型钢轻骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究

1、型钢轻骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究*刘 凡 翁晓红 邵永健(苏州科技学院 江苏省结构工程重点实验室 , 江苏苏州 215011摘 要 :为研究型钢轻骨料混凝土梁的弯曲性能 , 进行了 8根型钢轻骨料混凝土梁 和 2根型钢普通 混凝 土梁的抗弯性能试验。试验表明 , 型钢轻骨料混凝土梁受力过程经历弹性、 弹塑性和破坏 3个阶段 ; 开裂荷载 约为极限荷载的 15%左右 , 试件开裂对试验梁的刚度没有明显的影响 ; 试验梁的屈 服是以型 钢的受拉翼 缘屈 服为标志 ; 试件屈服前 , 平均应变的平 截面假 定成立 ; 屈服 后 , 平 截面假 定不再 成立 , 此后型 钢与混 凝土间 的 滑移对

2、试验梁的变形及裂缝宽度的影响加大 ; 试验梁达到极限 承载力以后 , 表现 出良好的 延性。可见型 钢轻 骨料混凝土梁的弯曲性能是优越的。关键词 :型钢轻骨料混凝土 ; 梁 ; 弯曲性能 ; 延性EXPERIMENTAL STUDY ON BENDING BEHAVIOR OF STEEL REINFORCEDLIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE BEA MSLiu Fan Weng Xiaohong Shao Yongjian(Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering, Universi ty of Science

3、 and Technology of Suzhou, Suzhou 215011, China Abstract :In order to study the bending behavior of steel reinforced lightweight aggregate concrete beams, eight s teel rei nforced lightweight aggregate concrete beams and two steel reinforced normal density concrete beams were tested. The resul ts of

4、 test have indicated that the bearing process of SRLC beams included three phases:elas tic, elastic plastic, and failure. Cracking load was abou t 15percent of ultimate load, and the crackin g of members had no obvious effect on the stiffness of testi ng beams. The si gn of testing beams yield was t

5、hat tension flange of steel section began to yield. Before yielding, the level section hypothesis of average strain was true, but it was not true after yielding. Afterward, the movement between steel section and concrete had more remarkable effects on deformation and crack width of testing beams. Th

6、ese testing beams behaved good ductility behavior after they reached ultimate strength. As a resul t, the bending behavior of s teel rei nforced lightweight aggregate concrete beams was superior.Keywords :steel reinforced li ghtwei ght aggregate concrete(SRLC ; beams; bending behavior; ductili ty*建设

7、部科技研究基金项目。第一作者 :刘凡 , 男 , 1963年出生 , 副教授。E-mail:liufan -sz163. com收稿日期 :2008-03-20将轻骨料混凝土与型钢结合 , 形成的型钢轻骨 料混凝土结构 , 除了具有型钢混凝土结构强度高、 刚 度大以及延性好等优点外 , 还具有减轻结构自重、 减 小结构的地震作用以及耐久性好等优点 , 可扩大型 钢混凝土结构的应用范围。同时国内外的研究1-6表明 , 实腹式配钢的型钢混凝土结构的强度和变形 性能 , 尤其是抗震性能明显优于空腹式配钢的型钢 混凝土结构。因此 , 在国内对型钢轻骨料混凝土结 构的研究少之又少的背景下 , 本文首选对

8、称配置充 满型实腹型钢的型钢轻骨料混凝土梁进行研究。 1 试验方案在参照国内外型钢普通混凝土梁抗弯试验 1, 7-10的基础上 , 本文选择型钢规格、 截面尺寸、 剪力件和轻 骨料混凝土的强度等级为主要变化参数 , 设计了 8根型钢轻骨料混凝土梁。同时作为对比试验 , 设计了 2根型钢普通混凝土梁。 10根试件的基本设计参数、 混凝土立方体强度实测值以及轻骨料混凝土的干表观 密度实测值见表 1, 试件的配筋见图 1。轻骨料混凝土的粗骨料选用江苏金坛海发新型 建材有限公司生产的 516mm 连续级配的圆球型页岩 陶粒 , 陶粒 的堆积密度为 865kg m 3, 表 观密度为 1350kg m

9、3, 筒压强度为 9 5MPa 。试件制作时 , 按规 定留制混凝土材性试块 , 材性试块与试件同条件自然 养护 , 实测得到的混凝土立方体抗压强度平均值见表 1。钢筋与型钢的材料强度实测平均值见表 2。No 3, 2009工业建筑 39期表 1 试验 梁的设计参数Table 1 Designed parameters of test beams试件编号 截面尺寸 b h mm型钢 配钢率 %混凝土种类 混凝土立方体强度 f cu MPa干表观密度 (kg m -3 剪力件SRLCB-1a 200 260I165 0轻骨料 28 51803无 SRLCB-1b 200 260I165 0轻骨料

