鋼-混凝土組合梁橫向鋼筋抗裂的作用機理和配置

鋼一混凝土組合梁橫向鋼筋抗裂的作用

機理和配置摘要：本文結(jié)合相關(guān)資料的實驗數(shù)據(jù)及計算理論，分析了組合梁縱向開裂的原因以及橫向鋼筋在防止連續(xù)組合梁縱向開裂發(fā)展時做出的作用，進而結(jié)合各種理論歸納而得出鋼一混凝土連續(xù)組合梁橫向鋼筋計算方法以及構(gòu)造配置。關(guān)鍵詞：縱向開裂橫向鋼筋破壞形態(tài)橫向鋼筋率1引言鋼一混凝土組合梁的混凝土板在現(xiàn)場工況下，常出現(xiàn)板沿鋼梁縱向開裂。若同時受橫向彎曲作用，則混凝土板縱向開裂會更加嚴(yán)重。這是因為組合梁中，混凝土翼板相對較寬，卻在沿一個狹窄的接觸面與鋼梁上剪力連接件連接，并承受承受剪力連接件傳來的剪力，因而將在翼板鋼梁兩者接近的平面中存在較大的剪應(yīng)力，所以組合梁常發(fā)生混凝土翼板的縱向開裂，而T型截面組合梁采用單排栓釘連接時，翼板更容易產(chǎn)生縱向開裂.翼板的縱向開裂將導(dǎo)致混凝土翼板的縱剪強度降低甚至喪失，這將成為梁破壞的控制條件。若想要約束裂縫的發(fā)展，配置足夠的橫向鋼筋將成為最有效的方法，否則組合梁中翼板和鋼梁很難實現(xiàn)有效的建立連接，組合梁也會達不到設(shè)計承載力而會提前破壞。國外C-Davies通過小尺寸的實驗就指出：當(dāng)橫向鋼筋配置不足時，就可能使組合梁達不到抗彎強度［1］。國內(nèi)對于組合梁的試驗雖還不多，但已做試驗就有不少出現(xiàn)了縱向開裂，并而且單排連接件的組合梁更容易發(fā)生縱向開裂［2］。因此，組合梁混凝土板的縱向開裂是一個較普遍、較嚴(yán)重的問題。如果沒有適當(dāng)?shù)臋M向鋼筋控制裂縫的發(fā)展，就可能使組合梁剪力連接程度降低而提前發(fā)生破壞。2混凝土翼板縱向開裂的機理分析以及橫向鋼筋抗裂的機理組合梁混凝土翼板在加載過程中除了受到彎矩、集中力和豎向剪力的作用外，還受到栓釘和橫向鋼筋的作用力，而且栓釘所產(chǎn)生的力在一定的荷載作用范圍內(nèi)很不均勻，因此很難明確分析清楚混凝土翼板的應(yīng)力分布狀況?；炷烈戆宓目v向開裂需要考慮的因素較多，包括以下方面：①混凝土強度等級和翼板的厚度；②橫向鋼筋的位置、橫向配筋率；③連接件的種類及排列方式、間距、數(shù)量、荷載作用方式等。因此在組合梁實驗中，應(yīng)該測量混凝土板沿梁軸線的橫向應(yīng)變分布和板內(nèi)上下層橫向鋼筋的應(yīng)變分布。有相關(guān)實驗［3］［4］可以發(fā)現(xiàn)在加載過程中，各梁下層箍筋在加了兩級荷載后就出現(xiàn)了比上層箍筋較快的應(yīng)變增長趨勢，并先期出現(xiàn)了應(yīng)變的突然增加。同時,試驗還發(fā)現(xiàn)縱向裂縫首先在梁跨中（即集中荷載作用點）出現(xiàn)，然后向兩邊的支座處發(fā)展，裂縫呈橫向拉裂狀。從試驗中測得的混凝土翼板和箍筋的橫向應(yīng)變看，跨中處最大而邊支座處接近為零，也表明了這一規(guī)律。