u形钢包混凝土组合梁-梁节点力学性能试验研究

摘要

本文提出了一种新型u形钢骨混凝土复合beam-girder联合(此处指小说复合beam-girder联合),u型梁的在双方(L和R)插入到形状的袖子,和u型梁和两个u形梁由形套筒通过焊接连接。与传统的梁梁节点相比，新型组合梁梁节点具有施工简单、自重轻、工期短等优点。通过对两个足尺试件(GBJ1和GBJ2)的静载试验，研究了新型组合梁梁节点的破坏形态、荷载-应变和荷载-挠度曲线及应变分布。两种试件的梁截面配筋不同。试件GBJ2在试件GBJ1的基础上在u形梁上加装3Ф16附加杆。试验结果表明，两试件均因混凝土板界面处出现贯通弧裂纹而失效。加筋虽能略微提高试件的承载力，但也会增加成形套筒下翼缘的应力集中，导致试件GBJ2的延性降低。试验中考虑了板效应，能较好地反映梁梁节点的实际应力状态。该研究可为梁-梁节点的设计和应用提供参考。

1.介绍

梁梁节点广泛应用于框架结构中，其施工类型直接关系到结构的可靠性和施工周期。三个常用的梁-梁节点[1，2如图所示1．传统的梁梁节点存在施工复杂、进度缓慢、延性不足等问题。因此，研究者提出了一些改进的梁梁节点，如钢筋混凝土梁梁组合节点[3.，如图所示2(一);钢筋混凝土组合梁与钢筋搭接在受压套筒内的接缝[4，如图所示2(b);混凝土梁与嵌入的钢次梁的接合处[5，如图所示2(c)梁-梁节点如图所示2(一)和2(b)为装配式混凝土结构，其延性、刚度和承载力指标反映了这两种结构在近年来迅速发展的大跨度和空间结构中不适合使用。

钢-混凝土组合梁具有承载力高、自重轻、梁深小、抗震性能好等优点，能满足大跨度和空间结构对空间和力学性能的要求，在许多建筑和桥梁中得到了广泛的应用[6- - - - - -8］．数字2（c）示出了一种改进的钢梁混凝土梁关节，其中钢梁和混凝土梁可以同时构造，与传统的钢梁混凝土梁关节相比缩短了施工时间。但是，如果结构受到负弯矩[9，会影响整体结构的力学性能。

与传统的钢-混凝土组合梁相比，u型钢-混凝土组合梁具有施工周期短、稳定性强的优点，具有广泛的应用前景和较高的使用价值。据悉，u型钢包混凝土组合梁的应用可使施工周期缩短10%-20%，产生良好的经济效益[[10］．因此，对u型钢包混凝土组合梁进行了大量的研究[11- - - - - -13］．例如，阎和张[11]，通过有限元分析，研究了对倒u形钢包混凝土组合梁抗弯承载力的影响参数。Wu和Ji测试了8根由拆卸的混凝土块和新混凝土填充的薄壁u形钢梁，以及4根单独由拆卸的混凝土块填充的薄壁u形钢梁[12]，研究了DCBs替换率、u型钢厚度、纵向配筋率对组合梁受弯性能的影响，试验结果表明，添加纵向筋是提高组合梁受弯性能的有效途径。Zhang等[13]试验了三根连续组合梁，研究了组合梁的内力再分配。各组合梁均具有良好的旋转性能和延性，并提出了弯矩重分布系数与力比关系的计算公式。在组合梁中，为了防止混凝土板与钢梁之间的剪切滑动破坏，通常采用剪力连接件。因此，已经报道了几种形式的剪力连接件，以提高组合梁的抗弯性能或消除组合梁的本构困难[14- - - - - -22］．Park等人。[14，15]使用对角线钢筋和焊接钢筋连接来加强光束柱接头。keo等。[16]提出了一种新型的组合梁，在u形梁的上翼缘上焊接有角连接器(如图所示)3.(a))，发现角钢接头可以提供混凝土与u形钢梁之间的延性连接。Guo等[17]和刘等人。[18]进行了进一步的研究，以研究角度连接件、间距和几何形状对这种组合梁受弯性能的影响。所有试件均表现出延性破坏模式和较高的强度，u形梁的深度是影响组合梁受弯性能最敏感的参数。Zhou et al. [20.]和刘等人。[21]研究了钢筋桁架加筋冷弯u形钢-混凝土组合梁的受弯性能，其中混凝土板与u形梁的界面采用倒u形钢筋加固。试验结果表明，组合梁的跨中挠度可达l₀/20，反映良好的变形能力。这个研究小组[22]提出了一种新型的u形钢包混凝土组合梁，其中插入钢筋作为剪力连接件(如图所示)3.(b))，并对两个试件进行静载试验，研究组合梁在正、负弯矩作用下的力学性能。结果表明，在正弯矩作用下，组合梁表现出极强的变形性能，而在负弯矩作用下，试件没有出现失稳现象。虽然为了改善组合梁的受弯性能或简化组合梁的结构，研究者进行了大量的研究，也提出了一些改进的梁梁节点，但现有的梁梁节点不适合大跨度和空间结构，或面临失稳破坏的威胁。此外，梁的应力状态与梁-梁节点的应力状态也有很大的不同。在结构设计中，梁通常被认为是梁的支撑，梁端受力为负弯矩，梁受力为正弯矩，使节点区楼板处于复杂的受力状态。影响梁的应力分布和破坏模式。然而，研究人员往往忽略板效应，现有的试验不能很好地反映梁梁节点的实际受力情况。

