西安建筑科技大学精品课程：《钢与混凝土组合结构》课程教学资源（实践教学）钢与混凝土组合梁试验

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钢与混凝土组合梁试验研究 1、试验目的 (1)钢-混凝土组合梁界面水平相对滑移、竖向掀起位移及栓钉掀起力测试方法的研究,以准确测量界面水平相对滑移及栓钉所受掀起力的大小 (2)分别探讨正弯矩和负弯矩作用下不同的栓钉布置形式或抗剪连接程度时钢-混凝土组合梁界面水平相对滑移和竖向掀起位移的分布规律; 3)研究组合梁的栓钉抗剪连接件分别在混凝土翼板受压和受拉两种力学状态时的力学性能差异,测试栓钉的水平抗剪刚度和竖向抗掀起刚度大小,为栓钉的极限承载能力计算,以及抗滑移、抗掀起设计提供理论依据; (4)同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁刚度及变形的影响 (5)同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁弹性抗弯强度和极限抗弯承载能力的影响 (6)同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁正弯矩区和负弯矩区竖向抗剪承载能力的影响; (7)考虑不同抗剪连接程度下界面水平相对滑移和竖向掀起效应对组合梁截面应变的影响 2试件设计与制作由试验目的,参照国内外钢-混凝土组合梁试验的基础上,本试验选择栓钉的抗剪连接程度为主要研究参数,对比分析了栓钉布置方式、组合梁配钢率、正反方向加载的影响。设计了5根研究简支组合梁抗弯性能试件,4根研究简支组合梁抗剪性能试件,2根硏究反向加载简支组合梁力学性能试件,3根研究两跨连续组合梁整体性能试件。 SCB-1~sCB-5为研究简支钢混凝土组合梁抗弯性能的试件。该组试件组合梁的跨度均为2300mm,钢梁分别采用I14和I18两种型号的热轧工字钢,混凝土翼板宽450mm,厚80mm,抗剪连接程度分别为1.14,0.76,0.68和043 四种,试件尺寸详见表21。混凝土翼板内配8Φ65纵向钢筋,分上下两层布置, 并沿梁长配有箍筋Φ65@100。为防止试验加载时简支组合梁支座处钢梁的局部屈曲破坏,在支座处钢梁腹板上分别加焊了8mm厚的钢板作为加劲肋。 SCB-6~SCB-9为研究简支钢-混凝土组合梁抗剪性能试件。该组试件组合梁的剪跨比均为1.2,梁的跨度均为1000mm,钢梁均采用Il8型号的热轧工字钢,混凝土翼板宽550mm,厚100mm,抗剪连接程度分别为0.21,0.92,0.67

钢与混凝土组合梁试验研究 1、试验目的（1）钢-混凝土组合梁界面水平相对滑移、竖向掀起位移及栓钉掀起力测试方法的研究，以准确测量界面水平相对滑移及栓钉所受掀起力的大小；（2）分别探讨正弯矩和负弯矩作用下不同的栓钉布置形式或抗剪连接程度时钢-混凝土组合梁界面水平相对滑移和竖向掀起位移的分布规律；（3）研究组合梁的栓钉抗剪连接件分别在混凝土翼板受压和受拉两种力学状态时的力学性能差异，测试栓钉的水平抗剪刚度和竖向抗掀起刚度大小，为栓钉的极限承载能力计算，以及抗滑移、抗掀起设计提供理论依据；（4）同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁刚度及变形的影响；（5）同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁弹性抗弯强度和极限抗弯承载能力的影响；（6）同时考虑界面水平相对滑移和竖向掀起效应对钢-混凝土组合梁正弯矩区和负弯矩区竖向抗剪承载能力的影响；（7）考虑不同抗剪连接程度下界面水平相对滑移和竖向掀起效应对组合梁截面应变的影响。 