高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的受弯性能研究

张莉

高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的受弯性能研究

张莉

（安徽审计职业学院，合肥 230601）

[1]：为研究高强U形外包钢-混凝土再生混合梁受弯性能，对4组简支组合梁进行了三点对称集中加载试验。试验步骤包括材料选取、试件制作与设计、试件加载、测点布置以及试验结果与分析，结果表明：（1）4组简支组合梁受弯形态变化情况中高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的形态破坏最轻；（2）得出4组简支组合梁抗变形能相关参数，其抗变形能力排序：试件4＞试件3≥试件2＞试件1。

高强；U形外包钢-混凝土再生混合梁；受弯性能

将两种建筑材料合理组合是当前建筑结构施工中常用的手段，其中钢筋与混凝土组合是最常见的组合方式，这类组成方式兼具了钢筋和混凝土的优点，但是这种组合方式也并非没有缺点，如抗裂性差、自重偏大等，因此一种新的组合形式出现，即 U形外包钢-混凝土形式，该形式是以钢板做底板，以冷弯薄壁钢板做侧板，二者焊接形成U型截面，然后在U型里面浇注混凝土[1]。这种形式极大解决了传统钢筋与混凝土组合抗裂性差的问题，但是由于采用的钢板仍为普通钢板，因此自重偏大的问题没有得到有效解决。在此背景下，随着高强钢板的出现，这一问题也得到了解决。高强钢板最大的优点是重量轻、厚度小，能极大节约材料和建筑成本，是现代建筑结构最常用建造模式，但如何合理地应用材料需要进行进一步的分析，这直接关系到结构性能发挥。

梁是建筑中应用钢-混凝土组合模式最常见的结构，因此对该结构的受力研究从来没有停止过。如Chung K F等在《Advanced finite element modelling of composite beams with high strength materials and deformable shear connectors》中对高强材料组合梁的受力性能进行了数值模拟，得出组合梁受弯承载力提高40%以上；Lapko A等进行了普通钢筋混凝土和高性能混凝土（HPC）两层混凝土组成的组合梁的抗弯承载力和变形性能的试验和数值分析。分析结果表明，与普通混凝土梁相比，组合梁的结构性能有了显著的改善，在某些情况下，与全高性能混凝土梁相比也有了显著的改善。石启印等进行了三根足尺简支梁的试验研究，研究了组合梁受力性能和破坏模式，计算得出梁的屈服荷载和极限荷载。王春生等通过建立有限元数值模型，探讨了材料强度对组合梁受力性能的影响，并对其受力性能进行了分析。

本文在前人研究经验的基础，进行高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的受弯性能分析。分析以实验形式进行，包括材料选取、试件设计、压力加载、测量布置、受力性能和破坏特征分析等步骤[2]。通过研究以期为高强U形外包钢-混凝土再生混合梁结构设计提供参考。

1 高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的受弯性能分析

为建设现代化城市，城市建筑越来越多，且建筑层数也越来越多，这就给建筑结构带来了很大负担，因此对高层建筑结构的受力性能有了很高的要求。然而，单一材料组成的结构却很难达到[3]。在此背景下，混合结构成为现代建筑中常见的结构形式。为此，本文以高强混凝土和高强度钢材有效结合形成的高强U形外包钢-混凝土再生混合梁为例，进行受力性能和破坏特征分析。

1.1 材料选取

根据本文所要建立的高强U形外包钢-混凝土再生混合梁试件，试验材料包括钢材、钢筋、混凝土以及废弃混凝土块体，以上4种实测力学性能如表1～4所示[4]。

表1 实测钢板力学性能

表2 实测钢筋力学性能

表3 实测混凝土力学性能

表4 废弃混凝土块体力学性能

1.2 试件设计与制作

参考现行国家标准规范及有关设计手册，进行试件制作，试件制作方案如表5所示。

表5 试件制作方案

按照表5设计方案，进行试件制作。制作过程如下：首先将钢板利用折弯机将钢板弯折成U形外包钢，然后在翼缘处焊接等边角钢，以防止U形外包钢侧向变形，再然后将废弃混凝土块体放入到U形外包钢中（没有废弃混凝土块体参与的则不加），之后将流体混凝土浇筑到U形外包钢中，填补缝隙[5]。浇筑期间需要进行充分的振捣，以防止出现气泡，产生空洞，影响结构强度。混凝土浇筑直到没过翼板，最后进行人工收面，等待U形外包钢-混凝土组合简支梁试件阴干，试件尺寸为150mm×50mm×50mm，一般需要1天左右。在此期间，需要注意避免暴晒和淋雨。本文实验当中所需要的所有试件的制作均在XX省结构工程重点试验室加工完成[6]，试件构造示意图如图1所示。