基于本研究小组之前的研究[22[本文提出了一种新型U形钢包装混凝土复合梁梁关节。测试了两个具有板坯的全刻度标本，以验证可靠性并研究新型复合梁梁关节的故障模式，承载力，变形性能和应变分布。两种样本仅在梁段增强中变化。

2.试件设计与材料性能

2．1．样本设计

两个全尺寸标本分别标记为BGJ1和BGJ2。试件尺寸相同，构造类似，只是梁截面配筋如图所示4．u形大梁(以下简称大梁)，深300mm，宽150mm，其中20mm预埋在100mm厚的板上。每个u形梁(此处称为梁)深250毫米，宽150毫米，但没有嵌入板中。开口均匀地分布在大梁和梁的顶部凸缘上，插入的钢筋通过楼板嵌入其中。在每根梁的腹板上设有矩形开口，所述异形套筒通过该开口插入。将两侧(L、R)的u形梁插入成型套中，通过成型套将u形梁与两根u形梁焊接连接。所有梁、梁、形袖的厚度均为4 mm。两个试件采用不同的梁截面配筋，GBJ2在试件GBJ1的基础上在梁上加装3Φ16附加筋，两个试件均不加装箍筋。为简便起见，将平板划分为五个区域和四个界面，如图所示4（a），即节点，光束和梁区域和光束和梁界面。

2．2.材料特性

这两个试件是同时建造的，因此具有相同的混凝土强度等级C35，即混凝土的立方体抗压强度f_铜为38.6 MPa，钢板和钢筋的力学性能列于Table1．

3.测试设置和测量方案

3．1.测试设置

测试设置如图所示5．每个样本都由码头支撑在两个梁上，并通过两个千斤顶固定。同步垂直载荷由另外两个千斤顶在样本的悬臂梁端部施加。

3．2.测量方案

峰值前采用力控制，每步增加10kn，峰值后采用位移控制。持续荷载10 min，观察裂纹发展，记录位移和应变的变化。数字6示出了位移仪和应变仪的布置。置换仪表D8和D9用于记录板坯和梁之间的滑动变形，并且通过位移仪D1-D7记录光束偏转。应变仪C1-C21和R1-R13分别设定为测量板坯和增强件的菌株;用应变仪S1-S6和S19-S24测量光束菌株;使用应变仪S7-S12和S13-S18测量成形套筒的菌株。对于每个样品，距离梁界面的装载点为1075mm，距离梁边缘1400mm。

4.结果与讨论

4．1.裂纹发展与破坏模式

试件BGJ1在30kn加载步骤时，两梁界面均出现裂纹。当荷载达到60kn时，距离梁界面100mm处的各梁区均出现弯曲裂缝。在70kn加载阶段，第一个节点区裂缝出现在梁的中轴右侧，梁界面裂缝发展为弧形，如图所示7（一种）。两个光束区裂缝和一个节点区域裂纹开发，当致动器达到80kn时，每个光束区裂缝距离附近的光束接口200毫米，距离附近的光束接口有100毫米。从90 kn到100kn，在光束区域中开发的更多裂缝，梁界面裂缝延伸到板块的底部。现有的裂缝加宽，在节点或光束区域中没有产生的裂缝。当负载达到120kn时，纵向增强率开始屈服。通过在150kN加载步骤中通过压缩产生的成形套筒（底部凸缘）。当来自致动器的负载达到180kN时，每个光束的底部法兰产生压缩。当负载到达峰值（在L侧的211kN和198kN处的峰值处）时，在梁区域的平板网上开发的可见角裂缝。如图所示7(b).此后，作动器载荷随挠度的增大而减小，当悬臂端挠度达到45 mm时，斜裂纹扩大至10 mm。试件BGJ1由于圆弧型裂纹和斜向裂纹的扩展和组合而失效(如图所示)7(c)和7（d））当R侧的偏转达到55.13mm时，L侧的偏转分别达到59.30mm。

