孫林+黃輝輝+楊俊杰+傅劍平+黃宗明

摘要：在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于上部荷載較大或梁的跨度較大，使得梁的截面高度較高，通常會(huì)影響建筑的有效層高和建筑的總體高度。為了減小各層梁板結(jié)構(gòu)高度，有效增大各層凈高，提出了一種鋼箱梁嵌入現(xiàn)澆板的新型組合梁板連接方式。針對(duì)這種新型連接方式，對(duì)6個(gè)鋼箱梁混凝土板組合連接區(qū)域進(jìn)行了板承受支座負(fù)彎矩的單調(diào)加載試驗(yàn)，對(duì)比分析了采用鋼箱梁嵌入混凝土板組合樓蓋與傳統(tǒng)栓釘連接組合樓蓋中板抵抗支座負(fù)彎矩的性能差異；并利用ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行了有限元分析。試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果表明：采用鋼箱梁嵌入板連接組合方式，其混凝土板抵抗支座負(fù)彎矩的能力與傳統(tǒng)連接方式板抵抗支座負(fù)彎矩能力沒(méi)有明顯差異。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；嵌入式連接；抗彎性能；延性

中圖分類號(hào)：TU375.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）03003509

Abstract：In structural design of highrise buildings， due to large upper loads or span， the beam section height is large， which usually affects the effective story height and the total height of building. To reduce the height of beamslab structure and increase the clearance height of each floor effectively， a new connection method of composite beamslab structure with steelbox beam embedded was proposed. As for the new connection method， monotonic loading tests were carried out on composite connection area of six steelconcrete slabs with steelbox beam embedded， to study the negative moment resistant. The difference in negative moment resistant capacity between the concrete composite floor with steelbox beam embedded and the concrete composite floor with traditional stud connection was analyzed. The finite element analysis was carried out by using ABAQUS. Experimental results and finite element analysis show that， as for the connection method of composite beamslab with steelbox beam embedded， the negative moment resistant capacity of concrete slab has no significantly difference with the concrete slab with traditional stud connection.

Keywords：composite structure； embedded connection； flexural behavior； ductility

鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)以及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在建筑工程中應(yīng)用較為廣泛的鋼梁混凝土板組合樓蓋是一種常用的組合樓蓋形式，鋼梁和混凝土樓板之間設(shè)置抗剪連接件將二者連接成為一個(gè)整體而協(xié)同工作。