图1 试件构造示意图

1.3 试件加载

在试件制作完成后，开始对试件施加荷载，加载方式为三分点对称加载，如图2所示[7]。

荷载加载装置主要由200t千斤顶、反力架、试件以及压力传感器等组成，如图3所示[8]。

图2 试件荷载加载方式

图3 荷载加载装置

首先进行预加载，检查加载装置上各个组成部件运行是否正常，以避免正式加载过程中出现故障，中断加载试验。然后利用压力机对加载装置进行标定，以确定每次加载的压力都是准确值[9]。再将试件通过压梁与刚性地面固定，这时千斤顶位于反力架和试件之间。以上过程属于加载前的准备过程。下面进行正式加载，加载方案主要分为3个等级，初始荷载为0kN，然后以每20kN作为一个荷载单位，进行加载，直至试件表面有开裂现象出现，然后以10kN为一个荷载单位进行加载，直至达到屈服荷载，最后采用位移控制缓慢持续加载，直至达到极限状态。当试件跨中挠度达到160mm或荷载降至极限荷载的85%以下时，停止加载[10]。

1.4 测点布置

为随时了解试件在荷载施加过程中的受弯性能变化情况，需要将试件表面布置传感器。在这里主要需要两种传感器，即压力传感器和位移传感器[11]。

（1）压力传感器。压力传感器实际上一种测量应变的电阻片。将电阻片布置在试件受力较大的或受力变化较大的位置，以测试试件在荷载作用下的变形情况[12]。本实验压力传感器布置情况如表6所示。

表6 压力传感器布置方案

（2）位移传感器。位移传感器是测量物体在力的作用下位移量的传感器[13]。本试验中位移传感器布置方案如表7所示。

1.5 试验结果与分析

1.5.1 加载过程与受弯形态描述

（1）试件1。试件1的最终破坏形态如图4所示。

图4 试件1在荷载作用下的最终破坏形态

试件1是最普通的U形外包钢-混凝土组合梁结构，所有组成材料的力学性能都是最低的。试件在荷载加载装置施加作用力到70kN时，试件受力处内部混凝土出现被作用力挤压的细微声音。当加载到100kN时，组合梁跨中受力区出现第一条裂缝，此时组合梁跨中竖向位移25mm。之后持续加载荷载，直至160kN时，组合梁混凝土翼缘板跨中不断出现新的细微裂缝，且原裂缝变宽，直至加载到240kN时，混凝土压碎剥落、压溃、最后加载60mm时，混凝土严重脱落，试件受弯变形发展迅速，试件最终破坏形态[14]。

表7 位移传感器布置方案

（2）试件2。试件2的最终破坏形态如图5所示。

试件2是一种钢材力学性能弱，但混凝土力学性能强的组合模式。试件2的性能要稍好于试件1。在80kN时，受压试件出现吱吱的细微声音，表明包钢内的混凝土结构开始出现破坏现象，然后继续加载到90kN，包钢与混凝土交界处出现细微的粘结滑移裂缝，当加载到180kN时，试件上翼缘板原有的粘结滑移裂缝继续扩展，且位置向上移动，并伴有很多细微小的裂缝出现。当加载到20mm时，翼缘板上细小裂缝发展成加大的纵向裂缝[15]。持续加载到100mm时，最主要的裂缝已经发展到贯穿整个翼缘板，其中所配的钢筋被压弯凸出。继续加载，当加载到120mm时，组合梁U型包钢内部的混凝土完全被压溃和剥离，此时的组合梁跨中竖向位移达到40mm，试件丧失承载作用。