试件BGJ2在30kn加载步骤时，两梁界面均出现裂纹。梁区首先出现弯曲裂缝，当荷载达到50kn时，梁区距离附近梁界面80mm处出现弯曲裂缝，如图所示8(a).当荷载达到80 kN时，梁界面裂缝发展为弧形，在此加载步骤中，第一个节点区裂缝也出现在梁的中轴线上。四个弯曲裂缝观察到100 kN加载步骤(测量执行机构负载在双方97和100 kN), L侧梁上的裂缝区250和400毫米远离L接口,分别和R边梁的裂缝区170和360毫米距离R端接口,分别如图8(b).纵筋在130kn加载台阶开始屈服。当载荷达到140 kN时，成形套筒(下法兰)受压屈服，并观察到另外3个弯曲裂纹。距离L侧梁界面260 mm的L侧梁区域有1条裂纹，距离R侧梁界面410 mm和550 mm的R侧梁区域有2条裂纹。从破坏开始，裂纹扩展，但在节点区和梁区不再出现裂纹。R侧梁在180kn加载阶段受压屈服(实测值为181kn)， L侧梁在加载阶段受压屈服(190kn加载阶段)。当荷载达到峰值(L侧213kn, R侧219kn)时，主梁区板腹板出现裂缝。此后，荷载随挠度的增加而减小，并采用位移控制。当挠度达到40mm时，主梁区板腹板上的裂缝发展为L形，如图所示8(c)试件BGJ2随着圆弧型和l型裂纹的扩展和组合而失效，如图所示8(d)。

两个试件的破坏形态相似，如图所示7和8．梁界面处出现弧形裂纹，裂纹扩展至梁区后试件失效，未见焊缝断裂。

数据9(一个)和9 (b)给出了徐等人提出的梁梁节点破坏模式。[3.和Han等人[4),分别。这些梁梁节点存在弯曲裂缝和斜裂缝，但由于没有考虑板的影响，梁上的弯曲裂缝没有延伸到梁上，导致与试件的破坏形式不同。在考虑板效应时，由于梁裂缝的扩展，梁可能会发生开裂和屈服，不能简单地将梁视为梁的支撑。

4．2．载荷挠度曲线

数字10显示负载偏转曲线（P(-Δ曲线)，其中L侧致动器加载对应D1、D4的挠度差值，R侧致动器加载对应D7、D4的挠度差值。载荷、挠度和弦角θ（θ= Δ/1400)，如表所示2,Δ_cr和θ_cr分别代表偏转和弦角，其出现了第一可见裂缝（裂缝）;P_cr是裂缝负荷;Δ_y，θ_y,P_y分别为屈服挠度、弦角、荷载;Δ_p，θ_p,P_p分别为峰值挠度、弦角和荷载;Δ_米和θ_米分别是最大挠度和弦角，其中Δ_米为荷载降至85%时的挠度P_p．Δ_y和Δ_米的计算方法如图11．

数字10和表2表明两个试样均具有良好的延性。荷载峰值后缓慢下降，证明了新型组合梁梁节点是可靠的。试件GBJ2的承载能力比试件BGJ1提高了5.6%(平均值)，最大挠度和延性分别降低了8.2%和7.2%。

4．3．挠度分布

通过将测点的挠度除以相应的长度，可以得到弦角，从而研究新型组合梁节点的非线性特性。可以通过(Δ)计算D1 ~ D3和d5 ~ d7测点的弦角₁-Δ₄) / 1400(Δ₂-Δ₄) / 400(Δ_3.-Δ₄) / 200(Δ₅-Δ₄) / 200(Δ₆-Δ₄) / 400(Δ₇-Δ₄) / 1400,分别。Δ₁——Δ_3.和Δ₅——Δ₇分别表示D1-D3和D5-D7的偏转。弦角位置曲线如图所示12，两试件沿梁均表现出明显的非线性。D2和D6的弦角一般比D1、D3、D5和D7的弦角小，因为D2和D6的位移计位于梁界面附近，刚度不连续发生。位置和偏转之间的关系一直被研究人员忽略[3.- - - - - -5，而刚度的变化对梁梁节点非常重要，特别是考虑板效应时。通过本文的研究，可以更好地了解梁梁节点的挠度分布。