Viest [1]對(duì)栓釘抗剪連接件進(jìn)行了研究，提出了栓釘?shù)目辜襞R界值。Slutter等[2]對(duì)完全抗剪連接的組合梁進(jìn)行了研究，單獨(dú)對(duì)抗剪連接件進(jìn)行了推出試驗(yàn)，提出了鋼混凝土組合梁極限抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法。Johnson等[3]對(duì)部分抗剪連接的組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和前人研究的理論計(jì)算，提出了部分抗剪連接的組合梁的抗彎強(qiáng)度及其撓度的計(jì)算方法。Gattesco [4]開(kāi)發(fā)了有限元程序?qū)︿摶炷两M合梁進(jìn)行了有限元分析，用桿單元模擬栓釘剪力連接件的工作性能。Valente等[5]對(duì)鋼輕質(zhì)混凝土組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要研究了抗剪連接件的布置以及荷載分布對(duì)組合梁性能的影響。近年來(lái)，Pavlovic'等[6]對(duì)作為抗剪連接件的螺栓和栓釘進(jìn)行了推出試驗(yàn)研究和有限元分析，研究了抗剪連接件的受力性能。Zona等[7]針對(duì)箱型組合梁開(kāi)發(fā)了考慮剪切滑移變形的組合梁?jiǎn)卧?，用以分析組合梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及屈曲問(wèn)題。Hwang等[8]建立了用于模擬采用部分抗剪連接的后張法組合梁非線性行為的有限元模型。Pathirana等[910]對(duì)螺栓連接和栓釘連接的組合梁進(jìn)行了組合梁的抗彎性能和抗剪連接件的推出試驗(yàn)和有限元分析，研究參數(shù)有混凝土的強(qiáng)度、鋼材的屈服強(qiáng)度以及抗剪連接件的數(shù)量等。中國(guó)對(duì)鋼混凝土組合梁的研究起步較晚。李鐵強(qiáng)等[11]對(duì)采用彎筋作為剪力連接件的組合梁進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，對(duì)國(guó)外規(guī)范采用簡(jiǎn)化塑性方法設(shè)計(jì)組合梁的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。聶建國(guó)等[1216]對(duì)鋼混凝土組合梁的撓度和承載力計(jì)算進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，考慮的因素有滑移效應(yīng)、抗剪連接程度和剪力滯后等。李國(guó)強(qiáng)等[17]提出了一種腹板嵌入式鋼混凝土組合梁，并對(duì)該梁的整體抗彎性能進(jìn)行了研究，與現(xiàn)行規(guī)范中的采用栓釘作為剪力連接件的組合梁進(jìn)行了對(duì)比分析。徐榮橋等[18]對(duì)部分抗剪連接組合梁撓度計(jì)算的不同方法進(jìn)行了對(duì)比分析，針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中采用的折減剛度法所存在的問(wèn)題，提出了部分抗剪連接組合梁撓度計(jì)算的改進(jìn)折減剛度法。丁發(fā)興等[19]進(jìn)行了3組栓釘剪力連接件推出試驗(yàn)，研究栓釘直徑和栓釘屈服強(qiáng)度對(duì)試件受剪承載力的影響。薛鋮 [20]采用混凝土暗梁作為抗剪連接件，通過(guò)試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬，研究了新型鋼混凝土組合梁的受力過(guò)程、破壞過(guò)程和組合梁組合作用的影響因素。童樂(lè)為等 [21]進(jìn)行了鋼混凝土組合梁在負(fù)彎矩作用下的受力性能試驗(yàn)，研究了H形鋼的腹板高厚比、抗剪連接栓釘數(shù)量等因素對(duì)組合梁受力性能的影響。劉奇順 [22]對(duì)栓釘連接件承載力和荷載滑移關(guān)系曲線的研究成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)歸納，得到了承載力和荷載滑移曲線的計(jì)算公式，并基于OpenSEES提出了用于鋼混凝土組合梁分析的雙層纖維梁模型。

為了減小建筑整體高度，采用了一種鋼箱梁嵌入混凝土板的新型連接方式，組合梁采用鋼板作為抗剪連接件，目前還沒(méi)有學(xué)者針對(duì)這種鋼箱梁嵌入式的連接方式進(jìn)行研究。為探討鋼箱梁嵌入混凝土板這種新型連接方式的受力性能，筆者進(jìn)行了該連接方式的現(xiàn)澆板在支座處的抗彎性能以及組合梁的抗彎性能的研究，本文主要針對(duì)現(xiàn)澆板在支座處的抗彎性能進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)研究和有限元分析，對(duì)比分析采用鋼箱梁嵌入混凝土板的新型連接方式與傳統(tǒng)栓釘連接方式中板抵抗支座負(fù)彎矩能力的差異，以及兩類組合形式中板的延性。

1試驗(yàn)研究

1.1試件介紹

實(shí)際結(jié)構(gòu)采用的梁板截面如圖1所示。

考慮實(shí)驗(yàn)室的條件和研究目的，試驗(yàn)混凝土現(xiàn)澆板的實(shí)際結(jié)構(gòu)板厚取為150 mm，試件的鋼箱梁根據(jù)梁的腹板剛度進(jìn)行了縮尺。共設(shè)計(jì)了6個(gè)試件，試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。作為連接件的鋼板厚度為14 mm，鋼箱梁截面均采用125 mm×250 mm的矩形截面，壁厚為16 mm，所有試件混凝土板的鋼筋均采用直徑為6.5 mm的HRB600鋼筋。試件設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2材料參數(shù)

鋼筋和鋼板的材性試驗(yàn)按《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）[23]的要求進(jìn)行，在INSTRON試驗(yàn)機(jī)上完成了拉伸性能試驗(yàn)，得到直徑為6.5 mm的HRB600鋼筋和Q235B鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