10、 28 51803有 SRLCB-1c 200 260I165 0轻骨料 46 01897无 SRLCB-1d 200 260I165 0轻骨料 46 01897有 SRCB-1200 260I165 0普通 44 7-无 SRLCB-2a 200 300I20a 5 9轻骨料 28 51803无 SRLCB-2b 200 300I20a 5 9轻骨料 28 51803有 SRLCB-2c 200 300I20a 5 9轻骨料 46 01897无 SRLCB-2d 200 300I20a 5 9轻骨料 46 01897有 SRCB-2200 300I20a5 9普通44 7-无 图 1 试件配

11、筋 Fi g. 1 Rebars of specimens表 2 钢筋和型钢强度实测平均值Table 2 The measured mean of rebar and section steel MPa强度 6 8 ! 16I16I20a 屈服强度 378 6348 3373 2334 6347 5极限强度530 8453 8559 8438 6456 7试验在江苏省结构工程重点实验室 5000kN 的长柱试验机上进行 , 为两点集中对称加载 , 试验装置 见图 2。试验按 GB 50152-92 混凝土结构试验方 法标准 #11的规定进行分级加载。试 验过程中主 要采集各测试 点的应变以及挠

12、度。应变通过 DH3816静态应变测量系统采集。挠 度通过布置在支座的 2个位移计及梁底的 5个位移 计测量 , 其布置见图 3。梁开裂后 , 还须测试各级荷载下试验梁的裂缝宽度和裂缝间距。 图 2 试验装置 Fig. 2 Test se tup在试验过程中 , 人工肉眼观察试验梁的受力过 程及受力性能 ,并记录试验梁的破坏形态和破坏特图 3 位移计布置Fi g. 3 Layout of displacement gauges征 , 绘制裂缝发展图。 2 试验过程试验表明 , 型钢轻骨料混凝土梁在荷载作用下 具有与型钢普通混凝土梁类似的受力过程 , 同样有 弹性阶段、 弹塑性阶段和破坏阶段。

13、2 1 弹性阶段分析试验测得的荷载、 挠度、 应变等数据可知 , 在受荷初期 , 型钢轻骨料混凝土梁表现出良好的弹 性性能。型钢、 钢筋和混凝土的应变均较小 , 且沿截 面高度呈线性分布 , 荷载与挠度曲线同样呈线性分 布。随着荷载的增大 , 受拉区混凝土首先出现塑性 , 虽然受拉区混凝土的 应变沿截面高度乃呈线 性分布 , 但其应力已不再呈线性分布 , 当受拉边缘轻骨料 混凝土的应变达到极限拉应变时 , 混凝土开裂 , 裂缝 首先在纯弯段出现 , 开裂弯矩约为极限弯矩的 15%左右。从开始加载至裂缝出现的过程中 , 型钢轻骨! ! , 等料混凝土梁整体表现出较好的弹性性能。2 2 弹塑性阶段

14、纯弯段内出现的第一条 (批 裂缝迅速发展到型 钢下翼缘附近 , 随着荷载的增加 , 裂缝继续出现。但 表现出裂缝高度停滞在型钢下翼缘附近 , 且梁的荷 载 -挠度曲线也不因裂缝的出现而明显转折 , 这主 要是因为型钢具有较大的刚度 , 对其周围的混凝土 具有较强的约束作用所致。大约加载到极限荷载的 40%50%时裂缝基本出齐。继续加载 , 受压区混 凝土表现出明显的塑 性性能。对 比受拉钢筋的应 变、 型钢受拉翼缘的应变以及荷载 -挠度曲线的特 征可知 , 型钢受拉翼缘的应变达到屈服应变时 , 型钢 轻骨料混凝土梁出现较为明显的屈服特征。2 3 破坏阶段型钢受拉翼缘屈服后 , 型钢与混凝土的粘

15、结开 始明显破坏。继续加载 , 梁的挠度增大明显加快 , 裂 缝宽度也明显加大 , 且裂缝迅速向梁顶发展 , 中和轴 也迅速上升 , 混凝土受压区高度减小 , 最后受压区混 凝土被压碎 , 试验梁达到极限承载力。缓慢卸载 , 发 现试件乃具有较大的承载力和刚度。试验测得 8根型钢轻骨料混凝土梁的混凝土极 限压应变 cu 为 2418 10-63956 10-6, 平均值 为 3054 10-6; 测得 2根型钢普通混凝土梁的 cu 平 均值为 2937 10-6, 可见 , 两种混凝土具有相近的 极限压应变。试验还发现 , 在受压区混凝土被压碎前 , 轻骨料 混凝 土 强 度 等 级 较 低

