部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁受弯性能研究与改进设计

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传统的型钢混凝土梁具有抗震性能强、耐火性好等优点,常用于大跨结构及超高层建筑,但由于其施工工序繁杂,以及实腹型钢与混凝土之间粘结强度较低,导致推广和应用受阻。而部分预制装配型钢混凝土梁是将装配式技术应用在性能突出的型钢混凝土结构上,它既具有施工方便、环保节约等优点,又具有抗震性能好、承载力高的特性,因此发展前景非常广阔。本文为了解决传统实腹型钢与混凝土之间粘结性能不佳的问题,采用蜂窝型钢取代实腹型钢,形成新的部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁,并对其受弯性能进行深入研究,具有重要的理论应用价值。本文主要研究内容和结论如下:(1)利用有限元软件ABAQUS分别建立3个部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁的缩尺模型,分析破坏形态、应力分布及荷载-挠度曲线,并与试验结果进行对比,结果表明:曲线吻合较好,验证了建模分析的正确性与可靠性。(2)建立了部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁的足尺精细化模型,采取数值分析的方法,从裂缝发展、破坏形态、应力分布、荷载-挠度曲线等方面进行全过程分析。结果发现:该类型梁的破坏过程分为未裂、带裂缝工作、钢材屈服至截面破坏三个阶段,但与普通钢筋混凝土梁不同,其在开裂和屈服阶段刚度不会出现明显的降低。同时,建立了同尺寸的全现浇蜂窝型钢混凝土梁模型,分析比较发现:部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁的极限承载力仅比全现浇的情况降低5.1%左右,在荷载-挠度曲线、延性、裂缝发展、破坏形态方面没有明显变化,说明部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁性能表现良好。(3)从材料强度(混凝土强度及蜂窝型钢强度)、梁跨高比、梁翼缘宽度、蜂窝型钢开孔形式、蜂窝型钢开孔率等参数着手,分别建立了46个部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁模型,研究该类型梁的受弯性能变化规律。结果表明:蜂窝型钢强度、跨高比、蜂窝型钢开孔率是影响部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁受弯性能的重要因素;给出了该类型梁中不同混凝土与型钢强度等级的合理匹配方案;并建议该类型梁设计跨高比取值应在12-18之间。(4)为进一步方便施工,结合叠合梁板结构,对部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁提出一种改进设计方案,并探讨构造设计及安装施工流程,充分反映了其在施工阶段具有无模板、无支撑、无预应力筋的优势。接着对新改进的部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁进行有限元分析,结果表明:改进设计后该类型梁的承载力仅比改进前降低3.8%-6.5%,仍然具有良好的抗弯性能。(5)基于塑性理论基础,建立了改进设计后部分预制装配蜂窝型钢混凝土梁的抗弯承载力计算公式,并进行算例分析。结果表明:计算值与模拟值最大误差仅为8.7%,可供实际工程设计时参考。
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