钢-混凝土组合梁横向钢筋抗裂的作用机理和配置

钢一混凝土组合梁横向钢筋抗裂的作用

机理和配置摘要：本文结合相关资料的实验数据及计算理论，分析了组合梁纵向开裂的原因以及横向钢筋在防止连续组合梁纵向开裂发展时做出的作用，进而结合各种理论归纳而得出钢一混凝土连续组合梁横向钢筋计算方法以及构造配置。关键词：纵向开裂横向钢筋破坏形态横向钢筋率1引言钢一混凝土组合梁的混凝土板在现场工况下，常出现板沿钢梁纵向开裂。若同时受横向弯曲作用，则混凝土板纵向开裂会更加严重。这是因为组合梁中，混凝土翼板相对较宽，却在沿一个狭窄的接触面与钢梁上剪力连接件连接，并承受承受剪力连接件传来的剪力，因而将在翼板钢梁两者接近的平面中存在较大的剪应力，所以组合梁常发生混凝土翼板的纵向开裂，而T型截面组合梁采用单排栓钉连接时，翼板更容易产生纵向开裂.翼板的纵向开裂将导致混凝土翼板的纵剪强度降低甚至丧失，这将成为梁破坏的控制条件。若想要约束裂缝的发展，配置足够的横向钢筋将成为最有效的方法，否则组合梁中翼板和钢梁很难实现有效的建立连接，组合梁也会达不到设计承载力而会提前破坏。国外C-Davies通过小尺寸的实验就指出：当横向钢筋配置不足时，就可能使组合梁达不到抗弯强度［1］。国内对于组合梁的试验虽还不多，但已做试验就有不少出现了纵向开裂，并而且单排连接件的组合梁更容易发生纵向开裂［2］。因此，组合梁混凝土板的纵向开裂是一个较普遍、较严重的问题。如果没有适当的横向钢筋控制裂缝的发展，就可能使组合梁剪力连接程度降低而提前发生破坏。2混凝土翼板纵向开裂的机理分析以及横向钢筋抗裂的机理组合梁混凝土翼板在加载过程中除了受到弯矩、集中力和竖向剪力的作用外，还受到栓钉和横向钢筋的作用力，而且栓钉所产生的力在一定的荷载作用范围内很不均匀，因此很难明确分析清楚混凝土翼板的应力分布状况。混凝土翼板的纵向开裂需要考虑的因素较多，包括以下方面：①混凝土强度等级和翼板的厚度；②横向钢筋的位置、横向配筋率；③连接件的种类及排列方式、间距、数量、荷载作用方式等。因此在组合梁实验中，应该测量混凝土板沿梁轴线的横向应变分布和板内上下层横向钢筋的应变分布。有相关实验［3］［4］可以发现在加载过程中，各梁下层箍筋在加了两级荷载后就出现了比上层箍筋较快的应变增长趋势，并先期出现了应变的突然增加。同时,试验还发现纵向裂缝首先在梁跨中（即集中荷载作用点）出现，然后向两边的支座处发展，裂缝呈横向拉裂状。从试验中测得的混凝土翼板和箍筋的横向应变看，跨中处最大而边支座处接近为零，也表明了这一规律。另外，连续组合梁试验发现，一般都是跨中到中支座的半跨先出现纵向裂缝,最终的发展也相对严重，这说明栓钉的间距对混凝土翼板中横向拉应力的分布也有影响的，即间距越小，横向拉应力越大。箍筋配置较多的梁则未出现纵向裂缝,然而从跨中处箍筋的横向应变量来看，要比混凝土的极限拉应变值大，说明混凝土翼板的下表面已出现纵向开裂，只是由于良好的横向约束而未发展到上表面。这说明混凝土翼板的纵向开裂基本和横向钢筋无关，箍筋只起约束纵向裂缝发展的作用。因此，混凝土翼板的纵向开裂主要是由栓钉的剪力引起的，它和栓钉剪力的大小有关，和混凝土的抗拉强度有关，与横向钢筋无关，也和混凝土翼板受拉、受压基本无关。试验中，负弯矩区混凝土翼板横向应变相对较小是由于负弯矩区混凝土翼板中总剪应力相对较小，栓钉所承受的剪力也就较小，且栓钉间距较大,故一般不发生纵向劈裂。横向钢筋在纵向开裂出现后承担了横向拉力，从而保证了混凝土翼缘和钢梁间组合作用的发挥直至梁达到弯曲强度极限状态。另外试验［5］发现当混凝土板内横向钢筋愈多，间距愈小的时候，相应的裂缝平均间距将会减小，并且裂缝宽度也会相应减小。混凝土板内的横向钢筋相当于梁的箍筋。