4．4.载荷应变曲线

数字13对比两个试件的载荷-拉伸-应变曲线14显示了load-compressive应变曲线的比较,R6的菌株,S18, S24和负载从R致动器,和R10的菌株,S6, S12和负载从L传动装置、R8的应变对应的平均负荷两侧(L和R)执行机构。

数字13说明试件GBJ1和GBJ2具有相似的载荷-拉伸应变曲线。试件开裂后，纵筋应变突然增大，试件屈服后，R6和R10的应变增长减慢。当驱动器负载接近峰值时，R8的应变呈下降趋势，而R8的应变则呈现不同的增加趋势，随着负载的降低，应变继续增加。

试件BGJ1在成形套筒和两根梁中应变分布均匀，如图所示14．对于试件BGJ2，成形套筒的应变随载荷迅速增加，在相同加载步骤下，S12和S18的应变显著高于S6和S24。如本节所述4.1与BGJ1相比，试件BGJ2型套管提前屈服，试件BGJ1型梁推迟屈服。

试件具有相同的屈服机制，即纵向钢筋受拉屈服，套筒受压屈服，梁受压屈服。

4．5.应变分布

数字15显示板的拉应变分布。边缘处应变大，中部应变小。这种现象可以解释为节点区板的受力状态是双向的，沿梁轴承受负弯矩和沿梁轴承受正弯矩。相应产生拉压应力，梁截面在靠近梁中部处承受较大的正弯矩。在正弯矩和负弯矩的共同作用下，板拉伸至应变分布模式。同样，节点区板的主拉应力方向随位置变化，形成弧形裂缝，如图所示7和8．本文的板应变分布与试件SCB2 [22为负弯矩，混凝土板应变呈m型分布。这种差异主要是由于节点与梁之间的受力状态不同造成的。

数据16和17分别示出了沿成形套筒和梁的截面深度的应变分布，从中，我们可以从中示出以下。(1）开裂前，两个试件的梁截面(测点S1-S5和S19-S23)处于完全受压状态。从开裂到峰值加载阶段，应变基本随截面深度线性分布，中性轴近似位于中心轴，这与平面截面假设一致。（2）成形套筒的应变沿截面深度(测点S7-S11和S12-S17)呈非线性分布。（3)在相同的加载步骤中，成形套筒的下翼缘(测点S12和S18)的应变要比下腹板(S11和S17)高得多。

梁沿截面深度的应变分布与组合梁相似[12，13，17，18]，与平截面假设基本一致，而袖形假设则大相径庭[22］．上述现象主要是由于将梁插入型钢套筒中，通过焊接连接，在型钢套筒上形成“杠杆”效应，使型钢套筒受到压力问，而成形套筒的底端承受剪切力V。在…的共同作用下问和V，将形状套管暴露于复合应力状态和形成在成形套管的腹板上的附加拉伸应力，而附近的应力（压缩应力）浓度发生在图中18．因此，在底部凸缘（测量点S12和S18）的底部凸缘（测量点S11和S17）进行了更高的应变。“杠杆”效果还可以沿着形状套筒的截面深度解释非线性应变分布。附加条（3Ф16）可以增加“杠杆”效果以及光束的刚度，导致成形套管的底部凸缘上的高应力浓度，从而降低样品GBJ2的可变形性。

5.结论

在这项研究中，对两个全规模的U形钢的混凝土复合梁梁梁关节进行了静态载荷试验，可以绘制以下结论。(1）两个试件的屈服顺序为:纵向钢筋受拉屈服，异形套筒受压屈服，梁受压屈服。试件在梁界面处出现弧形裂纹并延伸至梁区，未见焊缝断裂。（2）增加筋可以略微提高承载能力，但也会增加对型套的“杠杆”效应，从而增加型套下翼缘的应力集中，从而降低结构的变形性和延性。“杠杆”效应导致套管沿截面深度的非线性应力分布，并使下翼缘应变增大。梁应变随截面深度呈线性分布，与平面截面假设一致。（3)两种试件沿梁均表现出明显的非线性挠度分布，即边缘大，中间小。(4）本文提出的新型复合梁梁关节具有易于施工，高承载能力和良好可变形性的优点，因此可以应用于大跨度和空间结构。

数据可用性

没有数据支持本研究。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. 5130442);湖南省自然科学基金项目(nos. 2020JJ5018、2020JJ5020)和湖南省教育厅科研项目(nos. 19A095、19B099、20B108、20C0363)。

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