1.3加載方案和測(cè)量方案

試件采用單調(diào)加載，裝置如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用力和位移混合控制的方法進(jìn)行加載，前期采用力控制加載，荷載按照每級(jí)10 kN施加，當(dāng)試件達(dá)到承載力峰值后采用位移控制加載。

在混凝土板跨中的中間位置安裝百分表，測(cè)量跨中位移，在試驗(yàn)過(guò)程中同步繪制出荷載位移曲線（PΔ曲線）。為了減小位移測(cè)量的誤差，在混凝土板的跨中邊緣位置對(duì)稱布置兩個(gè)百分表，根據(jù)這兩個(gè)百分表的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)荷載位移曲線進(jìn)行修正，百分表安裝位置如圖4所示。

2試驗(yàn)破壞現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞特征

試驗(yàn)初始階段，首先在板底跨中或跨中附近出現(xiàn)裂縫，并向試件兩側(cè)面延伸。隨著荷載的增大，板底相繼出現(xiàn)多條貫通板底的裂縫，并向試件兩側(cè)面延伸。加載到后期，大部分試件斜裂縫斜向延伸至板頂和鋼箱梁接觸處。隨后，各個(gè)試件均以鋼筋拉斷或變形太大不能繼續(xù)承載而破壞。采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)比較接近，各試件的破壞形態(tài)如圖5所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1承載力和破壞形態(tài)分析試件的極限抗彎承載力和破壞形態(tài)以及根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[24]計(jì)算得到的抗彎承載力和抗剪承載力如表4，計(jì)算時(shí)不考慮鋼箱梁嵌入混凝土板的影響。

2.表中試件的抗彎承載能力和抗剪承載能力均換算為試驗(yàn)加載點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的荷載值。分析表4數(shù)據(jù)：由試件KW1與KW4的最終破壞彎矩可知，試驗(yàn)中采用的鋼箱梁壁厚足夠，剛度足夠，在試驗(yàn)過(guò)程中，能有效承受混凝土板受彎時(shí)受壓區(qū)混凝土傳遞的壓力；試件KW1、KW4與KW3以及KW5、KW7與KW8的最終破壞彎矩差別均在5%以內(nèi)，說(shuō)明采用鋼箱梁嵌入式連接的試件，其抵抗支座負(fù)彎矩能力與栓釘連接的試件基本相同。

如表4所示，試件計(jì)算的抗剪承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗彎承載力，試驗(yàn)過(guò)程中采用新型連接方式的板在支座處均出現(xiàn)了斜向裂縫。分析發(fā)現(xiàn)，由于鋼箱梁與混凝土板之間連接鋼板的存在阻礙了支座處板負(fù)彎曲垂直裂縫的開(kāi)展，導(dǎo)致垂直裂縫旁斜裂縫沿著連接板邊緣穿過(guò)，形成斜向裂縫，該斜裂縫出現(xiàn)后并未引起承載力的降低。在試驗(yàn)中，試件KW3因加載偏快使得試件的變形不大（撓度為跨度的15%），試件KW5混凝土強(qiáng)度偏高，延性變差（撓度小于跨度的15%）。其余試件在荷載峰值之后PΔ曲線均出現(xiàn)一段較大的位移平臺(tái)段，具有良好的變形能力（撓度均大于跨度的18%），表明新型連結(jié)方式和傳統(tǒng)連接方式的板均具有比較典型的彎曲破壞特征，因此，試件的破壞形態(tài)定義為斜截面彎曲破壞或正截面彎曲破壞。

2.2.2PΔ曲線對(duì)比分析試件的PΔ曲線如圖6所示。

1圖6表明：

1）試件KW1、KW3和KW4的峰值荷載基本相同，對(duì)應(yīng)混凝土板的抗支座負(fù)彎矩能力相同，說(shuō)明采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板具有基本相同的抗彎承載力。加載前期，曲線走勢(shì)基本相同，3個(gè)試件的剛度差別不大。

