压型钢板组合梁腹板开洞问题综述_钢梁腹板开洞原则
时间：2018-12-26 03:39:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 本文根据国内外对压型钢板组合梁腹板开洞问题的研究，对腹板开洞压型钢板组合梁的研究现状、破坏模式、计算方法等方面进行了介绍，并探讨了腹板开洞压型钢板组合梁有待深入研究的问题。
关键词： 压型钢板 组合梁 腹板开洞 破坏模式
1.引言
近年来，由于建筑物使用功能要求的不断提高，建筑暖通、供水、供气及供电等设施变得越来越庞大和复杂。在民用建筑中，从满足功能要求的角度出发，常常需要在压型钢板组合梁的钢梁腹板开洞口以布置暖通、水电等设备管道。但是，腹板开洞后，不可避免地对钢―压型钢板混凝土组合梁的性能造成一定程度的削弱，同时在洞口处形成应力集中，对结构的承载力及刚度产生一定影响。本文在对大量文献的阅读的基础上，对腹板开洞的压型钢板组合梁（如图1）在国内外的研究现状、破坏模式等方面进行了简单的论述。
2.腹板开洞钢―压型钢板组合梁研究现状
腹板开洞组合梁的设计在早期通常采用非组合梁的设计方法，并且在当时被广泛采用，然而，这种设计方法忽略了混凝土板和钢梁之间的组合作用，没有考虑混凝土板对强度的贡献，因此较为保守。为了更好地了解腹板开洞对组合梁受力性能的影响，形成较为完善合理的强度计算模型，近几十年来，国外学者对于腹板开洞组合梁进行了大量的试验研究和理论分析。
2.1国外对腹板开洞钢―压型钢板组合梁研究现状
Clawson W.C和Darwin D.［１］在对腹板开洞组合梁承载力的分析中指出：腹板开洞组合梁中，组合板受拉压共同作用。在集中荷载作用下，压型钢板组合板可能发生冲切破坏，计算过程中，当考虑组合板的抗冲切性能时，组合板的有效宽度取厚度的3倍。洞口截面的抗剪承载力假定由洞口上T型截面和洞口下T型钢梁腹板共同承担，不考虑钢梁下T型翼缘对抗剪承载力的贡献。Clawson W.C，Darwin D.提出的承载力计算方法，在计算洞口截面弯剪比M/V较小的腹板开洞压型钢板组合梁时较精确，但对洞口截面弯剪比M/V较大的组合梁计算偏于保守。
R.C.Donahey和Darwin D.［２］对15根腹板开洞压型钢板组合梁进行了试验研究。主要研究洞口截面弯剪比M/V、栓钉连接件的数量和布置方式、压型钢板的放置方向及组合板厚度对开洞压型钢板组合梁受力性能的影响。研究结果表明：
2.1.1开洞组合梁中洞口上部混凝土板对洞口截面的抗弯和抗剪承载力有较大贡献，洞口截面弯剪比M/V对腹板开洞压型钢板组合梁的挠度及承载力的影响较大。洞口截面M/V较小时，混凝土板上横向裂缝出现较早，随着荷载的增加，裂缝的宽度和深度逐渐增加。
2.1.2压型钢板板肋垂直于钢梁截面的腹板开洞压型钢板组合梁，破坏前组合板侧边出现斜向裂缝，组合板易在压型钢板肋部发生剪切破坏。压型钢板板肋平行于钢梁截面的腹板开洞压型钢板组合梁，破坏通常为纵向剪切破坏，破坏时组合板表面有微小的拱起但侧边不会出现斜向裂缝。
在试验研究的基础上，R.C.Donahey和Darwin D.给出了腹板开洞压型钢板组合梁洞口截面承载力的计算方法――弯剪相关曲线法，分别计算洞口截面的最大抗弯承载力Mm和最大抗剪承载力Vm，通过三次曲线连接Mm、Vm点，得到弯剪相关曲线图。
S.H.Cho和R.G.Redwood［３］提出了桁架分析模型。分析模型中，假定洞口上方栓钉连接件为竖向受拉和纵向抗剪单元，栓钉根部和顶部范围内混凝土为斜向支撑单元，从而构成桁架模型。S.H.Cho和R.G.Redwood通过桁架分析模型分别对栓钉3种不同布置情况下洞口截面受力性能进行了分析，重点分析洞口上方及洞口周围栓钉的分布对洞口截面的组合板受力性能的影响。
桁架分析模型对组合板中应力分布给出了较明确的分析，组合板的抗剪承载力与栓钉连接件的位置有关。尽管桁架模型对于实心混凝土板还偏于保守，但是对组合板中剪力分布给出了合理的分析。对于腹板开洞的压型钢板组合梁，由于未考虑压型钢板尺寸对组合板承载力的影响，模型在实际应用中存在一定的局限性。
2.2国内对腹板开洞钢―压型钢板组合梁研究现状