2 试件设计与制作由试验目的，参照国内外钢-混凝土组合梁试验的基础上，本试验选择栓钉的抗剪连接程度为主要研究参数，对比分析了栓钉布置方式、组合梁配钢率、正反方向加载的影响。设计了 5 根研究简支组合梁抗弯性能试件，4 根研究简支组合梁抗剪性能试件，2 根研究反向加载简支组合梁力学性能试件，3 根研究两跨连续组合梁整体性能试件。 SCB-1～SCB-5 为研究简支钢-混凝土组合梁抗弯性能的试件。该组试件组合梁的跨度均为 2300mm，钢梁分别采用 I14 和 I18 两种型号的热轧工字钢，混凝土翼板宽 450mm，厚 80mm，抗剪连接程度分别为 1.14，0.76，0.68 和 0.43 四种，试件尺寸详见表 2.1。混凝土翼板内配 8Ф6.5 纵向钢筋，分上下两层布置，并沿梁长配有箍筋Ф6.5@100。为防止试验加载时简支组合梁支座处钢梁的局部屈曲破坏，在支座处钢梁腹板上分别加焊了 8mm 厚的钢板作为加劲肋。 SCB-6～SCB-9 为研究简支钢-混凝土组合梁抗剪性能试件。该组试件组合梁的剪跨比均为 1.2，梁的跨度均为 1000mm，钢梁均采用 I18 型号的热轧工字钢，混凝土翼板宽 550mm，厚 100mm，抗剪连接程度分别为 0.21，0.92，0.67

和042四种,试件尺寸详见表21。其中SCB-6为模拟组合梁正弯矩区抗剪性能试件,混凝土翼板内配12Φ6.5纵向钢筋。SCB-7、SCB-8、SCB-9为模拟连续组合梁负弯矩区抗剪性能的试件。混凝土翼板内配16Φ10纵向钢筋。为了避免试件出现纵向劈裂破坏,所有试件均配有横向钢筋Φ6.5ω100,与纵向钢筋形成钢筋网片,分上下两层布置。为防止试件支座处钢梁局部屈曲破坏,SCB-6在支座处钢梁腹板上分别加焊了8mm厚的钢板作为加劲肋,SCB-7、SCB-8、SCB-9 在加载点处钢梁腹板上分别加焊了8mm厚的钢板作为加劲肋。 SCB-10和SCB-11为反向加载简支组合梁试件,用以测试栓钉在受拉混凝土中的力学性能,同时模拟连续组合梁负弯矩区的力学性能,钢梁采用I4型号的热轧工字钢,混凝土翼板宽450mm,厚80mm,混凝土翼板内配12Φ10纵向钢筋,分上下两层布置,并配有箍筋Φ65@100。为防止加载点处钢梁的局部屈曲破坏,在加载点处钢梁腹板上分别加焊了8mm厚的钢板作加劲肋。 SCB-12~SCB-14为3根2等跨连续组合梁,用以研究组合梁在正、负弯矩共同作用下的整体工作性能。考虑到试验设备对梁最大长度的限制及现有热轧型钢的最小尺寸规格,SCB-1l~SCB-14采用I10型号的热轧工字钢,混凝土翼板宽300mm,厚80mm,混凝土翼板内配8Φ10纵向钢筋,分上下两层布置,并配有箍筋Φ6.5@100。在支座处钢梁腹板上分别加焊了8mm厚的钢板作加劲肋以防止钢梁的局部屈曲破坏。所有试件混凝土均按C40强度等级设计,采用普通商品混凝土。钢筋的绑扎,试件的支模,混凝土的浇筑均在西安建筑科技大学结构与抗震实验室完成在试件浇筑混凝土的同时,留制150mm×150mm×150mm混凝土材性试块6块, 此材性试块与组合梁试件在相同的条件下养护,用以测定试件混凝土的力学性能。