（3）试件3。试件3的最终破坏形态如图6所示。

图5 试件2在荷载作用下的最终破坏形态

图6 试件3在荷载作用下的最终破坏形态

试件3是一种钢材力学性能强，但混凝土力学性能弱的组合模式。在加载初期，试件表面没有明显变化，但内部混凝土结构发出粘结破坏的声音；持续加载到100kN左右时，组合梁内部混凝土与U形外包钢交界出出现多条竖向裂缝，但是内部钢板没有发生明显变化。继续加载，裂缝逐渐向上延伸，当达到150kN时，裂缝转换为钢梁和内部填充混凝土之间的相对滑移[16]。继续加载到220kN时，滑移急剧增加，且内部填充的混凝土压溃剥离，两者基本脱离。继续加载到60mm时，U型钢梁侧板变形。

（4）试件4。试件4的最终破坏形态如下图7所示。

图7 试件4在荷载作用下的最终破坏形态

试件4是本文研究的主要对象，即由高强U形外包钢、高强混凝土以及部分废弃混凝土块体构成的再生混合梁。对该试件进行加载，当达到120kN时，在中间支座上部的混凝土翼缘板上出现第一条细微裂缝，其余结构没有发生明显变化。持续加载，第一条细微裂缝竖向延伸，并伴有微细斜裂缝出现，当加载到200kN时，梁一端腹部与翼缘的交界面上出现横向剪切裂缝，并伴有混凝土翼缘板上表面起皮[17]。加载到250kN时，内部混凝土有较宽的斜裂缝，裂缝向上延伸，混凝土翼缘板底出现水平裂缝。最后加载到140mm时，U型钢梁侧板呈波浪形外鼓，混凝土与钢梁之间有很大的空隙，U形钢截面与混凝土T形截面发生了整体滑移，跨中梁顶混凝土被压碎，钢筋被压弯露出。

1.5.2 主要试验结果

从表8中可以看出各试件的力学性能，其中，跨中最大挠度、跨中屈服挠度及极限受弯承载力能够在一定程度上体现试件的抗变形能力，分别为：试件4＞试件3≥试件2＞试件1。根据上述结果，高强U形外包钢-混凝土再生混合梁的受弯性能之所以强过其余3种试件：主要原因有两个：使用了高强度的钢材和高强度的混凝土，这在很大程度上提高了混合梁的受弯性能；另外，废弃混凝土的使用，改善了整体试件结构的稳定性以及腹板的局部承压能力，提高了腹板面外刚度及整体抗剪屈曲荷载。

表8 主要试验结果

2 结束语

综上所述，U形外包钢-混凝土组合梁是建筑结构中常用的结构组合模式，能极大改善一般组合梁加强度不足的问题，但是受弯性能却没有得到明显改善，因此一种新型高强U形外包钢-混凝土再生混合梁出现。本文以这种结构为基础项，进行受弯性能分析。通过本文分析，最终得出了结构的受弯形态变化情况以及抗变形能相关参数，即高强度钢材即高强度混凝土能够提升混合梁的受弯性能，废弃混凝土添加率为50%时，对试件结构的稳定性以及腹板的局部承压能力较有较好的提升。然而，本文仍有以下问题需要进一步进行研究：本文仅进行了一种高强U形外包钢-混凝土再生混合梁试件的受力分析，没有考虑到废弃混凝土块的填充占比对受弯性能的影响，因此需要进一步完善研究。

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Study on flexural behavior of high strength U-shaped steel-concrete recycled composite beams

ZHANG Li

(Anhui Audit College, Hefei 230601, China)

In order to study the flexural behavior of high-strength U-shaped steel-concrete composite beams, four groups of simply supported composite beams were tested under three-point symmetrical concentrated loading. The test steps include material selection, specimen fabrication and design, specimen loading, test point arrangement, and test results and analysis. The results show that: (1) the shape damage of high-strength U-shaped steel-concrete recycled composite beams is the least in the four groups of simply supported composite beams under bending shape change; (2) the relevant parameters of deformation resistance energy of four groups of simply supported composite beams are obtained, and the order of deformation resistance is: specimen 4>specimen 3≥specimen 2>specimen 1.

high strength；U-shaped steel-concrete recycled mixed beam；bending performance

2020-07-10

安徽省自然科学重点基金项目（KJ2019A1216）；安徽审计职业学院自然科学重点基金项目（SJKJ2019A003）

张莉（1982-），女，安徽灵璧人，讲师，硕士，主要从事结构工程应用研究，ddmnub@126.com。

TU375.1

A

1007-984X(2021)01-0062-06