2）對(duì)比試件KW1和KW4可知，在鋼箱梁中澆筑混凝土對(duì)試件抗支座負(fù)彎矩性能影響不大，同時(shí)表明鋼箱梁的壁厚足夠。但是，兩者的極限位移具有較大的差異，是因?yàn)樵嚰﨣W1鋼箱梁內(nèi)未填充混凝土，鋼箱梁可以側(cè)向變形，增大了板的變形能力，試件KW4鋼箱梁中填充的混凝土阻礙了鋼箱梁的側(cè)向變形，從而使得其變形小于未填充混凝土的試件。試件KW1和KW4達(dá)到峰值荷載后荷載維持在一個(gè)穩(wěn)定水平，表現(xiàn)出良好的延性，最終試件因板底鋼筋拉斷而破壞。

3）對(duì)比試件KW1和KW5，試件的跨度相同，混凝土強(qiáng)度不同，KW5混凝土強(qiáng)度高，其承載力高，但是其極限位移小，延性差于KW1。

4）試件KW7和KW8曲線走勢(shì)基本一致，兩者的承載力基本相同，說(shuō)明采用鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板具有基本相同的承載力，兩種連接方式均具有良好的延性。

3抗彎性能有限元分析

3.1模型介紹

為了分析試件的受力機(jī)理，建立有限元模型，對(duì)6個(gè)試件進(jìn)行有限元分析，劃分單元后的模型如圖7所示。

鋼箱梁和混凝土采用實(shí)體單元C3D8模擬，作為抗剪連接件的大鋼板和小鋼板采用殼單元S4模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬。

2）鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)各部件之間的連接關(guān)系是：鋼筋網(wǎng)片和作為抗剪連接件的鋼板與混凝土采用embedded連接，鋼箱梁與混凝土板采用接觸連接，切向?yàn)榱吮苊鈩偠染仃嚨钠娈?，采用Penalty接觸屬性，法向采用Hard接觸屬性。對(duì)于栓釘連接的試件，有限元驗(yàn)算結(jié)果表明上部不帶鋼箱梁的鋼筋混凝土板受力與上部帶鋼箱梁的結(jié)構(gòu)受力一致。因此，對(duì)于栓釘連接的試件，可以認(rèn)為上部的鋼箱梁的作用類似于加載梁，模型中不考慮栓釘?shù)淖饔?，同樣將鋼箱梁與鋼筋混凝土板采用接觸連接。

3）鋼材和鋼筋采用材性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，本構(gòu)模型采用等向強(qiáng)化模型，σε關(guān)系采用雙折線；混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型，混凝土受拉受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用規(guī)范的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3.2分析結(jié)果

3.2.1 PΔ曲線對(duì)比分析通過(guò)對(duì)鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到的PΔ曲線與試驗(yàn)曲線如圖8。由圖8可知：有限元分析得到的構(gòu)件初始剛度和峰值承載力與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中的板與栓釘連接的組合結(jié)構(gòu)中的板具有基本相同的承載力和良好的延性；KW4模擬曲線上升段剛度偏大，原因是鋼箱梁內(nèi)填充的混凝土可能不密實(shí)，有限元模擬無(wú)法考慮混凝土不密實(shí)的情況。

3.2.2鋼箱梁受力分析試件KW1和KW7有限元模型中嵌入的鋼箱梁的應(yīng)力云圖如圖9所示，由于鋼箱梁側(cè)面承受混凝土的擠壓作用，鋼箱梁底板類似于壓彎構(gòu)件?；炷涟迨軓潟r(shí)，受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁腹板壓力，使得鋼箱梁底板下側(cè)受拉，上側(cè)受壓，但拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均較小，壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，應(yīng)力均小于鋼箱梁的屈服強(qiáng)度。說(shuō)明試驗(yàn)鋼箱梁的壁厚足夠，能夠承擔(dān)混凝土板受彎時(shí)混凝土傳遞給鋼箱梁的壓力。