16、的 4个 试 件 (SRLCB -1a 、 SRLCB-1b 、 SRLCB-2a 、 SRLCB-2b 在纯弯段型钢 受压翼缘附近有粘结劈裂裂缝产生。3 试验结果3 1 试验梁的特征荷载和破坏形态对于梁的受弯试验而言 , 其特征荷载主要有开 裂荷载、 屈服荷载和极限荷载。试验实测得到的 10根试验梁的特征荷载及其对应的位移见表 3, 试验 梁的破坏形态见图 4。表 3 10根试验梁的特征荷载及其对应位移的实测值Table 3 The characteristic loads and their measured values corresponding to displacements of

17、 10test beams 试件编号开裂荷载及其对应的位移 屈服荷载及其对应的位移 极限荷载及其对应的位移P cr kN f cr mm P y kN f y mm P u kN f u mm破坏形态SRLCB-1a 250 9120510 19235 023 41弯曲破坏 SRLCB-1b 330 802159 10252 015 43弯曲破坏 SRLCB-1c 381 2920611 02249 022 60弯曲破坏 SRLCB-1d 461 372109 20273 233 86弯曲破坏 SRCB-1370 971987 25247 321 34弯曲破坏 SRLCB-2a 520 943

18、287 95405 419 11弯曲破坏 SRLCB-2b 470 863067 78386 720 56弯曲破坏 SRLCB-2c 530 963288 00409 822 14弯曲破坏 SRLCB-2d 551 023247 63392 120 97弯曲破坏SRCB-2530 973277 26396 819 24 弯曲破坏图 4 试验梁的破坏形态Fig. 4 Fail ure modes of test beams工业建筑 39期3 2 试验梁的荷载 -挠度曲线试验实测得到的跨中挠度 f 随荷载 P 的变化曲 线见图 5。需要说明的是 , 由于试验所用长柱试验 机不能进行位移控制 , 所

19、以尽管在达到最大承载力 后也试图通过逐级卸载测量试验曲线的下降段 , 但 试 验得到 的曲线 下降 段效果 较差 , 所 以图 5中的 P -f 曲线均只有上升段。从图中曲线反映出 , P -f 曲线并不因受拉区混 凝土的 开裂而 产生明 显的转 折 , 在正 常使 用阶段(0 5P u 0 7P u , 曲线基本上仍然保持线性。直到 型钢屈服后 , P -f 曲线才开始明显弯曲。从图 5a 、 图 5b 可以看出 , 设置支座剪力件的试 验梁 SRLCB-1b 和 SRLCB-1d 的刚度似乎比无剪 力件的试验 梁 SRLCB-1a 和 SRLCB-1c 的刚度略 大 ; 但图 5c 、 图

20、 5d 又反映出支座设置的剪力件对刚 度没有影响。可见 , 在支座设置剪力件对梁刚度的 影响非常小。因此 , 在正常使用阶段的挠度分析时 ,可不考虑剪力件对梁刚度的影响。 a ! SRLCB-1a 和 SR LCB-1b; b ! SRLCB-1c 和 SRLCB-1d; c ! SRLCB-2a 和 SRLCB-2b;d ! SRLCB-2c 和 SRLCB-2d; e ! SRCB-1和 SRCB-2图 5 P -f 曲线Fi g. 5 P -f curves of test bea ms4 结 论在 8根型钢轻骨料混凝土梁和 2根型钢普通混 凝土梁抗弯试验的基础上 , 通过对试验数据及试

21、验 现象的归纳总结 , 得到以下结论 :1 型钢轻骨料混凝土梁具有与型钢普通混凝土 梁类似的弯曲性能。受力过程同样经历弹性、 弹塑 性和破坏 3个阶段。2 受拉区轻骨料混凝土的开裂对试验梁的刚度 没有明显的影响 , P -f 曲线没有明显的转折 ; 试验 梁的屈服是以型钢的受拉翼缘屈服为标志 ; 试验梁 达到极限承载力以后 , 乃具有相当的承载力 , 表现出 良好的延性。3 在合适配钢率范围内 , 其弯曲破坏形态为延 性良好的适筋梁破坏。本文 10根试验梁的配钢率 有 5 0%和 5 9%两种 , 试验得到 10根试验梁的破 坏形态均为延性良好的适筋梁破坏。4 型钢轻骨料混凝土梁的开裂荷载约为

22、极限荷 载的 15%左右 , 大约加载到极限荷载的 40%50%时裂缝基本出齐。5 试验梁在屈服前 , 平均应变的平截面假定符 合较好。型钢受拉翼缘屈服后 , 平截面假定不再成 立 , 同时型钢与混凝土间的滑移对试验梁的变形及 裂缝宽度的影响加大。6 在支座设置剪力件对梁刚度及承载力的影响非常小。因此 , 在进行梁的挠度分析以及极限承载 力计算时 , 可不考虑剪力件的影响。参考文献1 赵鸿铁 . 钢与混 凝土组 合结构 M. 北 京 :科学 出版社 , 2001:77-85.2AISC. Load and Resistance Factor Desi gn Speci fications for Struc tural Steel Bui ldings. Chicago:American Institu