薄壁U型钢—混凝土组合梁抗剪性能研究
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摘要
薄壁型钢-混凝土组合梁是一种新型的组合构件,近年来在工程中得到了广泛应用。论文采用试验与ANSYS有限单元分析相结合的方法对薄壁U型钢-混凝土组合梁的抗剪性能进行了研究。
分别以钢梁腹板高与下翼缘宽度比、剪跨比为研究参数,进行了8根薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪性能的试验研究,得到了组合梁跨中荷载-位移曲线、沿截面高度方向的应变分布曲线、剪力-剪应变曲线。试验结果表明发生剪切破坏的组合梁有较好的延性。
采用ANSYS有限单元分析软件对组合梁进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用ANSYS模型分析了混凝土翼板尺寸、剪力连接程度、钢梁腹板高与钢下翼缘宽度比、剪跨比等因素对组合梁抗剪承载力的影响。利用分析结果,回归出组合梁抗剪承载力的计算公式,并对公式进行了验证,误差在允许范围之内,且计算时可不考虑弯剪相关性。
研究结果表明:薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪承载力不仅来源于钢梁腹板的抗剪贡献,还来源于混凝土翼板的贡献,以及两者的组合作用。
本文的研究结果可对薄壁U型钢-混凝土组合梁的抗剪性能的进一步研究及理论分析提供参考。
Thin-walled steel-concrete composite beam is a new type of composite and has been widely used in engineering in recently years. The research on the thin -walled steel-concrete composite beam with U-section is presented through experiments and ANSYS finite element method.
According to the experiment of eight thin -walled steel-concrete composite beams with U-sections by changing the proportion of height and width of the steel beam and the shear span aspect ratio, the loading-deflection curve of mid-span, the strain curve of mid-span along the profile height and the shear-shear strain curve of the shear span were received. The experiment results show that the composite beam have good ductility.
Using the general-purpose finite element software, ANSYS version 10.0, a three-dimensional FE model, has been developed to investigate the composite beams with U-sections under shear loading. The results based on ANSYS analysis consist well with the results of the experiments. Then this verified model is employed to study the parameters that influence the shear capacity of composite beams, such as the dimension of concrete slab, the degree of shear connection, the proportion of height and width of the steel beam, the shear span aspect ratio, etc. Using the numerical results, empirical formulae that incorporate the effect of the shear connection degree are proposed to obtain the vertical shear strength of composite beams subjected to shear loading. The calculated values are in good agreement with the experimental result, and when using the proposed formula the interaction between bending and shear capacity in a composite beam can be neglected.
It is also found that the shear capacity of the steel-concrete composite beam with U-section not only come from the steel but also from the concrete and the interaction of the two parts.
The results of this paper are helpful for the further studies on the shear behavior of the thin-walled steel concrete composite beams with U-sections and the engineering design.
分别以钢梁腹板高与下翼缘宽度比、剪跨比为研究参数,进行了8根薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪性能的试验研究,得到了组合梁跨中荷载-位移曲线、沿截面高度方向的应变分布曲线、剪力-剪应变曲线。试验结果表明发生剪切破坏的组合梁有较好的延性。
采用ANSYS有限单元分析软件对组合梁进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用ANSYS模型分析了混凝土翼板尺寸、剪力连接程度、钢梁腹板高与钢下翼缘宽度比、剪跨比等因素对组合梁抗剪承载力的影响。利用分析结果,回归出组合梁抗剪承载力的计算公式,并对公式进行了验证,误差在允许范围之内,且计算时可不考虑弯剪相关性。
研究结果表明:薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪承载力不仅来源于钢梁腹板的抗剪贡献,还来源于混凝土翼板的贡献,以及两者的组合作用。
本文的研究结果可对薄壁U型钢-混凝土组合梁的抗剪性能的进一步研究及理论分析提供参考。
Thin-walled steel-concrete composite beam is a new type of composite and has been widely used in engineering in recently years. The research on the thin -walled steel-concrete composite beam with U-section is presented through experiments and ANSYS finite element method.
According to the experiment of eight thin -walled steel-concrete composite beams with U-sections by changing the proportion of height and width of the steel beam and the shear span aspect ratio, the loading-deflection curve of mid-span, the strain curve of mid-span along the profile height and the shear-shear strain curve of the shear span were received. The experiment results show that the composite beam have good ductility.
