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负弯压复合梁的性能与设计
G. Vasdravellis ⁎, B. Uy, E.L. Tan, B. Kirkland
University of Western Sydney, Sydney, Australia
摘要：本文研究了钢筋混凝土组合梁在负弯曲和轴向压缩共同作用下的性能。在本研究中，对承受负弯矩的复合梁进行了6次全尺寸试验，同时进行了压缩试验。试验中施加的轴向压缩水平从低到高不等。经过试验建立了非线性有限元模型，并根据试验结果进行了标定。这个模型被建立是用来预测被测梁的非线性响应和最终破坏模式。发展成熟的有限元模型被进一步用于对实践中常用的一系列复合截面进行一系列参数分析。研究发现，当压缩荷载作用于复合材料截面时，复合材料梁的负弯矩能力显著降低，钢梁的局部屈曲更明显，截面的延展性受到损害。基于截面平衡的刚塑性分析可以合理地预测复合材料截面的复合强度，因此在设计实践中可以适当地使用。在负弯区域采用纵向加劲肋在钢梁腹板上进行细化，消除了腹板屈曲，提高了复合材料截面的转动能力。基于实验结果和有限元分析的，一种简化的工程设计模型被建议用于工程实践中。
关键词：复合梁；负弯曲；压缩；有限元模型；实践
1、介绍
钢筋与混凝土的复合结构是一种流行的结构方法，因为它与传统的解决方案相比有许多优点。钢筋与混凝土这两种最普遍的建筑材料组成了最优组合结构，使得结构既安全又经济。钢梁与钢筋混凝土板之间的复合作用，通常是通过将剪切过的螺柱焊接到梁顶部的翼缘上来实现的，结果在相比于裸钢系统使用更少的钢材的情况下，结构可以承受更大的挠度。
连续复合梁是许多结构体系中的一种有效的结构方法，如建筑物和桥梁，这是由于这种结构更有利于分配结构的内力并且更容易满足可用性检查。然而，连续复合梁的设计和分析由于其在正弯矩区（下垂力矩区）或负弯矩区（拱矩区）呈现出不同特征而相当复杂。此外，在拱矩区，例如在连续梁的内部支撑区域，很大一部分钢梁截面受到压应力，因此底部翼缘和腹板容易受到局部不稳定的影响。
在工程实践中，有一些情况下，复合梁会受到联合作用，例如正或负弯曲和轴向张力或压缩的同时作用。此类例子包括：a）在横梁中，轴向力可以作为特定支撑系统的一部分，也可以作为隔板的一部分[1]；b）在高层框架中，风荷载很大，可以对建筑物的梁施加很大的轴向力；c）使用倾斜构件的结构，例如视距梁或斜停车坡道附近；以及d）桥梁，其中倾斜荷载和交通荷载可能会在支撑梁上产生较大的轴向力。
现行结构规范，例如[2-4]，并没有对受到组合轴力和弯矩下作用下的复合梁的设计提供特定的规则；它们参考了为裸钢系统建立的规则。因为与裸钢截面相比复合梁的特性不同，复合梁的弯矩-轴向载荷相互作用仍值得进一步研究。尽管在针对复合梁的弯曲性能有大量可用的实验数据[5-7]，复合梁在联合荷载作用下的实验数据仍然相当有限。作者在大量的研究中研究了轴向力在复合梁的下垂力矩区和拱矩区的影响[8，9]。在本次研究工作中，使用了大量的实验方案研究了复合梁在联合作用下的极限强度实验程序，进行了刚性塑性截面分析和广泛的有限元模拟。建立了交互曲线，并提出了在实践中使用的简单设计规则。Uy和Bradford[10]和Uy[11]研究了预应力对正弯曲下的复合梁 的影响。Nie et al.[12]通过研究实验中和理论上的11种钢筋混凝土复合梁得出了复合梁在组合弯矩和扭转作用下的表现。Tan和Uy[13,14]也研究了直钢和弯曲钢在扭转作用下的影响。他们的研究为处于完全剪接和部分剪接状态下的梁受到扭转作用的影响提供了实验数据。在试验的基础上，设计了复合梁的极限分析方程。Baskar和Shanmugan[15]在弯曲和剪切荷载作用下测试了许多钢筋混凝土组合梁。他们发现与裸钢梁相比，梁的极限承载力有明显的增加Elghazouli和Treadway[16]从一系列针对部分外壳复合钢-混凝土梁柱的试验中得出了实验结果。实验试件在横向荷载和轴向重力荷载作用下表现出非弹性行为。然而，在他们的研究中，样本贯穿它们的x轴和y轴都是对称的，因此柱状体是更适合的样本。Uy和Tuem[17]第一次考虑了张力在组合梁中的影响。一次针对轴向载荷与弯曲联合作用的分析研究是通过进行横断面分析和刚性塑性分析来实现的。