增强了裂缝间混凝土和纵向钢筋的粘结力，使两条裂缝间的传递长度比普通混凝土构件短，裂缝间距和宽度相应减小。横向钢筋直接承受了顺剪力，使混凝土板产生斜向支座的八字形裂缝减小。斜裂缝的发展受到了横向钢筋的阻缓，裂缝宽度也相应的减小了。3横向钢筋率对组合梁破坏形态的影响正因为横向钢筋在组合梁受力过程中发挥的作用，横向钢筋决定了能否达到最终破坏形态，所以组合梁也会因为横向钢筋配筋率的不同而分为不同的破坏形态。根据相关文献探究［5］，组合梁的破坏试验共三类：（1）弯压破坏破坏特征是以跨中部位的混凝土翼缘板出现压碎，仅在荷载下降之后，发现细小纵向劈裂裂缝出现在剪跨区域。（2）弯剪破坏,破坏特征主要有两种，其一为跨中部位的混凝土翼缘板压碎，其二为纵向剪切开裂出现在混凝土板纵向剪跨区域；（3）纵向剪切破坏，破坏的标志是混凝土板纵向剪切破坏。4横向钢筋配筋率的计算及构造配置当组合梁跨度较小，混凝土板较薄，受较大的集中荷载，特别是采用单排栓钉剪力连接件时，混凝土板的纵向开裂可能是难以避免的。为了满足正常使用的要求，保证组合梁不因纵向开裂而造成极限承载能力降低就要控制纵向裂缝的发展，配置适当的横向钢筋。在欧洲钢结构协会的组合结构规程中就是根据R.P.Johnson的研究，将混凝土板的剪切破坏为模式来确定横向钢筋的数量。这里我们也采用反映混凝土板纵向劈裂的桁架模式决定横向钢筋量，以反映控制纵向裂缝的发展，以反映控制纵向裂缝发展的要求。组合梁半跨混凝土板，当受连接件的作用力而出现纵向开裂后，板的受力状态发生了变化。原混凝土所受的横向拉应力随裂缝的出现而逐渐由混凝土板内的横向钢筋来承受。横向钢筋限制了纵向裂缝的发展，使栓钉能正常传递纵向剪力。此时根据受力状态，混凝土板可视同桁架机构。斜向和纵向压力由混凝土板传递，而水平拉杆由横向钢筋担当。组合梁中混凝土翼板的纵向开裂是难避免的，要想有效控制裂缝的发展只能合理地配置箍筋，保证栓钉正常工作，这样将使梁能够达到设计承载力。通过计算配置箍筋的梁都很好地达到了最终极限荷载，而配箍率较低的梁的承载能力出现了不同程度的降低。这说明在组合梁设计中必须保证一定的配箍率。。根据相关实验研究，混凝土板内的横向钢筋应尽可能双层等量配置，此时纵向裂缝就很小。布置横向钢筋应靠近剪跨区内，特别是在仅集中荷载处更应当适当加密。当边梁的混凝土板边缘到最近一排连接件中心的距离时，横向钢筋应绕过连接件做成U形筋，以保证其有足够的锚固长度，钢筋应布置在连接件跟部周围，以上措施可保证混凝土板难以出现纵向开裂；另外当使用栓钉连接件时，钢筋的直径N0.5d,此处d为栓钉的直径，而且混凝土板边缘到栓钉中心线的距离应〉6d.5结束语综上所述，横向钢筋率对于组合梁的能否实现最后的极限承载力关系紧密。当板内横向钢筋的配筋率较低时，栓钉传递来的纵向剪力，将会使得混凝土板发生纵向开裂，栓钉前的三向受压区也被纵向裂缝破坏了。受压区一旦破坏，会导致栓钉的受剪承载力降低（因为混凝土弹性模量降低），组合梁的抗弯承载力也因此降低。所以要想延缓裂缝的开展，就需配置较高横向钢筋，。按横向钢筋率的大小，也决定了组合梁的三种不同的破坏状态：弯压破坏，弯剪破坏，劈裂破坏。横向钢筋的计算根据相关研究，把混凝土板纵向开裂的横向钢筋变为“桁架”进行分析。最后，横向配筋率也必须满足一定的构造要求参考文献：Davles,C,Testsonhalf-scallsteelcompositebeamswithweldedstudconnects,StrucEngrJan,1969蒋东红钢一混凝土连续组合梁纵向开裂问题的探讨[D].东北大学1999(3)D.J.OehlersandS.M.Park.Shearconnnectorsincompositebeamsw