Using the general-purpose finite element software, ANSYS version 10.0, a three-dimensional FE model, has been developed to investigate the composite beams with U-sections under shear loading. The results based on ANSYS analysis consist well with the results of the experiments. Then this verified model is employed to study the parameters that influence the shear capacity of composite beams, such as the dimension of concrete slab, the degree of shear connection, the proportion of height and width of the steel beam, the shear span aspect ratio, etc. Using the numerical results, empirical formulae that incorporate the effect of the shear connection degree are proposed to obtain the vertical shear strength of composite beams subjected to shear loading. The calculated values are in good agreement with the experimental result, and when using the proposed formula the interaction between bending and shear capacity in a composite beam can be neglected.
It is also found that the shear capacity of the steel-concrete composite beam with U-section not only come from the steel but also from the concrete and the interaction of the two parts.
The results of this paper are helpful for the further studies on the shear behavior of the thin-walled steel concrete composite beams with U-sections and the engineering design.
引文
[1]聂建国,余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J].土木工程学报,1999,32(2):3-8.
[2]聂建国,沈聚敏,延滨等.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究及应用[J].建筑结构, 1998(1):53-56.
[3]周期源.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁抗弯承载性能研究[D].学位论文.南昌大学,2006.
[4]李风.低周循环荷载下冷弯薄壁型钢与混凝土组合结构节点抗震性能研究[D].博士学位论文,西安建筑科技大学, 2002.
[5]李风.冷弯薄壁与混凝土组合节点抗震性能试验研究[J].建筑结构,2002, 32(10):60-62,49.
[6]李风,陈向荣,曾珂.双节点板型冷弯型钢与混凝土组合节点抗震破坏机理研究[J].建筑科技开发,2002,29(9):7-8.
[7]宗周红,魏潮文,程浩德.帽型截面钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003, 33(7):29-33.
[8] Shun-ichi Nakamura, P.E., M.ASCE. Bending Behavior of Composite Girders with Cold Formed Steel U Section [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2002(9):1169–1176.
[9] Shun-ichi Nakamura. New Structural Forms for Steel/Concrete Composite Bridges[J]. Structural Engineering International, 2000(1):45-50.
[10] Oehlers D J. Composite Profiled Beams [J]. J.Structral Engineering, ASCE, 1993,119(4):1085- 1100.
[11] Oehlers D J, Wright H D, Burnet M J, Flexural Strength of Profiled Beams[J].Journal Structural Engineering,ASCE,1994,120(2):378-398.
[12] Uy B, Bradford M A. Profiled Composite Beam and Slab Systems [J].Building for the 21th Century,1995, 1:463-468.
[13] Leskela MV. A concrete T-Section-Steel U-section Composite Beam[C].Proceedings of the Engineering Fundation Conference,1996:157-171.
[14] Hossain K M A , Mol L, White H D, Behavior of Thin Walled Composite Beams and Columns[J]. Thin Walled Structures (Research and Development), 1998:32328.
[15]GB50017—2003,中华人民共和国国家标准钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[16]林于东,宗周红.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁受弯强度[J].工业建筑,2002,32(9):113,59.
[17]周天华,何保康,李鑫全等.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003,33(1):48-50,14.
[18]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].中国建筑工业出版社,1991.
[19]张耀春,毛小勇,曹宝珠.轻钢-混凝土组合梁的试验研究及非线性有限元分析[J].建筑结构学报,2003,24(1):26-33.
[20]郭红梅,徐利明.帽型截面钢-混凝土组合梁变形计算公式[J].中外建筑,2003,(5):90-91.
[21]毛小勇.标准升温下轻钢-混凝土组合梁的抗火性能研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2005,32(2):64-70.
[22]陈明华.薄壁型钢-混凝土组合梁抗火性能研究[D].学位论文.华侨大学,2007.
[23]黄文欢.薄壁型钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究[D].学位论文.华侨大学,2008.
[24] Xiao Hui, Li Aiqun, Du Derun. Experimental study on ultimate flexural capacity of steel encased concrete composite beams[J]. Journal of Southeast University,2005,21(2):19196.
[25]胡吉,石启印,李爱群.外包钢-混凝土组合梁正截面受弯承载力试验[J].江苏大学学报(自然科学版),2005,26(5):457-460.
[26]杜德润,李爱群,娄宇.外包钢-混凝土组合简支梁设计问题探讨[J].特种结构,2005,22(4):16-18.
[27]肖辉.外包钢-混凝土组合梁试验研究[D].学位论文.东南大学,2005.
[28]操礼林.外包钢-高强混凝土组合梁性能研究[D].学位论文.江苏大学,2006.
[29] Davies .C. Tests on Half-Scale Steel-Concrete Composite Beams with Welded Stud Connectors. The Structural Engineer [J].1969, 47(1).