本文研究了复合梁在负弯曲和轴向压缩共同作用下的表现，是一个大型研究项目的一部分，这个项目旨在建立复合材料梁在联合轴力和弯矩作用下的完整相互作用图。在这方面，进行了六次复合梁上受到联合作用的全面测试，而施加的轴向压缩水平从低到高不等。根据试验，建立了详细的非线性有限元模型并且验证了实验数据。这个模型可以用来预测梁的非线性反应和极限破坏模式。发展成熟的有限元模型可以进一步用来进行一系列常用的工程实践领域的参数分析。研究发现，当压缩荷载作用于复合材料截面时复合梁的负弯矩抵抗能力显著降低并且钢梁的局部屈曲更为明显，降低了截面的延展性。基于截面平衡的硬质塑料分析可以合理地预测复合材料截面的组合强度，因此可以在设计实践中适当地使用。详细说明纵向加强筋帮助钢梁负弯区域的腹板消除了腹板屈曲，增加了组合截面的抗扭转能力。根据实验结果和有限元分析建立了一种简化的应用于工程实践的设计模型。
2、实验方案
2.1.实验样本的细节
作为实验方案的一部分，6个全尺寸复合梁被设计和用于试验。用于试验的梁在本文中被标记为CB1到CB6。对样本CB1和CB6分别进行了纯负弯矩和纯轴向压缩测试，而样本CB2至CB5在联合负弯曲和外加轴向压缩水平提高的条件下进行了测试。钢筋和剪切螺柱的几何形状和细节如图1所示。所有试件均采用600毫米宽120毫米深的混凝土板，用尺寸为UB203times;133times;30的通用梁截面连接。梁和板的连接是通过直径为19mm，长度为100mm的剪力钉焊接在一个穿过钢筋梁顶部翼缘的单线上实现的。复合材料梁在齿槽中的剪切连接程度被定义为螺柱提供的剪切连接强度与最薄弱位置的强度之比（钢筋束或者钢筋梁）而板的抗拉强度忽略不计[18]。即：
公式中beta;是指剪切连接的等级, Nss 是指在剪力跨径（半跨）中的螺柱数量，Fstud是指单个螺柱的强度，Fr是指板内钢筋的轴向强度,并且Fbeam是指钢梁的轴向强度。由测试（稍后描述）得出在实验梁中Nss=8,Fstud=110 kN并且min{Fr,Fbeam}=Fr=250kN,所以beta;=3.5gt;1；因此，验证了全剪切连接。一组三个螺柱焊接在每个梁的末端，以减少滑移，并确保充分利用钢筋。纵向和横向钢筋放置在混凝土板上如图1所示。
在垂直载荷施加点的梁翼缘之间焊接了两个10mm厚的腹板加强筋，以防止由于集中跨中载荷而导致的预实腹板屈曲。此外，试样CB5和CB6是通过在梁的两端使用一系列腹板和翼缘加劲肋来加固的（见图1）。这种配置的目的是避免由于轴向载荷施加点的应力集中而导致局部失效，并允许将高强度的载荷部分转移到在跨中的复合截面，这一点将在稍后讨论。由于试样CB2因为横向屈曲而意外失效，沿梁CB3到CB6的长度放置横向支撑，以消除横向扭转屈曲破坏方式的可能性。横向支撑由锚固在混凝土板边缘上的钢矩形构件组成，焊接在钢梁的底部（压缩）翼缘上，如图2所示。
2.2.材料性能测试
同时进行混凝土和钢材料性能试验，以获得材料的实际强度。混凝土试验包括标准圆柱抗压试验和弯曲劈裂试验。后者旨在确定混凝土的抗拉强度。柱体200mm高，直径为100mm，而挠曲试验使用的是100times;100times;400mm规格的样本。结果摘要见表1。此外还用从钢梁的翼缘和腹板上切割出来的切片以及钢筋进行了拉伸试验。得到的数据包括断裂处的屈服应力，断裂处的极限应力，以及弹性模块，结果如表2所示。
通过三次推挤试验，对剪切螺柱的载荷滑移特性进行了评估。推出的试件是用剪切螺柱和从那些相同的批次建造的用于形成钢-混凝土复合梁的。每个推出的样本都进行了测试，都遵循欧洲规范[2]中描述的测试程序。载荷-位移曲线表明，一个剪切螺柱的平均容量约为110kN，而在试验过程中实现的最大位移在8-14mm之间，如表3所示。表3还报告了测试期间最大负载下的滑动值。这些值分别为5.8、6.9和8mm，表明剪切螺柱具有良好的延展性。
2.3.实验设备
在组合梁试件中，采用载荷驱动器的组合，同时产生了轴向压缩载荷和弯矩。垂直载荷是在使用1000KN的情况下具有250毫米有效位移的液压驱动器施加的。轴向压缩载荷采用四个800kN极限承载力的液压驱动器共同施加。因此，这个系统可施加最大3200kN的轴向压缩载荷通过使用焊接在钢梁截面上的钢板和等宽的三角形分流板板转移复合梁段，与梁翼缘宽度之和为134mm，如图中的试验设备1所示。这样，加载区域就是钢梁的面积加上等于分流板宽度的部分板面积板乘以板的深度。两个滚子支撑在4000mm距离的梁CB1，这是在纯负弯曲条件下的试验。在其余的试验中，梁的支撑由放置在引脚下的轴向负载喷头和滚子支架的引脚组成，如图1所示。CB2到CB6的试验清晰跨度为4950mm。
