究成果和结论。目前，设计规范和设计手册也没有相关规定及要求，各电力设计院主要依据经验进行节点构造设计。

结合实际工程，本文对插入式节点进行相应的试验研究和有限元模拟分析，分析节点的破坏机理，以期为工程中钢次梁与混凝土梁线刚度比、混凝土梁配筋构造、钢次梁-混凝土主梁节点构造等设计提供参考。

1、试验概况

1.1 试件设计

根据山东省电力设计院提供的图纸，按照缩尺比为1∶3来进行结构试验。结合试验场地情况，本次试验中混凝土主梁的截面尺寸最终定为200 mm×500 mm，跨度为3 710 mm。混凝土梁材料强度为C20，纵筋及箍筋均为HRB400钢筋，上部纵筋采用，下部纵筋采用，加密区箍筋为，非加密区箍筋为，弯起钢筋为，腰筋为。

结合实际工程中钢次梁的截面尺寸和厂家现有的工字钢型号，本次试验中钢次梁截面尺寸最终定为198 mm×150 mm×6 mm×9 mm，选用Q235B钢，钢次梁在插入式节点中的净跨度为3 800 mm，在预埋式节点中的净跨度为3 750 mm。

插入式节点（JD-1）构造如图1所示。钢次梁直接插入混凝土主梁中，钢次梁插入部分去除上翼缘，同时刷隔离层，弱化与混凝土的黏结。钢次梁插入部分长度为70 mm，同时适当削弱腹板高度。本次试验考虑梁上部楼板的作用，楼板布置1层钢筋网。

图1 插入式节点（JD-1）构造mm

预埋式节点（JD-2）构造如图2所示。其做法为在混凝土主梁中预埋一小段钢梁，预埋钢梁伸出腹板，并与外钢次梁通过螺栓连接。本次试验所用螺栓为2个8.8级直径25 mm的高强摩擦型螺栓。预埋式节点同样在梁上部加入了混凝土楼板，楼板布置1层钢筋网。

图2 预埋式节点（JD-2）构造mm

梁上部的混凝土楼板高度设计为50 mm，全覆盖混凝土主梁和钢次梁，其中覆盖钢次梁部分宽度为1 000 mm。楼板上铺设1层钢筋网，其钢筋直径为6 mm，间距为150 mm，楼板纵筋在楼板与主梁交界处伸入主梁，与主梁内钢筋绑扎。楼板内混凝土与梁内混凝土同时浇筑，以保证二者成为一个整体。

1.2 试验加载方案设计

在主梁侧边安装钢梁以达到防止主梁转动的效果，固定所用钢梁，近似模拟实际工程中柱对混凝土框架主梁的约束作用。试验加载装置包括混凝土配重块、平衡钢梁、钢垫箱、分配梁、液压千斤顶等。试验加载示意如图3所示。

图3 试验加载示意

2、试验结果

2.1 试验现象

2.1.1 JD-1

JD-1的破坏现象如图4所示。在加载初期，力传感器读数稳步上升，而钢次梁下方挠度增长较为缓慢，反映在荷载-位移曲线上为一条斜率较大的直线；持续加载到50 kN时，楼板与混凝土主梁交界处开始出现细微裂缝，两边基本对称；继续加载，楼板与混凝土主梁交界处的裂缝向两边扩展，宽度逐渐增大；荷载达到约80 kN时，之前出现的裂缝已基本贯通整个楼板与混凝土主梁的交界处，此时荷载-位移曲线以十分缓慢的速度往上攀升，结构开始屈服；再继续加载，部分混凝土发出脱落的声音；加载到100 kN时，上部楼板和钢次梁跨中已产生较大挠度，楼板与混凝土主梁交界处的裂缝不再扩大，楼板发生破坏；荷载达到约110 kN时，跨中挠度过大，无法继续加载，试验停止。JD-1的混凝土主梁未出现明显裂缝。

图4 JD-1的破坏现象

2.1.2 JD-2

JD-2的破坏现象如图5所示。JD-2的荷载-位移曲线走势与JD-1类似：荷载加到约55 kN时，楼板与混凝土主梁交界处开始出现裂缝，且裂缝逐渐向两边扩展，荷载-位移曲线斜率逐渐减小；持续加载到90 kN时，楼板与混凝土主梁交界处的裂缝迅速扩展，几乎贯通整条交界线，荷载-位移曲线缓慢向上攀升，结构开始屈服；荷载达到110 kN时，上部楼板和钢次梁跨中已产生较大挠度，楼板与混凝土主梁交界处的裂缝不再扩大，楼板发生破坏；最终，荷载约为120 kN时，加载点挠度过大，结构破坏，无法继续加载。JD-2的混凝土主梁破坏情况与JD-1一致，未出现明显裂缝。

2.2 试验结果分析

2.2.1 破坏过程

由于JD-1与JD-2的受力破坏过程基本一致，故可将2个试件的破坏过程统一分为4个阶段：弹性阶段、屈服阶段、极限阶段和破坏阶段。数据采集系统记录的各阶段荷载和位移见表1。