[30]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[31]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅱ:受负弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):15-20.
[1]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[2]周起敬,姜维山,潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.
[3]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].北京:中国建筑工业出版社,1991.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]中华人民共和国国家标准GB50010-2002.2002.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.
[6]中华人民共和国国家标准GB/T228-2002.2002.金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社.
[7]中华人民共和国国家标准GB50081-2002.2003.普通混凝土力学性能试验标准[S].北京:中国建筑工业出版社.
[8]程文壤,康谷贻,颜德姬.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[1]周期源.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁抗弯承载性能研究[D].学位论文.南昌大学,2006.
[2]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[3]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[4]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅱ:受负弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):15-20.
[1]刘尔烈.有限单元法及程序设计(第2版)[M].天津:天津大学出版社,2004.01.
[2]王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.10.
[3]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限单元分析[M].北京:清华大学出版社,2005.03.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]聂建国,沈聚敏,延滨等.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究及应用[J].建筑结构, 1998(1):53-56.
[6]林于东,宗周红.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁受弯强度[J].工业建筑,2002,32(9):11-13,59.
[7]周天华,何保康,李鑫全等.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003,33(1):48-50,14.
[8]杨勇.型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究[D].博士论文,西安建筑科技大学,2003.08.
[9] ANSYS高级技术分析指南, ANSYS中国, 2000, 1.
[10] ANSYS非线性分析指南, ANSYS中国, 2000, 1.
[11]吕西林,金国芳等. RC非线性有限元理论与应用[M].同济大学出版社, 1996.
[12]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[13] ANSYS Theory Reference, Electronic Release, SAS IP, Inc., 1998.
[14]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[1]成果.钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下抗剪性能的试验研究[D].学位论文.西安建筑可以大学,2007.
[2] Alan.H.Mattock,NeiM.Hawkings.Shear Tansfer in Reinforced Concrete-Recent Research. Journal of the Prentressed Concrete Institute. 1972,17(2):574.
[3]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].中国建筑工业出版社,1991.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]周起敬,姜维山,潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.
[6]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[7]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[8]聂建国,崔玉萍等.部分剪力连接钢-混凝土组合梁受弯极限承载力的计算[J].工程力学,2000,17(3):37-41.
[9] ACSI318-95. Building code requirements for structural concrete and commentary. American Concrete Institute,Farmington Hills, Mich.,1995.
[10] Eurcode4. Design of composite steel and concrete structure.Part1.1:General rules and rules for buildings. European Committee for Standardization(CEN), Brussels,Belgium,1994.
[2]聂建国,沈聚敏,延滨等.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究及应用[J].建筑结构, 1998(1):53-56.
[3]周期源.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁抗弯承载性能研究[D].学位论文.南昌大学,2006.
[4]李风.低周循环荷载下冷弯薄壁型钢与混凝土组合结构节点抗震性能研究[D].博士学位论文,西安建筑科技大学, 2002.
[5]李风.冷弯薄壁与混凝土组合节点抗震性能试验研究[J].建筑结构,2002, 32(10):60-62,49.
[6]李风,陈向荣,曾珂.双节点板型冷弯型钢与混凝土组合节点抗震破坏机理研究[J].建筑科技开发,2002,29(9):7-8.
[7]宗周红,魏潮文,程浩德.帽型截面钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003, 33(7):29-33.
[8] Shun-ichi Nakamura, P.E., M.ASCE. Bending Behavior of Composite Girders with Cold Formed Steel U Section [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2002(9):1169–1176.
[9] Shun-ichi Nakamura. New Structural Forms for Steel/Concrete Composite Bridges[J]. Structural Engineering International, 2000(1):45-50.
[10] Oehlers D J. Composite Profiled Beams [J]. J.Structral Engineering, ASCE, 1993,119(4):1085- 1100.
[11] Oehlers D J, Wright H D, Burnet M J, Flexural Strength of Profiled Beams[J].Journal Structural Engineering,ASCE,1994,120(2):378-398.
[12] Uy B, Bradford M A. Profiled Composite Beam and Slab Systems [J].Building for the 21th Century,1995, 1:463-468.
[13] Leskela MV. A concrete T-Section-Steel U-section Composite Beam[C].Proceedings of the Engineering Fundation Conference,1996:157-171.
[14] Hossain K M A , Mol L, White H D, Behavior of Thin Walled Composite Beams and Columns[J]. Thin Walled Structures (Research and Development), 1998:32328.
[15]GB50017—2003,中华人民共和国国家标准钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[16]林于东,宗周红.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁受弯强度[J].工业建筑,2002,32(9):113,59.
