腹板开孔对预应力波纹钢—混凝土组合梁抗火性能的影响研究

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预应力波纹腹板开孔钢-混凝土组合梁是在传统平腹板组合梁的基础上进行优化得到的一类新型组合构件。与传统平腹板组合梁相比,波纹腹板较高的抗剪切屈曲强度,使得预应力波纹腹板开孔组合梁不需要布置加劲肋就能获得较高的平面外刚度与抗剪承载力。目前对于平腹板开孔梁与波纹腹板无孔梁常温下的力学性能已有充分研究,而针对高温作用下的力学性能研究较少。本文以预应力波纹腹板开孔钢-混凝土组合梁为研究对象,研究了腹板开孔对预应力波纹钢-混凝土组合梁高温下力学性能的影响,主要研究内容与结论如下:(1)完成了两片预应力波纹腹板简支组合梁的耐火试验,其中一片为预应力波纹腹板开孔组合梁,另一片为预应力波纹腹板无孔组合梁。实测了组合梁的跨中截面温度、跨中挠度以及拉索张力等数据,得到了试件的破坏形态。结果表明:第一,组合梁达到临界状态时,孔洞所在截面与剪弯区截面波纹腹板发生剪切屈曲,支座附近混凝土板顶部开裂。其中,开孔组合梁支座处混凝土板顶部的横向裂缝相对于无孔组合梁而言,分布更密、发展范围更广。第二,在荷载比相同的条件下,尽管开孔组合梁所承受的荷载与无孔组合梁相比较小,但两者达到临界状态时刻的温度以及跨中挠度几乎相等。第三,拉索张力随温度升高逐渐降低,但开孔组合梁中拉索张力随温度升高而下降的速率与无孔组合梁相比较慢。(2)采用ABAQUS精细有限元模型对预应力波纹腹板开孔组合梁在高温作用下的力学性能进行了研究,并对影响其耐火性能的参数进行了分析。结果表明:第一,腹板开孔和没有开孔的预应力波纹腹板组合梁在高温作用下的破坏,均是由于组合梁抗剪刚度衰减过大导致其抗剪承载能力降低所致,腹板开孔与高温作用均会降低组合梁的抗剪刚度。第二,对于预应力波纹腹板开孔简支组合梁而言,在组合梁纯弯区开孔时,孔洞对组合梁耐火性能影响较小;在荷载比相同、孔洞均位于组合梁剪弯区的条件下,预应力波纹腹板开圆孔组合梁的耐火性能与预应力波纹腹板开方孔组合梁相比较好,孔洞越靠近支座、距离钢梁上翼缘越近或开孔尺寸越大的组合梁耐火性能越差,延性也越差。第三,考虑端部约束作用后,组合梁端部截面波纹腹板与钢梁下翼缘因受压发生屈曲;孔洞距离端部越近或开孔尺寸越大的组合梁抗屈曲能力越低、耐火性能越差;孔洞横向位置与孔洞形状对组合梁耐火性能与变形性能影响很小。第四,采用钢套筒对开孔腹板进行补强后,孔洞所在截面腹板的抗剪承载能力得到提高;一定范围内,钢套筒厚度越大的组合梁临界温度越高、抗火性能越好,超过该范围后,钢套筒厚度基本不影响组合梁的抗火性能;在套筒厚度与其他参数相同的条件下,改变套筒宽度,基本不影响组合梁的抗火性能。(3)采用理论研究方法,提出了考虑端部约束作用的预应力波纹腹板开孔钢-混凝土组合梁的抗火设计简化方法。
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