钢筋的下料长度由组合梁的跨度、截面尺寸、并考虑模板及保护层要求来决定。型钢的下料长度考虑组合梁的跨度,并在两端支座处各伸出100mm的长度以防出现支座破坏。每根钢筋及型钢均按国标留取材性试验样品,以测定试件钢筋和型钢的力学性能。所有试件的栓钉均由杭州华凌钢结构高强螺栓有限公司生产,并现场完成机械焊接。混凝土翼板厚度为100mm的试件采用Φ16×80型号的栓钉,混凝土翼板厚度为80mm的试件采用Φ16×65型号的栓钉 3、测点布置及数据采集本试验为静力加载试验。在每个试件上布置包跨测力、测应变、测滑移、测挠度等约 70个测点,通过由计算机控制的数据采集系统自动进行记录。布置测点时主要考虑了以下几个因素:

和 0.42 四种，试件尺寸详见表 2.1。其中 SCB-6 为模拟组合梁正弯矩区抗剪性能试件，混凝土翼板内配 12Ф6.5 纵向钢筋。SCB-7、SCB-8、SCB-9 为模拟连续组合梁负弯矩区抗剪性能的试件。混凝土翼板内配 16Ф10 纵向钢筋。为了避免试件出现纵向劈裂破坏，所有试件均配有横向钢筋Ф6.5@100，与纵向钢筋形成钢筋网片，分上下两层布置。为防止试件支座处钢梁局部屈曲破坏，SCB-6 在支座处钢梁腹板上分别加焊了 8mm 厚的钢板作为加劲肋，SCB-7、SCB-8、SCB-9 在加载点处钢梁腹板上分别加焊了 8mm 厚的钢板作为加劲肋。 SCB-10 和 SCB-11 为反向加载简支组合梁试件，用以测试栓钉在受拉混凝土中的力学性能，同时模拟连续组合梁负弯矩区的力学性能，钢梁采用 I14 型号的热轧工字钢，混凝土翼板宽 450mm，厚 80mm，混凝土翼板内配 12Ф10 纵向钢筋，分上下两层布置，并配有箍筋Ф6.5@100。为防止加载点处钢梁的局部屈曲破坏，在加载点处钢梁腹板上分别加焊了 8mm 厚的钢板作加劲肋。 SCB-12～SCB-14 为 3 根 2 等跨连续组合梁，用以研究组合梁在正、负弯矩共同作用下的整体工作性能。考虑到试验设备对梁最大长度的限制及现有热轧型钢的最小尺寸规格，SCB-11～SCB-14 采用 I10 型号的热轧工字钢，混凝土翼板宽 300mm，厚 80mm，混凝土翼板内配 8Ф10 纵向钢筋，分上下两层布置，并配有箍筋Ф6.5@100。在支座处钢梁腹板上分别加焊了 8mm 厚的钢板作加劲肋以防止钢梁的局部屈曲破坏。所有试件混凝土均按 C40 强度等级设计，采用普通商品混凝土。钢筋的绑扎，试件的支模，混凝土的浇筑均在西安建筑科技大学结构与抗震实验室完成。在试件浇筑混凝土的同时，留制 150mm×150mm×150mm 混凝土材性试块 6 块，此材性试块与组合梁试件在相同的条件下养护，用以测定试件混凝土的力学性能。钢筋的下料长度由组合梁的跨度、截面尺寸、并考虑模板及保护层要求来决定。型钢的下料长度考虑组合梁的跨度，并在两端支座处各伸出 100mm 的长度以防出现支座破坏。每根钢筋及型钢均按国标留取材性试验样品，以测定试件钢筋和型钢的力学性能。所有试件的栓钉均由杭州华凌钢结构高强螺栓有限公司生产，并现场完成机械焊接。混凝土翼板厚度为 100mm 的试件采用Ф16×80 型号的栓钉，混凝土翼板厚度为 80mm 的试件采用Ф16×65 型号的栓钉。 3、测点布置及数据采集本试验为静力加载试验。在每个试件上布置包跨测力、测应变、测滑移、测挠度等约 70 个测点，通过由计算机控制的数据采集系统自动进行记录。布置测点时主要考虑了以下几个因素：

