腹板圓形開孔PEC梁抗剪承載能力分析

黃雙成

摘要：隨著建筑業(yè)的發(fā)展，高層建筑的數(shù)量增長不斷提升，混凝土包裹腹板開孔梁逐漸展現(xiàn)著優(yōu)勢，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。梁腹板上的開孔使結(jié)構(gòu)更為美觀、對管線布置提供了便利，且降低了建筑的層板厚度，發(fā)展前景可觀。本文通過對工字型型鋼腹板圓形開孔PEC梁進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析、理論推導(dǎo)及合理的有限元建模分析，驗(yàn)證了其抗剪承載可靠性。提出了對該類復(fù)合梁研究的前景展望。

關(guān)鍵詞：部分混凝土包裹PEC梁，腹板圓形開孔，抗剪承載分析，有限元建模

1 引言

隨著建筑智能化程度的普及，建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)施應(yīng)用程度不斷提升，使得建筑管線安裝不得不考慮從結(jié)構(gòu)梁底進(jìn)行穿行布設(shè)，在保證建筑物凈高滿足功能需求的條件下，房屋層高勢必會增加，從而使得工程造價(jià)增加，高層結(jié)構(gòu)中此現(xiàn)象尤為突出。傳統(tǒng)復(fù)合梁雖然有著制作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著建筑工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)鋼-混梁在高層建筑中的管線架設(shè)、通風(fēng)等方面的缺陷已逐漸滿足不了時(shí)代的需求。新型腹板開孔鋼-混凝土PEC梁克服了此缺點(diǎn)，腹板開孔為栓釘?shù)牟贾锰峁┝吮憷?，具有良好縱向抗剪性能，并且可在工廠里加工時(shí)直接將栓釘布置妥當(dāng)，從而很大程度的節(jié)約了現(xiàn)場加工產(chǎn)生的成本。因此，對型鋼開孔的PEC梁的研究有著重大的意義。

2 理論分析

（1）開孔梁斜截面抗剪承載破壞形態(tài)

對于開孔梁的抗剪切承載能力，在對型鋼梁腹板位置進(jìn)行圓形開孔后，梁的整體性就會被削弱，從而使得梁體腹板開孔處成為了全梁的薄弱部位，可能造成提前開裂及失效破壞。對于開孔梁斜截面，破壞形態(tài)主要體現(xiàn)為剪壓破壞、斜拉破壞、開孔側(cè)砼的斜壓破壞、開孔側(cè)砼的斜拉破壞和弦桿的剪切破壞五種形式。腹板圓形開孔PEC梁的受力大致可分為彈性、彈塑性和極限破壞三個(gè)階段。

（2）剪應(yīng)變分析

型鋼梁的剪切應(yīng)變是通過三向應(yīng)變花測量得到，應(yīng)變花布置角度為45°，根據(jù)平面應(yīng)變理論分析：剪應(yīng)變：

兩主應(yīng)變及主應(yīng)變與x軸的夾角為：

分析得出，雖然數(shù)據(jù)具有一定的離散性，但仍呈現(xiàn)一定的規(guī)律。在構(gòu)件開裂前，各混凝土測點(diǎn)應(yīng)變基本呈線性變化，構(gòu)件處于彈性階段，砼體主要承受抗剪作用。當(dāng)試件開裂時(shí)，砼體應(yīng)變突然增加，隨著繼續(xù)增加荷載，砼體最終被切斷，荷載溢出。

（3）滑移微分方程分析

在正常荷載作用下，鋼梁處于彈性工作階段，混凝土翼緣板的最大壓應(yīng)力也處于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段，這已被大量的試驗(yàn)分析及數(shù)值理論計(jì)算所驗(yàn)證。為了使得問題更為簡化，可將組合梁簡化成一個(gè)彈性體來進(jìn)行對其滑移效應(yīng)的分析。在荷載作用下復(fù)合梁中的型鋼與混凝土的應(yīng)變沿著截面方向呈線性分布?；炷亮汉托弯摻唤缑娴膹澢氏嗤?，兩者間無豎向翹起，復(fù)合梁中剪力連接構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