另外，連續(xù)組合梁試驗發(fā)現(xiàn)，一般都是跨中到中支座的半跨先出現(xiàn)縱向裂縫,最終的發(fā)展也相對嚴(yán)重，這說明栓釘?shù)拈g距對混凝土翼板中橫向拉應(yīng)力的分布也有影響的，即間距越小，橫向拉應(yīng)力越大。箍筋配置較多的梁則未出現(xiàn)縱向裂縫,然而從跨中處箍筋的橫向應(yīng)變量來看，要比混凝土的極限拉應(yīng)變值大，說明混凝土翼板的下表面已出現(xiàn)縱向開裂，只是由于良好的橫向約束而未發(fā)展到上表面。這說明混凝土翼板的縱向開裂基本和橫向鋼筋無關(guān)，箍筋只起約束縱向裂縫發(fā)展的作用。因此，混凝土翼板的縱向開裂主要是由栓釘?shù)募袅σ鸬?，它和栓釘剪力的大小有關(guān)，和混凝土的抗拉強度有關(guān)，與橫向鋼筋無關(guān)，也和混凝土翼板受拉、受壓基本無關(guān)。試驗中，負彎矩區(qū)混凝土翼板橫向應(yīng)變相對較小是由于負彎矩區(qū)混凝土翼板中總剪應(yīng)力相對較小，栓釘所承受的剪力也就較小，且栓釘間距較大,故一般不發(fā)生縱向劈裂。橫向鋼筋在縱向開裂出現(xiàn)后承擔(dān)了橫向拉力，從而保證了混凝土翼緣和鋼梁間組合作用的發(fā)揮直至梁達到彎曲強度極限狀態(tài)。另外試驗［5］發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土板內(nèi)橫向鋼筋愈多，間距愈小的時候，相應(yīng)的裂縫平均間距將會減小，并且裂縫寬度也會相應(yīng)減小。混凝土板內(nèi)的橫向鋼筋相當(dāng)于梁的箍筋。增強了裂縫間混凝土和縱向鋼筋的粘結(jié)力，使兩條裂縫間的傳遞長度比普通混凝土構(gòu)件短，裂縫間距和寬度相應(yīng)減小。橫向鋼筋直接承受了順剪力，使混凝土板產(chǎn)生斜向支座的八字形裂縫減小。斜裂縫的發(fā)展受到了橫向鋼筋的阻緩，裂縫寬度也相應(yīng)的減小了。3橫向鋼筋率對組合梁破壞形態(tài)的影響正因為橫向鋼筋在組合梁受力過程中發(fā)揮的作用，橫向鋼筋決定了能否達到最終破壞形態(tài)，所以組合梁也會因為橫向鋼筋配筋率的不同而分為不同的破壞形態(tài)。根據(jù)相關(guān)文獻探究［5］，組合梁的破壞試驗共三類：（1）彎壓破壞破壞特征是以跨中部位的混凝土翼緣板出現(xiàn)壓碎，僅在荷載下降之后，發(fā)現(xiàn)細小縱向劈裂裂縫出現(xiàn)在剪跨區(qū)域。（2）彎剪破壞,破壞特征主要有兩種，其一為跨中部位的混凝土翼緣板壓碎，其二為縱向剪切開裂出現(xiàn)在混凝土板縱向剪跨區(qū)域；（3）縱向剪切破壞，破壞的標(biāo)志是混凝土板縱向剪切破壞。4橫向鋼筋配筋率的計算及構(gòu)造配置當(dāng)組合梁跨度較小，混凝土板較薄，受較大的集中荷載，特別是采用單排栓釘剪力連接件時，混凝土板的縱向開裂可能是難以避免的。為了滿足正常使用的要求，保證組合梁不因縱向開裂而造成極限承載能力降低就要控制縱向裂縫的發(fā)展，配置適當(dāng)?shù)臋M向鋼筋。在歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的組合結(jié)構(gòu)規(guī)程中就是根據(jù)R.P.Johnson的研究，將混凝土板的剪切破壞為模式來確定橫向鋼筋的數(shù)量。