图1
2.4.使用仪器
采用线性换能器和应变计相结合的方法，记录了相关参数，得到了光束的实验性能。一个自动数据采集系统用于在整个测试过程中自动记录来自所有测量设备的数据，包括负载传感器、应变计和线性电位器。用应变计测量钢梁和钢筋的应变。应变量规有7组，穿过每个横截面，一组在跨中，一组在每个四分之一点，如图1所示。线性电位器被用来测量梁的挠度。它们被放置在四分之一点和中点。连接器应变和界面应变也是用线性电位器测量的。这些应变是在尾端，四分之一点和中点测量的，如图1所示。
图2
2.5.实验过程
梁CB1是在纯负弯曲下加载的，因此它只受到垂直载荷。请注意，为了方便负弯曲的应用，试样被放置在钢梁的下板，如图1所示。垂直载荷增加，直到材料失效或达到垂直载荷驱动器的位移极限。对于试样CB2至CB5，以复合材料截面理论设计强度的10%的顺序以增量步骤进行垂直加载。为了获得不同等级的轴向压缩现象，施加的轴向载荷的增量是不同的。两种负载都会增加，直到材料失效或负载驱动器的最大位移达到为止。最后考虑的梁，CB6，在纯轴向压缩下进行试验，只有轴向加载钻机被用来施加负荷。在试验过程中，组合梁的跨中与钢截面的顶部翼缘接触，以防止产生由于质心偏离而造成的二阶弯曲导致出现偏心距。
计算了每个被测梁的弯矩，同时考虑了作用在其上的外力的平衡。下面的方程被用来计算极限弯曲：
公式中PV是指在梁的中心施加的垂直力，PH是指水平力, Msw是指因为梁的自重而产生的弯矩 而e是指载荷施加的位置与复合梁塑性中性轴之间的偏心率。偏心率计算：
公式中Dc是指板厚;tf是指翼缘厚度;dw是指腹板高度i;yc是指从板的顶部测量的塑料中性轴（PNA）的深度;并且delta;是指测量到的跨中垂直挠度。
3、理论分析
3.1.刚塑性分析
通过截面内的刚塑性分析（RPA）对复合梁进行了解析计算。在这种分析中，只有钢筋（钢筋和钢梁）复合截面的被认为对截面承载力产生作用，而混凝土中的张力被忽略。图3a显示复合材料的应力分布截面，因为它是基于RPA假定的情况下分析的，认为负弯曲没有轴向力。在轴向力的情况下，
假定塑性中心轴位于截面高度内的几个点，并将由此产生的曲线和轴向压缩归纳为扭转中心复合截面的塑性质心，如图3b所示。为了与实验值进行比较，没有假设部分安全系数，平均抗压强度为采用了计算内力时材料试验的结果。
3.2.有限元模型
前几节所述的试验方案提供了受负弯曲和各种水平压力综合影响的复合梁的极限抗压强度数据。然而，测试结果只涉及一个特定的复合部分。为了推广结果并且考虑更广泛的截面范围，这种有限元方法被放弃了。为此，建立了非线性三维有限元模型，对复合梁的试验进行了模拟。该模型依赖于商业软件ABAQUS的使用[19]。以下各节详细描述了模型的几何形状、元素类型、材料和求解方法。
3.3.几何形状和元素类型
混凝土板采用减少结合的八节点线性六面体单元，即ABAQUS中的C3D8R，而钢梁采用八节点单元，单元不兼容模式（C3D8I）。使用不同单元的主要原因是，具有不相容模式的单元能够有效地捕捉局部不稳定性，如翼缘和/或腹板屈曲，不需要引入模型中的缺陷。将钢筋再筋建模为二节点三维线性桁架，T3D2。通过应用边界条件间接模拟飞撑撑，防止在试验中侧向展开，在梁受压翼缘上与飞撑相同的点处的水泥被定位在试验中。由于几何形状和载荷的对称性，只对一般的梁建模，并对对称平面设置了适当的边界条件。网格的概述和各种建模假设的示意图如图4所示
3.4.操作步骤
为了对板中的钢筋进行建模，采用了嵌入式单元技术。用ABAQUS中的嵌入元素技术指定嵌入在一组原有元素中的一个元素或一组元素，其反应将被用来约束嵌入式节点的自由度。在本例中，代表钢筋的桁架单元是嵌入区域，而混凝土板是原有区域。利用这种技术，钢筋与周围混凝土之间可以形成完美的粘结。此外，在不允许分离的梁板界面上增加了接触相互作用后的表面，以防止隆起。采用小滑动的节点到表面接触，而无摩擦的“硬”接触被指定为接触特性。
图3
图4
3.5.材料性质
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