（4）抗剪破壞機(jī)理

由于無腹筋梁在破壞時(shí)無征兆且裂縫開展迅速，承載能力較差，在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值較低。因此在實(shí)際情況中，需要配置一定數(shù)量的箍筋及斜筋來提高構(gòu)件的抗剪承載力。對于有腹筋梁的結(jié)構(gòu)，在未發(fā)生開裂前，腹筋處應(yīng)力幾乎為零，剪力主要在梁腹板中的砼體內(nèi)傳遞。當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生斜裂縫后，構(gòu)件整體內(nèi)力發(fā)生重分布情況，表現(xiàn)為：斜裂縫處的箍筋和混凝土共同承受剪力作用，與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)力產(chǎn)生突變，對于此時(shí)梁的受力模型，可將其簡化成一個(gè)多腹桿的桁架模型，而箍筋和梁腹板內(nèi)被斜裂縫所分割的砼可分別看做為桁架受拉腹桿及受壓腹桿，縱向受拉筋變?yōu)殍旒艿南孪沂芾覘U，上部剪壓區(qū)內(nèi)的砼可看作為整個(gè)桁架的受壓弦桿。

（5）公式推導(dǎo)

實(shí)腹梁（未開孔梁）抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式可統(tǒng)一為：，在集中力荷載作用下簡化為一個(gè)公式計(jì)算，當(dāng)考慮抗震作用時(shí)，集中力荷載作用下的剪力計(jì)算公式為：

由已有的開孔梁研究資料顯示，型鋼的開孔直徑不宜大于0.4倍的梁高，剪跨比為2.5時(shí)作用的承載力為最大。開孔處取斜壓角為45°，取受力最大處的截面進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)腹梁的抗剪承載力的計(jì)算公式推導(dǎo)分析可得，型鋼腹板圓形開孔PEC梁的抗剪承載計(jì)算公式可以表達(dá)成：

通過現(xiàn)有的型鋼混凝土梁抗剪開裂荷載的計(jì)算理論分析得到：在合理的開孔情況與環(huán)箍補(bǔ)強(qiáng)的作用下，工字梁腹板圓形開孔的混凝土包裹梁的開裂荷載與實(shí)腹梁的開裂荷載較為接近。采用環(huán)形箍筋補(bǔ)強(qiáng)作用下的開孔梁，開孔處和未開孔處的開裂荷載差異不大，證實(shí)了環(huán)形箍筋對型鋼開孔造成的抗裂度下降有著一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。

3 限元建模分析

通過ABAQUS軟件進(jìn)行建模分析顯示，有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果良好吻合。梁體隨著荷載的增加，跨中撓度也不斷增加，且撓度值最大部位位于梁跨中;在不同剪跨比下，梁體的抗剪承載力極限有差異，剪跨比越小的抗剪承載力越大，且通過對比得到：剪跨比對影響梁體抗剪承載力程度大。受力過程明顯分為了彈性、彈塑性及破壞極限三個(gè)階段，分析結(jié)果與現(xiàn)有理論吻合。

4 結(jié)論

部分包裹混凝土PEC梁作為一種新型復(fù)合截面形式梁，通過對梁體進(jìn)行混凝土部分包裹可提高結(jié)構(gòu)的防腐及抗火性能，也為結(jié)構(gòu)提供了一定的剛度，從而避免其失穩(wěn)破壞;混凝土的抗壓性能特點(diǎn)及鋼材的翼緣抗拉性能、腹板抗剪性能在復(fù)合梁中得到了綜合發(fā)揮。

在現(xiàn)有的混凝土梁抗剪承載力理論分析的基礎(chǔ)上，與型鋼腹板圓形開孔混凝土梁抗剪破壞模態(tài)進(jìn)行合理分析，分析得到了相應(yīng)的抗剪承載力計(jì)算公式，為類似的型鋼開孔混凝土組合梁抗剪承載力的分析提供了重要的理論依據(jù)。PEC梁腹板開孔工藝對改善梁結(jié)構(gòu)承載力具有一定的改良效果，改善了房建的施工工藝，為房屋設(shè)施設(shè)備管線的布置提供了便利，合理的降低了建筑成本。腹板開孔PEC梁的發(fā)展前景可觀。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 鐘新谷，舒小娟，沈明燕，莫時(shí)旭，謝文.鋼箱-混凝土組合梁彎曲性能試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27（1）：71-98.

[2] 趙橋榮.外包型鋼混凝土梁性能研究：[碩士學(xué)位論文].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[3] 陳以一，王拓. 半組合結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件滯回試驗(yàn)的有限元模擬. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2010，27（1）：84-88.

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