這里我們也采用反映混凝土板縱向劈裂的桁架模式?jīng)Q定橫向鋼筋量，以反映控制縱向裂縫的發(fā)展，以反映控制縱向裂縫發(fā)展的要求。組合梁半跨混凝土板，當(dāng)受連接件的作用力而出現(xiàn)縱向開裂后，板的受力狀態(tài)發(fā)生了變化。原混凝土所受的橫向拉應(yīng)力隨裂縫的出現(xiàn)而逐漸由混凝土板內(nèi)的橫向鋼筋來承受。橫向鋼筋限制了縱向裂縫的發(fā)展，使栓釘能正常傳遞縱向剪力。此時根據(jù)受力狀態(tài)，混凝土板可視同桁架機構(gòu)。斜向和縱向壓力由混凝土板傳遞，而水平拉桿由橫向鋼筋擔(dān)當(dāng)。組合梁中混凝土翼板的縱向開裂是難避免的，要想有效控制裂縫的發(fā)展只能合理地配置箍筋，保證栓釘正常工作，這樣將使梁能夠達到設(shè)計承載力。通過計算配置箍筋的梁都很好地達到了最終極限荷載，而配箍率較低的梁的承載能力出現(xiàn)了不同程度的降低。這說明在組合梁設(shè)計中必須保證一定的配箍率。。根據(jù)相關(guān)實驗研究，混凝土板內(nèi)的橫向鋼筋應(yīng)盡可能雙層等量配置，此時縱向裂縫就很小。布置橫向鋼筋應(yīng)靠近剪跨區(qū)內(nèi)，特別是在僅集中荷載處更應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加密。當(dāng)邊梁的混凝土板邊緣到最近一排連接件中心的距離時，橫向鋼筋應(yīng)繞過連接件做成U形筋，以保證其有足夠的錨固長度，鋼筋應(yīng)布置在連接件跟部周圍，以上措施可保證混凝土板難以出現(xiàn)縱向開裂；另外當(dāng)使用栓釘連接件時，鋼筋的直徑N0.5d,此處d為栓釘?shù)闹睆剑一炷涟暹吘壍剿ㄡ斨行木€的距離應(yīng)〉6d.5結(jié)束語綜上所述，橫向鋼筋率對于組合梁的能否實現(xiàn)最后的極限承載力關(guān)系緊密。當(dāng)板內(nèi)橫向鋼筋的配筋率較低時，栓釘傳遞來的縱向剪力，將會使得混凝土板發(fā)生縱向開裂，栓釘前的三向受壓區(qū)也被縱向裂縫破壞了。受壓區(qū)一旦破壞，會導(dǎo)致栓釘?shù)氖芗舫休d力降低（因為混凝土彈性模量降低），組合梁的抗彎承載力也因此降低。所以要想延緩裂縫的開展，就需配置較高橫向鋼筋，。按橫向鋼筋率的大小，也決定了組合梁的三種不同的破壞狀態(tài)：彎壓破壞，彎剪破壞，劈裂破壞。橫向鋼筋的計算根據(jù)相關(guān)研究，把混凝土板縱向開裂的橫向鋼筋變?yōu)椤拌旒堋边M行分析。最后，橫向配筋率也必須滿足一定的構(gòu)造要求參考文獻：Davles,C,Testsonhalf-scallsteelcompositebeamswithweldedstudconnects,StrucEngrJan,1969蔣東紅鋼一混凝土連續(xù)組合梁縱向開裂問題的探討[D].東北大學(xué)1999(3)D.J.OehlersandS.M.Park.Shearconnnectorsincompositebeamsw