国外对腹板开洞压型钢板组合梁的研究起步较早。国内目前还仅限于对现浇实心混凝土板组合梁腹板开洞的研究。东南大学的白永生等人对腹板开洞实心混凝土板组合梁承载力计算方法进行了简单的介绍，讨论了其存在的不足，提出了修正方案，并通过一悬臂开洞组合梁的试验资料对修正方法进行验证，证明是可行的［４］。昆明理工大学的周东华等人对腹板开洞实心混凝土板组合梁进行了有限元模拟［５］。对压型钢板组合梁腹板开洞问题的研究国内目前尚未见报道。
3.腹板开洞压型钢板组合梁破坏模式及弯剪相关曲线
腹板开洞压型钢板组合梁洞口的存在削弱了组合梁的刚度和强度。普通的钢―混凝土组合梁在弯矩或剪力最大处发生破坏，破坏模式通常为：弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏。腹板开洞组合梁的破坏不仅可能发生在这些地方，还可能发生在洞口处，破坏形态较复杂。
3.1腹板开洞组合梁的破坏机构
腹板开洞的实心混凝土板组合梁和压型钢板组合梁破坏皆为塑性破坏。当开洞组合梁洞口截面弯剪比M/V较大时，洞口截面承担的弯矩较大，剪力相对较小，梁的变形和破坏模式主要受弯矩控制。破坏时，钢梁下T型屈服，组合板被压碎，组合梁发生弯曲破坏，破坏模式如右图所示。弯曲破坏模式下，洞口上下T型截面两端的次弯矩对组合梁性能影响较小。
当开洞组合梁洞口截面弯剪比M/V较小或洞口两端剪力相对较大时，洞口两端空腹弯矩对组合梁性能影响最大。开洞组合梁通常发生以下两种破坏：1.四铰空腹机构破坏，即洞口四个拐角处由于空腹弯矩作用全部形成塑性铰.如图2b。这种破坏机构和腹板开洞钢梁的破坏机构相似。2.剪切破坏，即开洞组合梁洞口上T型截面（组合板和钢梁）由于抗剪承载力不足，在形成塑性铰之前洞口上方的组合板和钢梁首先受剪屈服，洞口下T型截面在洞口两端形成塑性铰，组合梁发生剪切破坏.如图2c。
3.2弯剪相关曲线
腹板开洞组合梁中洞口截面的钢梁和组合板屈服较早，组合梁后期强度发展较大。组合梁的首次屈服不能精确反映其最终承载力状况。目前，腹板开洞组合梁的设计通常采用塑性设计方法，即等效矩形应力图的方法。
上世纪70年代初期，国外学者在腹板开洞压型钢板组合梁试验研究的基础上，对腹板开洞组合梁的设计通常采用弯剪相关曲线图的方法，如图3。由于开洞组合梁洞口截面的弯剪相关作用较复杂并且计算量较大，早期的弯剪相关曲线法只被应用于研究不适用于实际工程，实际工程中通常采用理想化的模型和简化的计算方法。
4.小结
国外学者对钢梁腹板开洞组合梁已经进行了一系列研究，并得到了部分成果，但是，由于钢梁腹板开洞后受力性能较复杂，目前对于腹板开洞组合梁还没有统一的理论计算方法。在国内，腹板开洞组合梁还仅限于腹板开洞的钢―实心混凝土板组合梁的研究，理论仍然很滞后，设计通常偏于保守，因此，今后应对压型钢板组合梁腹板开洞问题进行进一步的研究。
参考文献：
［1］Clawson William C，Darwin David.Tests of Composite Beams with Web Openings.ASCE J Struct Div.v 108，n ST1，Jan，1982：145-162.
［2］Rex C Donahey，Darwin David.Web Openings in Composite Beams with Ribbed Slabs［J］.Journal of Structural Engineering，1988，114(3)：518-534.
［3］Soon Ho Cho，Richard G.Redwood.Slab Behavior in Composite Beams at Openings.I：Analysis［J］.Journal of Structural Engineering，1992，118(9)：2287-2303.
［4］白永生，蒋永生.腹板开洞的钢与混凝土组合梁承载力计算方法综述和探讨［J］.工业建筑，2004，34(6)：68-70，83.
［5］周东华，赵惠敏.带腹板开洞组合梁的非线性计算［J］.四川建筑科学研究，2004，30（2）：21-24.
