型钢高强高性能混凝土梁正截面受弯承载力计算分析

型钢高强高性能混凝土梁正截面受弯承载力计算分析

摘要：对现有《规程》型钢混凝土梁构件正截面受弯承载力计算公式进行剖析，指出其存在着不足和需要改进。基于型钢高强高性能混凝土梁受力性能的试验研究，表明型钢与混凝土界面的剪力承载力与塑性阶段组合梁构件型钢与混凝土界面的剪力抗力之间关系对型钢高强高性能混凝土梁破坏模式具有决定性的影响，进而影响构件的正截面承载力,因而它们之间的关系可作为型钢混凝土梁构件正截面受弯承载力计算公式的参数之一。

关键词：型钢混凝土组合结构；梁；高强高性能混凝土；受弯承载力；破坏模式

型钢混凝土梁是结构中重要的受力构件，其设计合理与否直接影响到整体结构的安全性与经济性。目前，关于型钢混凝土梁构件正截面承载力的计算主要有：（1）“强度叠加法”，即将型钢部分和钢筋混凝土部分的承载力叠加；（2）假定型钢和混凝土是一个整体，考虑型钢应力分布的影响后，按钢筋混凝土构件方法计算；（3）按钢结构设计方法计算。可见型钢混凝土梁构件的正截面受弯计算理论上的差异导致了构件承载力计算结果存在差异。随着高强高性能混凝土的研究和应用以及对型钢与混凝土相互作用机理的进一步研究，有必要建立合理的型钢高强高性能混凝土梁的正截面受弯承载力计算公式。

《规程》公式的剖析

《钢骨规程》( YB 9082-97)[1]在很大程度上借鉴了日本规范，其相应计算公式按叠加原理建立，将构件的承载力分为钢结构部分和混凝土部分分别计算，其计算模式如图1所

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土之间的粘结作用，计算结果为构件承载力下限值，偏于保守，而且对不对称截面，如图2所示构件截面，计算精度不高。但其应用比较方便，计算简单，故仍有一定的应用。《型钢规程》(JGJ 138-2001)[2] 中的相关计算公式是以钢筋混凝土理论为基础、以试验研究成果为依据建立的。规程中引入了平截面假定，采用极限状态设计法设计，其设计思路基本上与我国钢筋混凝土结构的设计方法相一致，考虑因素较为全面。认为型钢与混凝土的粘结作用同钢筋与混凝土的作用相似，其对构件的性能影响不大。该规程理论计算具有一定的准确性，但计算公式比较复杂，且应用范围上具有局限性，即只适用于中和轴在型钢腹板中通过的一种情况。

图1 《钢骨规程》的截面模式 图2 不对称构件截面形式

大量研究表明，型钢与混凝土的粘结作用对型钢混凝土构件的受力性能影响较大，且型钢和钢筋与混凝土的粘结性能仍有差别。为此，忽略型钢与混凝土的粘结或将型钢与混凝土的粘结等同于钢筋与混凝土的粘结都不可取，都或多或少的引起构件承载力计算的偏差。只有合理恰当的考虑型钢与混凝土的粘结作用，才能较为准确分析构件的受力机制。另一方面，为了充分发挥型钢与混凝土的各自材料优势，型钢混凝土梁构件中型钢的尺寸和位置会有所变化，显然现有两部规程在处理这方面的问题上存在着明显的不足。分析表1给出的实验数据表明：《型钢规程》的计算结果仍存在不小的偏差，该误差在一定程度上与型钢不同部分的计算模型密切相关。因此有必要结合实验研究结果，进一步精确型钢计算模型。

2改进公式的建立

文献[3~4]表明，型钢高强高性能混凝土梁正截面受弯承载力的大小受众多因素的影响，如混凝土强度等级、型钢翼缘的宽度比等。这些因素对型钢与混凝土的组合作用影响

较大，且在一定程度上决定了构件的破坏模式，而构件的破坏模式与构件的承载力的大小有必然的联系。为此，可将型钢高强高性能混凝土梁构件的正截面承载力与型钢与混凝土剪切面的承载力建立联系，实现构件的合理设计。