(1)为了得到组合梁钢梁屈服时的荷载大小以及梁的曲率分布,试验时沿梁长方向布置多个测量截面。 (2)为测量混凝土翼板沿宽度方向上的内力分布情况,在混凝土翼板的表面和纵向受力钢筋上沿梁横向分别布置有多个应变测点。同时为测得混凝土翼板沿梁长方向上的内力分布情况以及横向钢筋的受力情况,在多处横向钢筋上也布置有应变测点 (3)为测得组合梁的抗剪性能,在组合梁弯剪段布置多个测量截面,同时在钢梁腹板上布置有多个应变花测点 (4)由于组合梁本身固有的特点,荷载作用下钢梁与混凝土翼板之间不可避免地要发生一定程度的水平相对滑移。为了通过试验反映水平相对滑移对构件性能的影响,在组合梁的钢梁与混凝土翼板的交界面上沿梁长方向埋设有多个内置式钢-混凝土电子滑移传感器,以对界面水平相对滑移大小进行测量和记录。 (5)为测得荷载作用下栓钉所承受的掀起力大小,在栓钉杆的中点与梁轴线方向垂直的侧面布置应变测点。 (6)为测得组合梁的挠度大小以及钢梁与混凝土翼板之间掀起位移的大小,试验时沿梁轴线方向在钢梁与混凝土翼板交界面处布置多个位移测点,以测出同一截面处钢梁与混凝土翼板各自的挠度大小。 (7)为测得组合梁中栓钉所受的纵向剪力大小,试验时在栓钉左右两侧截面沿梁高度方向布置应变测量截面。试件SCB-1~SCB5的测点布置如图1所示。各测点的主要功能如表1所示。其它试件的测点布置基本类似,测点布置图在此省略。试验中注意了对混凝土翼板裂缝的观测。加载过程中,每间隔10KN使用放大镜及最小刻度为0.02mm的裂缝计观测裂缝的开展情况,并量测出裂缝的最大宽度。其余有关应变、变形、水平相对滑移、竖向掀起的数据全部通过数据自动采集仪TDS-602连续采集并记录。每次试验采集数据300-500次

（1）为了得到组合梁钢梁屈服时的荷载大小以及梁的曲率分布，试验时沿梁长方向布置多个测量截面。（2）为测量混凝土翼板沿宽度方向上的内力分布情况，在混凝土翼板的表面和纵向受力钢筋上沿梁横向分别布置有多个应变测点。同时为测得混凝土翼板沿梁长方向上的内力分布情况以及横向钢筋的受力情况，在多处横向钢筋上也布置有应变测点。（3）为测得组合梁的抗剪性能，在组合梁弯剪段布置多个测量截面，同时在钢梁腹板上布置有多个应变花测点。（4）由于组合梁本身固有的特点，荷载作用下钢梁与混凝土翼板之间不可避免地要发生一定程度的水平相对滑移。为了通过试验反映水平相对滑移对构件性能的影响，在组合梁的钢梁与混凝土翼板的交界面上沿梁长方向埋设有多个内置式钢-混凝土电子滑移传感器，以对界面水平相对滑移大小进行测量和记录。（5）为测得荷载作用下栓钉所承受的掀起力大小，在栓钉杆的中点与梁轴线方向垂直的侧面布置应变测点。（6）为测得组合梁的挠度大小以及钢梁与混凝土翼板之间掀起位移的大小，试验时沿梁轴线方向在钢梁与混凝土翼板交界面处布置多个位移测点，以测出同一截面处钢梁与混凝土翼板各自的挠度大小。（7）为测得组合梁中栓钉所受的纵向剪力大小，试验时在栓钉左右两侧截面沿梁高度方向布置应变测量截面。试件 SCB-1～SCB-5 的测点布置如图 1 所示。各测点的主要功能如表 1 所示。其它试件的测点布置基本类似，测点布置图在此省略。试验中注意了对混凝土翼板裂缝的观测。加载过程中，每间隔 10KN 使用放大镜及最小刻度为 0.02mm 的裂缝计观测裂缝的开展情况，并量测出裂缝的最大宽度。其余有关应变、变形、水平相对滑移、竖向掀起的数据全部通过数据自动采集仪 TDS－602 连续采集并记录。每次试验采集数据 300-500 次