[17]周天华,何保康,李鑫全等.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003,33(1):48-50,14.
[18]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].中国建筑工业出版社,1991.
[19]张耀春,毛小勇,曹宝珠.轻钢-混凝土组合梁的试验研究及非线性有限元分析[J].建筑结构学报,2003,24(1):26-33.
[20]郭红梅,徐利明.帽型截面钢-混凝土组合梁变形计算公式[J].中外建筑,2003,(5):90-91.
[21]毛小勇.标准升温下轻钢-混凝土组合梁的抗火性能研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2005,32(2):64-70.
[22]陈明华.薄壁型钢-混凝土组合梁抗火性能研究[D].学位论文.华侨大学,2007.
[23]黄文欢.薄壁型钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究[D].学位论文.华侨大学,2008.
[24] Xiao Hui, Li Aiqun, Du Derun. Experimental study on ultimate flexural capacity of steel encased concrete composite beams[J]. Journal of Southeast University,2005,21(2):19196.
[25]胡吉,石启印,李爱群.外包钢-混凝土组合梁正截面受弯承载力试验[J].江苏大学学报(自然科学版),2005,26(5):457-460.
[26]杜德润,李爱群,娄宇.外包钢-混凝土组合简支梁设计问题探讨[J].特种结构,2005,22(4):16-18.
[27]肖辉.外包钢-混凝土组合梁试验研究[D].学位论文.东南大学,2005.
[28]操礼林.外包钢-高强混凝土组合梁性能研究[D].学位论文.江苏大学,2006.
[29] Davies .C. Tests on Half-Scale Steel-Concrete Composite Beams with Welded Stud Connectors. The Structural Engineer [J].1969, 47(1).
[30]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[31]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅱ:受负弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):15-20.
[1]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[2]周起敬,姜维山,潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.
[3]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].北京:中国建筑工业出版社,1991.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]中华人民共和国国家标准GB50010-2002.2002.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.
[6]中华人民共和国国家标准GB/T228-2002.2002.金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社.
[7]中华人民共和国国家标准GB50081-2002.2003.普通混凝土力学性能试验标准[S].北京:中国建筑工业出版社.
[8]程文壤,康谷贻,颜德姬.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[1]周期源.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁抗弯承载性能研究[D].学位论文.南昌大学,2006.
[2]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[3]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[4]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅱ:受负弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):15-20.
[1]刘尔烈.有限单元法及程序设计(第2版)[M].天津:天津大学出版社,2004.01.
[2]王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.10.
[3]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限单元分析[M].北京:清华大学出版社,2005.03.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]聂建国,沈聚敏,延滨等.冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究及应用[J].建筑结构, 1998(1):53-56.
[6]林于东,宗周红.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁受弯强度[J].工业建筑,2002,32(9):11-13,59.
[7]周天华,何保康,李鑫全等.帽型冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁的试验研究[J].建筑结构,2003,33(1):48-50,14.
[8]杨勇.型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用研究[D].博士论文,西安建筑科技大学,2003.08.
[9] ANSYS高级技术分析指南, ANSYS中国, 2000, 1.
[10] ANSYS非线性分析指南, ANSYS中国, 2000, 1.
[11]吕西林,金国芳等. RC非线性有限元理论与应用[M].同济大学出版社, 1996.
[12]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[13] ANSYS Theory Reference, Electronic Release, SAS IP, Inc., 1998.
[14]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[1]成果.钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下抗剪性能的试验研究[D].学位论文.西安建筑可以大学,2007.
[2] Alan.H.Mattock,NeiM.Hawkings.Shear Tansfer in Reinforced Concrete-Recent Research. Journal of the Prentressed Concrete Institute. 1972,17(2):574.
[3]周起敬.钢与混凝土组合结构设计书册[M].中国建筑工业出版社,1991.
[4]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[5]周起敬,姜维山,潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.
[6]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范GB50017-2003 [S].北京:中国计划出版社, 2003.
[7]聂建国,唐亮.密实截面组合梁的竖向抗剪强度Ⅰ:受正弯矩作用的组合梁[J].土木工程学报, 2008,41(3):7-14.
[8]聂建国,崔玉萍等.部分剪力连接钢-混凝土组合梁受弯极限承载力的计算[J].工程力学,2000,17(3):37-41.
[9] ACSI318-95. Building code requirements for structural concrete and commentary. American Concrete Institute,Farmington Hills, Mich.,1995.
[10] Eurcode4. Design of composite steel and concrete structure.Part1.1:General rules and rules for buildings. European Committee for Standardization(CEN), Brussels,Belgium,1994.