由试验研究可知，型钢混凝土梁构件的破坏有两种主要模式：弯曲破坏和剪切劈裂破坏。构件的破坏模式由型钢与混凝土界面的剪力承载力和构件处于塑性阶段型钢与混凝土界面剪力抗力的关系决定，、的具体计算可参文献[3~4]。当，构件呈弯曲破坏，随荷载的不断提高，截面中和轴上移，到型钢与混凝土的交接面后，由于型钢与混凝土有很好的组合作用，此处不会成为构件破坏的薄弱部位，中性轴可以继续上移，即承载力仍有发展的空间，随着受压区混凝土的塑性破坏增多，界面内力重分布，中和轴下移，直至型钢与混凝土大部分屈服，构件宣布破坏。由此可见，构件承载的过程也是界面中和轴不断调整的过程。当，构件呈剪切劈裂破坏，随荷载的增加，中和轴也有一个上移的过程，到达型钢与混凝土的交界面后，由于该界面组合作用较弱，限制了承载力的提升空间，此处成为构件破坏的薄弱环节，随着混凝土与型钢的局部剥离，构件的承载力也就达到了极限状态。

型钢与混凝土的组合作用受众多因素的影响[5]，涉及到混凝土的强度、配箍率的大小以及型钢翼缘的宽度比等等。结合实验研究，粘结影响系数可按式进行计算，因为的计算与上述因素密切相关，可以较好的反映型钢与混凝土的粘结性能。对于构件中型钢截面尺寸对构件承载力的影响，引入截面对称性影响系数，其可按式进行计算，式中：分别为型钢上下受压受拉翼缘的面积。当加强型钢受拉翼缘时，有利于发挥材料优点，则；反之，则。构件受载过程中，中和轴位置不断调整，故引入临界中和轴来确定构件在极限状态下型钢在构件截面中所处的位置，以便确定构件承载力。临界中和轴可按式（1）计算。

（1）

通过实验研究可测得的型钢的应力应变分布，确定了各状态下型钢的计算模型，如图3所示。至此可建立不同情况下构件的正截面受弯承载力的计算公式：（1）若，且，表明型钢与混凝土有较好的组合作用，该交界面不构成构件破坏的薄弱环节，构件截面的应力应变可采用图3a形式，承载力可按式（2）计算；（2）若，且，构件截面的应力应变可采用图3b形式，承载力可按式（3）计算；（3）若，构件截面的应力应变可采用图3c形式，承载力可按式（4）计算。

式中：相关符号含义同文献[2]，假想中和轴可通过求得。结合图3a，为受压钢筋合力；为受压区混凝土合力；为钢骨受压上翼缘合力；为钢骨腹板上部受压合力；为型钢腹板下部受拉未屈服部分合力；为腹板下部屈服部分合力；为钢骨下翼缘受拉合力；为受拉钢筋合力。其各自计算如公式（2a）所示。

3与实验结果的对比

结合文献[3,5~7]提供的实验数据，分别用《钢骨规程》、《型钢规程》和本文推导的公式进行了计算，比较结果见表1。分析表1，试验值与《钢骨规程》的计算值比值的平均值为1.777，变异系数为0.028；试验值与《型钢规程》的计算值的比值的平均值为1.177，变异系数为0.016；试验值与本文建立公式的比值平均值为1.140，变异系数为0.014。可见，本文建立的公式计算结果与实验吻合程度较好，离散性较小，计算结果较为接近实际情况，但由于检验数据较少，有待于进一步验证。

4结论

通过对现有规程中型钢混凝土梁构件正截面受弯承载力计算公式的剖析，表明其在适用范围、型钢的计算模型以及对型钢与混凝土的粘结处理问题上存在缺陷。通过引入粘结

影响系数和截面对称性影响系数，建立了型钢高强高性能混凝土梁构件的正截面受弯承载力计算公式，合理考虑了型钢与混凝土的粘结作用、型钢截面变化及位置变化对构件受弯承载力的影响，结合相关实验数据对其进行了验证。该研究有利于型钢高强高性能混凝土梁构件的合理设计。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。