3.2.3混凝土板受力分析圖10給出了試件KW1、KW7、KW8混凝土的主拉應(yīng)變分布（沿板跨度方向取一排單元）。有限元分析的主拉應(yīng)變分布與試件裂縫分布現(xiàn)象一致，主拉應(yīng)變最大處對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂較為嚴(yán)重的地方。

3.2.4鋼筋應(yīng)力分析圖11給出了試件KW1峰值和極限狀態(tài)底部鋼筋網(wǎng)片的主應(yīng)力分布。峰值位移時(shí)，鋼筋的最大拉應(yīng)力略大于鋼筋的屈服強(qiáng)度，后期隨著荷載的加載，鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，應(yīng)力不斷增大。對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的極限位移時(shí)，有限元模擬的鋼筋強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到極限強(qiáng)度。

3.2.5鋼箱梁壁厚與混凝土板厚以及鋼箱梁嵌入深度的關(guān)系分析由于鋼箱梁嵌入混凝土板，混凝土板受彎時(shí)受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁壓力，為了防止鋼箱梁腹板變形過(guò)大或屈曲，鋼箱梁應(yīng)保證一定的壁厚?；炷涟迨軓潟r(shí)受壓區(qū)混凝土傳遞給鋼箱梁的壓力與混凝土板厚以及嵌入深度有關(guān)。

通過(guò)變化板的厚度以及鋼箱梁的壁厚來(lái)進(jìn)行有限元分析，在變化板厚的過(guò)程中，鋼箱梁嵌入深度均取為板厚的一半。分析計(jì)算結(jié)果如圖12，其中t/h為鋼箱梁的壁厚與鋼箱梁高度之比。鋼箱梁壁厚與混凝土板厚和鋼箱梁嵌入混凝土板的深度有關(guān)。鋼箱梁在受力過(guò)程中未進(jìn)入屈服狀態(tài)的厚度是安全厚度。以板厚為150 mm的試件為例，鋼箱梁的厚度t取為14 mm（t/h=0.056），鋼箱梁腹板依然未屈服，說(shuō)明試件的壁厚16 mm是足夠安全的。

從圖12可知，在保持鋼箱梁嵌入混凝土板一半的前提下，鋼箱梁所需要的壁厚隨著混凝土板厚的增加而增加，雖然板厚120 mm和板厚150 mm所需的壁厚基本一致，但是鋼箱梁的應(yīng)力狀態(tài)不一致，板厚為150 mm情況下，鋼箱梁的應(yīng)力狀態(tài)更高，如圖13所示，兩者的壁厚均為12 mm。當(dāng)然，在考慮鋼箱梁壁厚時(shí)，同時(shí)應(yīng)考慮組合梁的抗彎強(qiáng)度要求。

4結(jié)論及工程設(shè)計(jì)建議

4.1結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，得出以下結(jié)論：

1）在保證鋼箱梁腹板剛度的前提下，采用鋼箱梁嵌入式連接方式既能減小各層梁板結(jié)構(gòu)高度，有效增大各層凈高，又能保證與工程常用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)具有基本相同的抗支座負(fù)彎矩能力和良好的延性。

2）鋼箱梁嵌入式連接組合梁板結(jié)構(gòu)與采用栓釘連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中的板具有基本一致的破壞形態(tài)。

3）鋼箱梁壁厚受混凝土板厚度和鋼箱梁嵌入混凝土板的深度以及鋼箱梁抗彎強(qiáng)度要求的影響。

4.2工程設(shè)計(jì)建議

根據(jù)研究成果，針對(duì)鋼箱梁嵌入式連接組合梁板結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提出以下設(shè)計(jì)建議：

1）在計(jì)算鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)中板的抗彎承載力時(shí)，可依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，不考慮鋼箱梁嵌入混凝土板的影響。

2）在進(jìn)行鋼箱梁嵌入式連接的組合梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鋼箱梁的設(shè)計(jì)除了要滿足組合梁抗彎承載力要求，還需考慮混凝土板受壓區(qū)混凝土對(duì)鋼箱梁的擠壓作用，確保鋼箱梁腹板不發(fā)生過(guò)大變形或屈曲。

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（編輯胡英奎）