倒T形钢-木-混凝土新型组合梁受弯力学性能研究

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基于装配式建筑和绿色建筑的理念,本文提出了一种倒T形钢-木-混凝土新型组合梁。首先,参考我国现行规范和相关文献给出了该新型简支组合梁的设计方法及其弹性抗弯承载力和塑性抗弯承载力计算公式,并结合设计实例进行组合梁的初步设计;接着,利用有限元软件ABAQUS对初步设计的组合梁进行建模,借助有关文献中的试验验证了本文建模方法的适用性,并对新型组合梁进行了均布荷载作用下的受弯力学性能分析;然后,在初步设计基础上,分别建立了23个组合梁模型以探讨不同因素对组合梁整体力学性能的影响;最后,依据有限元参数化分析结果,对倒T形钢-木-混凝土简支组合梁中开孔板剪力键的设计方法进行了修正,并对组合梁总体设计提出了相关建议。通过上述研究,可得到以下主要结论:(1)新型组合梁在设计荷载作用下,除了靠近梁端附近的混凝土榫进入受压塑性外,其余部件的应力水平较低,组合梁整体处于弹性状态,满足设计要求;当组合梁达到极限承载力时,混凝土板顶在跨中局部区域压溃,钢梁全截面受拉屈服,木梁也大面积受拉开裂,构成组合梁的三种材料均充分发挥出各自的材性特点,说明新型组合梁的设计是合理的,其极限塑性转角在0.07~0.08rad之间,具有较大的塑性变形能力。(2)与相同截面尺寸的普通工字形钢-混凝土组合梁相比,新型组合梁的极限承载力和极限刚度分别提高了38.58%和91.19%,其他阶段的刚度也提高近9%;同时,在承载力相同的前提下,新型组合梁的截面高度要比普通钢-混凝土组合梁降低28.6%。综合可知,新型组合梁的整体优势非常明显。(3)对于组合梁的开孔板剪力键设计,建议优先选用大开孔、细贯穿钢筋的配置方案,该方案可减小钢梁和混凝土板间的滑移量从而提高组合梁的组合效应。(4)在设计中不应忽略焊接的板底横向钢筋对组合梁界面的抗剪贡献,其抗剪承载力计算可参照开孔板剪力键中的贯穿钢筋计算公式。(5)适当加长开孔板剪力键中贯穿钢筋的横向分布长度可以有效降低钢梁与混凝土板间的滑移量,同时还能显著改善混凝土板的劈裂破坏现象。本文建议其横向分布长度可视贯穿钢筋直径的差异,取为钢梁翼缘宽度的3~4倍。(6)随着对穿螺栓布置位置的调高,组合梁中木梁和混凝土板间的滑移量有明显减小,且极限刚度和极限承载力亦会有所提高,总体表现出组合效应的增强。分析结果表明,对穿螺栓宜设置在木梁高度的中上部,本文建议在木梁高度的1/3~1/5处。(7)本文研究成果能够为新型组合梁的工程实践提供理论指导。
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