跨中 Ei王 φ位移计曰滑移传感器〓钢梁,钢筋和栓钉应变片〓混凝土应变片应变花图1试件测点布置图表1仪表及应变片布置说明仪表名称测量内容位移计量测试件挠度及钢梁与混凝土翼板之间的竖向掀起位移电子滑移传感器量测钢梁与混凝土翼板之间的水平相对滑移大小电阻应变片、应变花(钢梁)量测钢梁应变,测试截面的实际应变情况电阻应变片(混凝士翼板)量测混凝土翼板沿宽度方向应变,测试截面的实际应变情况电阻应变片(钢筋) 量测钢筋沿梁纵向和横的应变,测试截面的实际应变情况电阻应变片(栓钉) 量测栓钉的应变,测试栓钉所承受的掀起力大小 4、试验过程简述以SCB-8试件为例进行说明。当荷载加至140kN时试件跨中混凝土板底处出现第一条竖向弯曲裂缝。荷载加至160kN和170kN时,混凝土板的两端面相继出现纵向劈裂裂缝。此后的加载过程中混凝土板的裂缝开展非常缓慢。荷载加至24kN左右时裂缝开展速度加快,并在两侧面迅速出现多条新的裂缝,裂缝间距6~7cm。荷载加至270N和300kN时,两端混凝土板顶面出现斜向剪切裂缝,从栓钉根部处向梁端发展。端面混凝土裂缝发展最快,荷载加至400kN时裂缝最宽处达到0.2mm。至490kN时,混凝土板底出现多条贯通裂缝,最大裂缝宽度达0.5mm,随着荷载的增加裂缝不断发展,至580kN时裂缝宽度达到1mm 荷载加至600kN时,支座与加载点之间出现一条主剪切斜裂缝,加至610kN后荷载开始下降,另一侧面也出现一条主剪切斜裂缝,此时加载点处钢梁局部屈曲荷载下降至525kN时停止加载。最终端部平均纵向滑移为0.118mm,端部略有

图 1 试件测点布置图表 1 仪表及应变片布置说明仪表名称测量内容位移计量测试件挠度及钢梁与混凝土翼板之间的竖向掀起位移电子滑移传感器量测钢梁与混凝土翼板之间的水平相对滑移大小电阻应变片、应变花（钢梁）量测钢梁应变，测试截面的实际应变情况电阻应变片（混凝土翼板）量测混凝土翼板沿宽度方向应变，测试截面的实际应变情况电阻应变片（钢筋）量测钢筋沿梁纵向和横的应变，测试截面的实际应变情况电阻应变片（栓钉）量测栓钉的应变，测试栓钉所承受的掀起力大小 4、试验过程简述以 SCB-8 试件为例进行说明。当荷载加至 140kN 时试件跨中混凝土板底处出现第一条竖向弯曲裂缝。荷载加至 160kN 和 170kN 时，混凝土板的两端面相继出现纵向劈裂裂缝。此后的加载过程中混凝土板的裂缝开展非常缓慢。荷载加至 240kN 左右时裂缝开展速度加快，并在两侧面迅速出现多条新的裂缝，裂缝间距 6～7cm。荷载加至 270kN 和 300kN 时，两端混凝土板顶面出现斜向剪切裂缝，从栓钉根部处向梁端发展。端面混凝土裂缝发展最快，荷载加至 400kN 时裂缝最宽处达到 0.2mm。至 490kN 时，混凝土板底出现多条贯通裂缝，最大裂缝宽度达0.5mm，随着荷载的增加裂缝不断发展，至580kN时裂缝宽度达到1mm。荷载加至 600kN 时，支座与加载点之间出现一条主剪切斜裂缝，加至 610kN 后荷载开始下降，另一侧面也出现一条主剪切斜裂缝，此时加载点处钢梁局部屈曲。荷载下降至 525kN 时停止加载。最终端部平均纵向滑移为 0.118mm，端部略有