2.2.2 荷载-位移曲线

JD-1和JD-2的荷载-位移曲线如图6所示。由图6可知：两试件的荷载-位移关系发展趋势基本一致，曲线大致平行，都是从一开始的线性关系发展为斜率逐渐减小，直到斜率变为0时荷载达到峰值，最后曲线进入下降段。JD-1（插入式节点）的承载力略低于JD-2（预埋式节点）。

图5 JD-2的破坏现象

表1 各阶段荷载和位移

2.2.3 荷载-应变曲线

1）钢次梁跨中下翼缘

在本文所研究的框架结构中，钢次梁作为直接承受荷载的受力构件，其破坏将导致整个组合结构的破坏，因此，研究钢次梁的应变至关重要。钢次梁最大应变点在其跨中下翼缘处。JD-1和JD-2的钢次梁跨中下翼缘荷载-应变曲线如图7所示。由图7可知：两试件的钢次梁跨中下翼缘荷载-应变曲线走势基本一致。在加载初期，曲线接近一条缓慢向上的斜直线；当荷载分别达到80、90 kN时，JD-1和JD-2的楼板与混凝土主梁交界处出现贯通裂缝，此时钢次梁跨中下翼缘的应变接近极限应变，曲线即将进入下降段；继续加载，钢次梁屈服。

图6 荷载-位移曲线

图7 荷载-应变曲线（钢次梁跨中下翼缘）

2）纵向钢筋

处理试验数据时发现，在所有纵向钢筋中，靠近钢次梁一侧的下部纵向钢筋的应变最大，提取其数据绘制纵向钢筋荷载-应变曲线，如图8所示。由图8可知：下部纵向钢筋一直受到拉力作用，加载初期纵向钢筋受力较小；随着荷载的增大，其应变逐渐增大；但最后试件破坏时，下部纵向钢筋也还未屈服，这是因为相对于混凝土主梁，钢次梁尺寸过小，给混凝土主梁传递的荷载有限，不足以使纵向钢筋达到屈服强度。

图8 荷载-应变曲线（纵向钢筋）

3）抗扭钢筋

试验中，混凝土主梁会受到钢次梁传递而来的扭矩作用，因此，研究其抗扭钢筋的应变具有重要的意义。处理试验数据时发现，两试件靠近钢次梁一侧的抗扭钢筋（腰筋）应变相对较大，提取相关数据绘制抗扭钢筋荷载-应变曲线，如图9所示。由图9可知：两试件抗扭钢筋的应变随荷载变化的趋势基本与纵向钢筋一致。加载初期应变增长较少，随着荷载的逐渐增大，应变不断增大，试件破坏时，抗扭钢筋也未屈服。这是因为试验前，在混凝土主梁的两面各安装了1根钢梁，有效约束了混凝土主梁的扭转，这也与试验预期相符。

图9 荷载-应变曲线（抗扭钢筋）

2.2.4 荷载-净转角曲线

本文在节点区的钢次梁和混凝土主梁相应位置安置了2个位移计，用于测量钢次梁和混凝土主梁的平面外位移，进而计算其转角。钢次梁转角减去混凝土主梁的转角，即为钢次梁的净转角，净转角可反映钢次梁与混凝土主梁的节点连接形式为铰接或刚接。钢次梁荷载-净转角曲线如图10所示。

由图10可知：初期荷载不大时，净转角增长较为缓慢；随着荷载逐渐增大，净转角的增长速度逐渐变快；在达到极限荷载时，由于荷载将要开始减小，净转角出现了一定的回弹现象。结合荷载-净转角曲线和欧洲规范[10]可判断，插入式节点的连接形式为半刚性连接，预埋式节点的连接形式为铰接。

图1 0 荷载-净转角曲线（钢次梁）

3、结论

1）两试件的最终破坏始于钢次梁跨中下翼缘受拉屈服，楼板与混凝土主梁交界处出现贯通裂缝，楼板完全破坏，节点区混凝土主梁未发现明显裂缝，钢次梁插入部分锚固良好，未被拔出，属于次要构件的塑性破坏，符合结构设计的要求。

2）插入式节点的承载力略低于预埋式节点，同时，预埋式节点的螺栓为钢次梁提供了更好的转动能力。

3）两试件的破坏过程大致可分成弹性阶段、屈服阶段、极限阶段和破坏阶段。试件最终破坏时，钢次梁屈服，但是由于相对于混凝土主梁，钢次梁尺寸过小，给混凝土主梁传递的荷载有限，因此测试钢筋均未屈服，这与预期猜想一致。

4）试件破坏后，钢次梁（以及预埋钢板）插入部分下方混凝土未出现局部压酥现象，混凝土主梁也未发现弯曲裂缝，故2种节点形式对于混凝土主梁的受弯和受剪都没有造成明显的影响。

5）由测得的混凝土主梁和钢次梁平面外位移推算出钢次梁的净转角，得到两试件的钢次梁荷载-净转角曲线，通过曲线的斜率和发展趋势发现，插入式节点为半刚性连接节点，预埋式节点为铰接节点。

参考文献: