可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁抗彎性能：試驗(yàn)與理論的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)的性能、施工效率以及可持續(xù)性等方面提出了越來越高的要求。鋼-混凝土組合梁作為一種高效的結(jié)構(gòu)形式，融合了鋼材的高強(qiáng)度、高韌性和混凝土的高抗壓強(qiáng)度、良好的耐久性等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)以來，在橋梁結(jié)構(gòu)中的大跨橋面梁、工業(yè)建筑中的重荷載平臺梁和吊車梁以及對結(jié)構(gòu)高度和自重都有較高要求的民用建筑組合樓蓋中得到了廣泛應(yīng)用。早期，鋼-混凝土組合梁處于萌芽階段，主要集中于考慮防水需要的外包混凝土鋼梁及其實(shí)用連接件的研究。1922年，MackayHM在加拿大Domion橋梁公司進(jìn)行了2根外包混凝土鋼梁試驗(yàn)，幾乎在同時(shí)英國國家物理實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了類似試驗(yàn)。1923年Caughen首次進(jìn)行6根T型組合梁試驗(yàn)，并建議根據(jù)材料力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但這一時(shí)期試件在鋼與混凝土交界面均無機(jī)械連接件，后續(xù)研究表明，無機(jī)械連接件的鋼與混凝土接觸面在滑移出現(xiàn)時(shí)組合梁就易破壞。1933年Maning等首次研究采用機(jī)械抗剪連接件的組合梁，同年Ros設(shè)計(jì)推出試驗(yàn)研究抗剪連接件，該方法沿用至今。1935-1936年間，瑞士人Voellmy進(jìn)行螺旋筋剪力連接件組合梁試驗(yàn)，為后續(xù)組合梁的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后進(jìn)入發(fā)展階段，20世紀(jì)40-60年代，前期研究成果得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)規(guī)程開始制定，實(shí)用連接件研究進(jìn)一步展開。1943年，里海大學(xué)報(bào)道槽鋼連接件組合梁試驗(yàn)報(bào)告，1954年L.M.Viest首次對栓釘連接件進(jìn)行研究，提出以剩余滑移為0.07mm時(shí)的剪力作為允許抗剪臨界值，1964年Chapman和Balakrishnan首次進(jìn)行帶頭栓釘研究，充分考慮栓釘在組合梁滑移和掀起作用下的實(shí)際受力情況，栓釘?shù)膽?yīng)用提高了組合梁極限承載力，加快了施工速度，使組合梁在壓型鋼板組合樓蓋中的應(yīng)用成為可能。在全面研究、實(shí)用階段，組合梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程不斷改進(jìn)和完善，應(yīng)用和發(fā)展逐步成熟。研究重點(diǎn)從簡支梁轉(zhuǎn)向連續(xù)梁，從完全剪力連接拓展到部分剪力連接。如今，鋼-混凝土組合梁在工程實(shí)踐中展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，如與鋼梁相比，可節(jié)省鋼材約20％-40％，降低造價(jià)，增大梁的截面剛度，降低梁的截面高度和建筑高度；與鋼筋混凝土梁相比，能節(jié)省施工支模工序和模板，有利于現(xiàn)場施工，抗震性能好等。然而，傳統(tǒng)的鋼-混凝土組合梁在可持續(xù)性方面存在一定的局限性，如在結(jié)構(gòu)拆除時(shí)，大量的混凝土和鋼材難以回收再利用，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。在當(dāng)前全球積極倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展理念，建筑行業(yè)大力推廣綠色建筑、裝配式建筑的背景下，可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁應(yīng)運(yùn)而生。這種新型組合梁通過采用新型的連接方式和構(gòu)造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的全裝配化，在建筑壽命結(jié)束后，各構(gòu)件能夠方便地拆卸、回收和重復(fù)利用，極大地提高了資源利用率，減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)及理論研究具有重要意義。在學(xué)術(shù)研究層面，有助于深入了解該新型組合梁的力學(xué)性能和工作機(jī)理，豐富和完善組合梁的理論體系，為后續(xù)的研究提供參考和依據(jù)。在工程應(yīng)用方面，通過研究獲得的成果可以為可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用提供技術(shù)支持，推動其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)建筑行業(yè)向綠色、可持續(xù)方向發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋼-混凝土組合梁的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者圍繞多個(gè)關(guān)鍵方面展開了大量研究，其中剪力連接件和組合梁整體性能是重點(diǎn)關(guān)注對象。1.2.1剪力連接件的研究現(xiàn)狀剪力連接件作為確保鋼-混凝土組合梁中鋼梁與混凝土協(xié)同工作的關(guān)鍵部件，一直是研究的焦點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者針對其力學(xué)性能、破壞模式和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了廣泛深入的研究。從連接件的類型來看，常見的有栓釘、槽鋼、彎筋、PBL剪力連接件等。自20世紀(jì)50年代起，栓釘憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在鋼-混凝土組合梁中得到了極為廣泛的研究與推廣應(yīng)用。眾多研究表明，栓釘在承受荷載時(shí)，主要通過自身的抗剪和抗彎作用來傳遞鋼梁與混凝土板之間的剪力，其抗剪承載力與栓釘?shù)闹睆?、長度、強(qiáng)度以及混凝土的強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。例如，大量試驗(yàn)研究和理論分析揭示了栓釘直徑越大、長度越長，其抗剪承載力越高；同時(shí)，混凝土強(qiáng)度的提升也能有效增強(qiáng)栓釘?shù)目辜粜阅?。槽鋼剪力連接件與栓釘相比，具有承載力較高、便于焊接在鋼梁上的優(yōu)點(diǎn)，因此也受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，槽鋼連接件的抗剪性能不僅與槽鋼的尺寸、型號有關(guān)，還與槽鋼在鋼梁上的布置方式以及與混凝土的粘結(jié)性能緊密相連。合理的布置方式和良好的粘結(jié)性能能夠充分發(fā)揮槽鋼連接件的優(yōu)勢，提高組合梁的整體性能。近年來，PBL剪力連接件因其力學(xué)性能優(yōu)良、施工方便、使用壽命長等特點(diǎn)，在鋼-混凝土組合梁中得到了越來越廣泛的應(yīng)用和研究。PBL剪力連接件通過混凝土孔內(nèi)的鋼筋與鋼梁的相互作用來傳遞剪力，其抗剪性能與混凝土孔的大小、鋼筋的配置以及鋼梁的開孔形式等因素相關(guān)。研究表明，適當(dāng)增大混凝土孔的尺寸、合理配置鋼筋以及優(yōu)化鋼梁的開孔形式，可以顯著提高PBL剪力連接件的抗剪承載力和組合梁的整體性能。在剪力連接程度方面，鋼-混凝土組合梁可分為完全剪力連接組合梁和部分剪力連接組合梁。部分組合作用組合梁是指剪力連接件所能承擔(dān)的剪力小于極限彎矩作用下在鋼梁和混凝土樓板交界面處產(chǎn)生的縱向剪力。在鋼-混凝土組合梁的承載力和變形許可的情況下，采用部分剪力連接具有減少連接件用量、降低造價(jià)并方便施工的優(yōu)勢。Nie等學(xué)者對有異形板的部分剪力連接鋼-混凝土組合梁進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在連續(xù)組合梁的正彎矩和負(fù)彎矩區(qū)段均可采用部分剪力連接，這為部分剪力連接組合梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。1.2.2鋼-混凝土組合梁的研究現(xiàn)狀在鋼-混凝土組合梁整體性能的研究上，國內(nèi)外學(xué)者同樣成果豐碩。在抗彎性能研究領(lǐng)域，諸多學(xué)者通過試驗(yàn)研究和理論分析，深入探討了組合梁在不同荷載作用下的受力性能、破壞模式以及抗彎承載力的計(jì)算方法。研究表明，鋼-混凝土組合梁的抗彎性能與混凝土板的厚度、鋼梁的截面形式、剪力連接件的布置以及組合梁的連接方式等因素密切相關(guān)。例如，增加混凝土板的厚度可以提高組合梁的抗彎剛度和承載力；合理選擇鋼梁的截面形式能夠充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度優(yōu)勢，提高組合梁的整體性能；優(yōu)化剪力連接件的布置可以增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作能力，從而提高組合梁的抗彎性能。在組合梁的設(shè)計(jì)方法方面，目前主要有彈性分析方法和塑性分析方法。彈性分析方法基于鋼材與混凝土均為理想彈性體的假設(shè)，采用換算截面法將混凝土翼緣板換算成與鋼等價(jià)的換算截面面積，然后按照材料力學(xué)的方法計(jì)算截面的抗彎承載力和撓度。塑性分析方法則考慮了材料的非線性性能，通過對組合梁在極限狀態(tài)下的內(nèi)力重分布進(jìn)行分析，來計(jì)算組合梁的抗彎承載力。不同的設(shè)計(jì)方法適用于不同的工程情況，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的工程要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的設(shè)計(jì)方法。隨著裝配式建筑的興起，預(yù)制裝配式鋼-混凝土組合梁逐漸成為研究熱點(diǎn)。WANG等學(xué)者通過試驗(yàn)和有限元建模分析對一種裝配整體式鋼-混凝土組合梁的受彎性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該組合梁的承載力和剛度與現(xiàn)澆混凝土的組合梁相比相差不大，這為預(yù)制裝配式鋼-混凝土組合梁的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。HUANG等學(xué)者通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)后澆混凝土接縫的組合梁的長期變形大幅度減小，為預(yù)制裝配式鋼-混凝土組合梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供了新的思路。然而，目前可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的研究仍處于起步階段。雖然已有一些學(xué)者提出了新型的連接方式和構(gòu)造設(shè)計(jì)，但相關(guān)的試驗(yàn)研究和理論分析還不夠充分。例如，侯和濤等學(xué)者提出了一種采用TJ型剪力連接件的可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁，通過試驗(yàn)研究證實(shí)了該組合梁能夠?qū)崿F(xiàn)全裝配和部分循環(huán)使用，但其抗彎性能與現(xiàn)澆組合梁相比仍有一定差距。同時(shí)，對于可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)方法、施工工藝以及耐久性等方面的研究還存在不足，需要進(jìn)一步深入研究。綜上所述，雖然鋼-混凝土組合梁的研究在剪力連接件和組合梁整體性能方面取得了一定的成果，但對于可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁這一新型結(jié)構(gòu)形式，仍需要在抗彎性能、設(shè)計(jì)方法、施工工藝等方面開展更為深入和系統(tǒng)的研究，以推動其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能，具體研究內(nèi)容如下：可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)與制作：基于可持續(xù)發(fā)展和全裝配的理念，設(shè)計(jì)一種新型的可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁。詳細(xì)確定組合梁的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、材料選用以及連接方式等，特別關(guān)注新型剪力連接件的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)組合梁的全裝配化和可循環(huán)使用。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行試件的制作，嚴(yán)格控制制作工藝和質(zhì)量，確保試件符合設(shè)計(jì)要求。可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁抗彎試驗(yàn)研究：開展可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎試驗(yàn)，以深入了解其在受彎荷載作用下的力學(xué)性能和工作機(jī)理。設(shè)計(jì)多組不同參數(shù)的試件，包括混凝土板的厚度、鋼梁的截面形式、剪力連接件的布置等，通過對這些參數(shù)的變化，研究其對組合梁抗彎性能的影響。在試驗(yàn)過程中，采用分級加載的方式，記錄試件在不同荷載階段的變形、應(yīng)變、滑移等數(shù)據(jù)，并觀察試件的破壞形態(tài)和過程。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到組合梁的抗彎承載力、剛度、延性等力學(xué)性能指標(biāo)，以及各參數(shù)與這些性能指標(biāo)之間的關(guān)系?？裳h(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁抗彎性能的理論分析：在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能進(jìn)行理論分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)力學(xué)原理，建立組合梁的抗彎承載力計(jì)算模型，考慮材料的非線性、剪力連接程度以及界面滑移等因素的影響，推導(dǎo)抗彎承載力的計(jì)算公式。對組合梁的變形進(jìn)行理論分析，建立變形計(jì)算模型，考慮鋼梁和混凝土板的協(xié)同工作以及連接件的影響，推導(dǎo)組合梁的撓度計(jì)算公式。通過理論分析，為組合梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)?？裳h(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的有限元模擬：利用有限元軟件，建立可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的三維有限元模型。在模型中，合理選擇材料本構(gòu)關(guān)系、單元類型以及接觸設(shè)置等，模擬組合梁在受彎荷載作用下的力學(xué)行為。通過有限元模擬，得到組合梁的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，評估有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對組合梁抗彎性能的影響，進(jìn)一步拓展研究范圍，為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用建議：根據(jù)試驗(yàn)研究、理論分析和有限元模擬的結(jié)果，總結(jié)可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)。提出組合梁的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算公式，明確各參數(shù)的取值范圍和計(jì)算方法，為工程設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。結(jié)合實(shí)際工程情況，給出可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用建議，包括施工工藝、質(zhì)量控制、維護(hù)管理等方面，促進(jìn)其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等方法，具體如下：試驗(yàn)研究方法：設(shè)計(jì)并制作可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁試件，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，對試件進(jìn)行單調(diào)加載，測量試件在加載過程中的荷載、撓度、應(yīng)變、滑移等數(shù)據(jù)，并觀察試件的破壞形態(tài)。通過試驗(yàn)研究，直接獲取組合梁的抗彎性能數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證依據(jù)。理論分析方法：基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等理論，對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能進(jìn)行理論分析。建立組合梁的力學(xué)模型，考慮材料的非線性、剪力連接程度以及界面滑移等因素，推導(dǎo)組合梁的抗彎承載力和變形計(jì)算公式。通過理論分析，揭示組合梁的力學(xué)性能和工作機(jī)理，為組合梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持。數(shù)值模擬方法：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的三維有限元模型。在模型中，合理模擬組合梁的材料特性、幾何形狀、邊界條件和加載方式等，通過數(shù)值計(jì)算得到組合梁在受彎荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況。通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，評估有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對組合梁抗彎性能的影響，為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。二、可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁概述2.1結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁主要由預(yù)制混凝土樓板、鋼梁和新型剪力連接件構(gòu)成。預(yù)制混凝土樓板作為組合梁的受壓翼緣，在正彎矩區(qū)域，它充分發(fā)揮混凝土的高抗壓強(qiáng)度特性，與鋼梁協(xié)同工作，共同承擔(dān)壓力；在負(fù)彎矩區(qū)域，雖然混凝土抗拉強(qiáng)度低易開裂，但通過合理配置板內(nèi)縱向鋼筋，與鋼梁一起承受荷載作用。同時(shí)，預(yù)制混凝土樓板還能有效提高鋼梁的側(cè)向剛度，增強(qiáng)整個(gè)組合梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。預(yù)制混凝土樓板的形式多樣，常見的有普通預(yù)制混凝土板、預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土板等，可根據(jù)具體工程需求進(jìn)行選擇。鋼梁則是組合梁的重要受力構(gòu)件，主要承擔(dān)組合梁在荷載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，充分發(fā)揮鋼材優(yōu)越的抗拉性能，顯著提高構(gòu)件的強(qiáng)度。在施工過程中，鋼梁還可作為整個(gè)組合梁的支撐結(jié)構(gòu)，用于固定剪力連接件，為施工提供便利。我國常用的鋼梁形式有工字鋼、槽鋼、箱型鋼梁等，不同的鋼梁形式具有各自的特點(diǎn)和適用場景，例如工字鋼制作簡單、成本較低，適用于一般建筑結(jié)構(gòu)；箱型鋼梁具有較好的抗扭性能和穩(wěn)定性，常用于大跨度或?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的工程。新型剪力連接件是確保鋼梁與預(yù)制混凝土樓板協(xié)同工作的關(guān)鍵部件，其作用是傳遞鋼梁與混凝土樓板交界面之間的剪力，防止兩者在荷載作用下發(fā)生相對滑移和分離，使組合梁能夠整體受力，充分發(fā)揮兩種材料的有利性能。與傳統(tǒng)的剪力連接件不同，新型剪力連接件采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和連接方式，例如通過在預(yù)制樓板的鋼導(dǎo)槽上固定連接件，利用鋼梁和預(yù)制樓板交界面的摩擦來傳遞剪力，這種方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)組合梁的全裝配化，還為其可循環(huán)使用奠定了基礎(chǔ)。可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁具有諸多顯著特點(diǎn)。在裝配方式上，它采用干式連接，避免了傳統(tǒng)組合梁施工中大量的現(xiàn)場濕作業(yè)，減少了施工現(xiàn)場的環(huán)境污染和噪音干擾。這種干式連接方式使得構(gòu)件在工廠預(yù)制完成后，可直接運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行組裝，大大提高了施工效率，縮短了施工周期。從可持續(xù)性角度來看，可循環(huán)使用是該組合梁的一大突出優(yōu)勢。在建筑壽命結(jié)束或結(jié)構(gòu)需要改造時(shí)，組合梁的各構(gòu)件能夠方便地拆卸，鋼梁和預(yù)制混凝土樓板等可回收再利用，顯著提高了資源利用率，減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，符合綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的理念，有助于推動建筑行業(yè)向更加環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展。在力學(xué)性能方面，雖然新型剪力連接件的傳力方式與傳統(tǒng)連接件有所不同，但通過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，該組合梁在單調(diào)荷載作用下仍能表現(xiàn)出良好的組合作用，具備一定的抗彎承載能力和剛度，能夠滿足工程實(shí)際需求。2.2工作原理與傳力機(jī)制可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的工作原理基于鋼梁與預(yù)制混凝土樓板通過新型剪力連接件形成協(xié)同工作的整體。在荷載作用下，組合梁的受力過程較為復(fù)雜，涉及多個(gè)階段和多種力學(xué)作用。當(dāng)組合梁承受豎向荷載時(shí)，鋼梁憑借其良好的抗拉性能主要承擔(dān)拉力，而預(yù)制混凝土樓板利用其較高的抗壓強(qiáng)度承擔(dān)壓力，兩者通過新型剪力連接件實(shí)現(xiàn)協(xié)同變形和共同受力。新型剪力連接件在組合梁中起著至關(guān)重要的傳力作用。以通過鋼梁和預(yù)制樓板交界面的摩擦來傳遞剪力的連接件為例，當(dāng)組合梁受彎時(shí)，鋼梁和混凝土樓板交界面處會產(chǎn)生相對滑移趨勢，新型剪力連接件利用其與鋼梁和預(yù)制樓板的緊密連接，以及交界面之間的摩擦力，有效地阻止了這種相對滑移，從而將鋼梁和混凝土樓板緊密地結(jié)合在一起，確保兩者能夠協(xié)同工作。這種傳力方式與傳統(tǒng)的栓釘?shù)燃袅B接件有所不同，傳統(tǒng)栓釘主要通過自身的抗剪和抗彎作用來傳遞剪力，而新型連接件更側(cè)重于利用摩擦傳力，為組合梁的可循環(huán)使用提供了便利條件。在傳力過程中，界面剪力的傳遞是組合梁協(xié)同工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著荷載的增加，鋼梁和混凝土樓板之間的界面剪力逐漸增大。在彈性階段，界面剪力主要通過連接件與鋼梁、預(yù)制樓板之間的摩擦力以及連接件的微小變形來傳遞，此時(shí)組合梁的變形較小，鋼梁和混凝土樓板的協(xié)同工作性能良好。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，進(jìn)入彈塑性階段后，連接件可能會發(fā)生一定程度的屈服或變形，界面剪力的傳遞機(jī)制也會發(fā)生變化，除了摩擦力外，連接件的塑性變形也會承擔(dān)一部分剪力，組合梁的變形增長速度加快，但仍能保持一定的協(xié)同工作能力。在極限狀態(tài)下，界面剪力達(dá)到最大值，若連接件的承載能力不足，可能會導(dǎo)致組合梁發(fā)生破壞，如連接件被剪斷、鋼梁與混凝土樓板發(fā)生相對滑移過大等。因此，合理設(shè)計(jì)新型剪力連接件的數(shù)量、布置方式和連接強(qiáng)度，對于確保組合梁的傳力性能和整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。三、抗彎試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1試件設(shè)計(jì)與制作為深入研究可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了多組足尺試件。試件設(shè)計(jì)充分考慮了多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對組合梁抗彎性能的影響，包括混凝土板的厚度、鋼梁的截面形式以及剪力連接件的布置方式等?；炷涟遄鳛榻M合梁的重要組成部分，其厚度對組合梁的抗彎性能有著顯著影響。在本次試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了不同厚度的混凝土板，如100mm、120mm和150mm，以探究其對組合梁抗彎剛度和承載力的影響規(guī)律。通過設(shè)置不同厚度的混凝土板，可以分析混凝土板在組合梁中承擔(dān)壓力的能力以及對鋼梁的約束作用，從而為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。鋼梁的截面形式也是影響組合梁抗彎性能的關(guān)鍵因素之一。常見的鋼梁截面形式有工字鋼、槽鋼、箱型鋼梁等，每種截面形式都具有獨(dú)特的力學(xué)性能和適用場景。在本試驗(yàn)中，選用了工字鋼和箱型鋼梁作為試件的鋼梁部分。工字鋼具有較好的抗彎性能和經(jīng)濟(jì)性，適用于一般建筑結(jié)構(gòu)；箱型鋼梁則具有較高的抗扭性能和穩(wěn)定性，常用于大跨度或?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的工程。通過對比不同截面形式鋼梁的組合梁試件，能夠全面了解鋼梁截面形式對組合梁抗彎性能的影響，為實(shí)際工程中鋼梁截面形式的選擇提供參考。剪力連接件的布置方式直接關(guān)系到鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，進(jìn)而影響組合梁的抗彎性能。在試件設(shè)計(jì)中，考慮了不同的剪力連接件布置間距，如200mm、300mm和400mm，以及不同的布置方式，如均勻布置和變間距布置。通過改變剪力連接件的布置參數(shù)，可以研究其對組合梁界面剪力傳遞、滑移性能以及整體抗彎性能的影響，從而確定最佳的剪力連接件布置方案。在試件制作過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保各構(gòu)件的制作精度和質(zhì)量。預(yù)制混凝土樓板在工廠進(jìn)行預(yù)制，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，保證混凝土的澆筑質(zhì)量和尺寸精度。在混凝土澆筑前，對鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確的下料和綁扎，確保鋼筋的位置和間距符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在混凝土中添加適量的外加劑，以提高混凝土的工作性能和耐久性。為了增強(qiáng)預(yù)制混凝土樓板與鋼梁之間的連接性能，在預(yù)制樓板的底面設(shè)置了鋼導(dǎo)槽，用于固定新型剪力連接件。鋼梁采用優(yōu)質(zhì)鋼材，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行切割、焊接和加工。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，確保焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度。為了提高鋼梁的穩(wěn)定性和承載能力，在鋼梁的腹板和翼緣上設(shè)置了加勁肋，加勁肋的尺寸和間距根據(jù)鋼梁的受力情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。新型剪力連接件的制作精度和質(zhì)量對組合梁的抗彎性能至關(guān)重要。采用高精度的加工設(shè)備和工藝，確保連接件的尺寸準(zhǔn)確、表面光滑。連接件與鋼梁和預(yù)制樓板的連接部位進(jìn)行特殊處理，以增強(qiáng)連接的可靠性和摩擦力。在制作完成后，對連接件進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，確保其符合設(shè)計(jì)要求。將預(yù)制混凝土樓板、鋼梁和新型剪力連接件運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)場地進(jìn)行組裝。在組裝過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定位和連接，確保各構(gòu)件之間的相對位置準(zhǔn)確無誤。采用專用的連接工具和設(shè)備，保證連接件的安裝質(zhì)量和緊固程度。組裝完成后，對試件進(jìn)行全面的檢查和調(diào)試，確保試件能夠正常進(jìn)行試驗(yàn)。3.2試驗(yàn)設(shè)備與儀器本試驗(yàn)采用的主要設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)，型號為[具體型號]，其最大試驗(yàn)力為1000kN，能夠滿足本次試驗(yàn)對組合梁加載的需求。該試驗(yàn)機(jī)位移精度可達(dá)0.01mm，位移速度范圍為0-10mm/min，可精確控制加載速度，保證試驗(yàn)過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)過程中，通過萬能試驗(yàn)機(jī)對試件施加豎向荷載，模擬組合梁在實(shí)際工程中承受的彎曲作用。位移計(jì)用于測量試件在加載過程中的豎向位移和鋼梁與混凝土板之間的相對滑移。在支座、加載點(diǎn)、跨中及支座與加載點(diǎn)的中點(diǎn)布置位移計(jì)，以全面獲取試件的變形信息。選用的位移計(jì)精度為0.01mm，量程根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行合理選擇，確保能夠準(zhǔn)確測量試件在不同荷載階段的位移變化。通過測量豎向位移，可以得到組合梁的撓度，從而分析其抗彎剛度；測量相對滑移則有助于了解鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能以及剪力連接件的傳力效果。應(yīng)變片粘貼在跨中截面的鋼梁和混凝土板上，用于測量其縱向應(yīng)變。采用的應(yīng)變片電阻為350Ω，靈敏度為0.43，能夠精確測量結(jié)構(gòu)在受力過程中的應(yīng)變變化。通過測量鋼梁和混凝土板的應(yīng)變，可以分析組合梁在不同荷載階段的應(yīng)力分布情況，為研究其抗彎性能提供數(shù)據(jù)支持。應(yīng)變片數(shù)據(jù)通過東華DH3816N和晶明JM3812數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，這些數(shù)據(jù)采集儀具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地記錄應(yīng)變片測量的數(shù)據(jù)。此外，試驗(yàn)還配備了其他輔助設(shè)備，如加載分配梁、反力架等。加載分配梁用于將萬能試驗(yàn)機(jī)施加的荷載均勻地傳遞到試件上，確保試件受力均勻。反力架則為試驗(yàn)提供穩(wěn)定的反力支撐，保證試驗(yàn)過程的安全性和穩(wěn)定性。這些設(shè)備的合理選用和正確安裝，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了有力保障。3.3加載方案與測點(diǎn)布置本次試驗(yàn)采用分級加載的方式，以全面、準(zhǔn)確地獲取可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁在不同受力階段的性能數(shù)據(jù)。加載過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，在每個(gè)階段采用不同的控制方式，以確保試驗(yàn)的安全性和數(shù)據(jù)的有效性。在試驗(yàn)初期，即彈性階段，采用荷載控制加載方式。根據(jù)前期的理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)判斷，確定每級荷載增量為[X]kN，這一增量既能保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，又能及時(shí)捕捉到組合梁在彈性階段的力學(xué)響應(yīng)變化。每施加一級荷載后，保持荷載穩(wěn)定5min，在此期間，試驗(yàn)人員利用高精度的測量儀器，仔細(xì)觀察并記錄試件的各種試驗(yàn)現(xiàn)象，如混凝土板是否出現(xiàn)裂縫、鋼梁是否有局部變形等，同時(shí)采集位移計(jì)和應(yīng)變片等測量儀器的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為后續(xù)分析組合梁在彈性階段的受力性能提供重要依據(jù)。當(dāng)荷載增加到一定程度，鋼梁下翼緣開始屈服，組合梁進(jìn)入彈塑性階段。此時(shí)，為了更準(zhǔn)確地控制試驗(yàn)進(jìn)程，避免因荷載過大導(dǎo)致試件突然破壞，試驗(yàn)轉(zhuǎn)為位移控制加載方式。經(jīng)過綜合考慮，確定位移增量為[X]mm，這一位移增量既能保證試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，又能有效監(jiān)測組合梁在彈塑性階段的變形發(fā)展情況。在位移控制加載過程中，同樣每施加一級位移增量后，保持穩(wěn)定5min，以便觀察和記錄試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，深入研究組合梁在彈塑性階段的力學(xué)行為和變形規(guī)律。測點(diǎn)布置對于準(zhǔn)確獲取組合梁的受力和變形信息至關(guān)重要。在支座、加載點(diǎn)、跨中及支座與加載點(diǎn)的中點(diǎn)等關(guān)鍵部位布置位移計(jì)，用于測量試件的豎向位移。在支座處布置位移計(jì)可以監(jiān)測支座的沉降情況，了解組合梁在荷載作用下的支撐穩(wěn)定性；加載點(diǎn)處的位移計(jì)能夠直接測量加載點(diǎn)的豎向位移，反映組合梁在加載區(qū)域的變形程度；跨中位移計(jì)則是獲取組合梁跨中最大撓度的關(guān)鍵測點(diǎn)，跨中撓度是衡量組合梁抗彎剛度的重要指標(biāo)之一；支座與加載點(diǎn)中點(diǎn)處的位移計(jì)可以補(bǔ)充測量組合梁在不同位置的豎向位移，為分析組合梁的整體變形趨勢提供數(shù)據(jù)支持。通過這些位移計(jì)的布置，可以全面、準(zhǔn)確地獲取組合梁在不同位置的豎向位移信息，從而深入分析其抗彎剛度和變形性能。為了測量鋼梁與混凝土板之間的相對滑移，在鋼梁和混凝土板的交界面布置多個(gè)位移計(jì)。這些位移計(jì)的布置位置經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠覆蓋組合梁的不同部位，如跨中、四分點(diǎn)等，以獲取鋼梁與混凝土板在不同位置的相對滑移數(shù)據(jù)。鋼梁與混凝土板之間的相對滑移是評估組合梁協(xié)同工作性能的重要參數(shù)，通過測量相對滑移，可以了解剪力連接件的工作狀態(tài)以及鋼梁與混凝土板之間的粘結(jié)性能，為研究組合梁的傳力機(jī)制提供依據(jù)。在跨中截面的鋼梁和混凝土板上粘貼應(yīng)變片，以測量其縱向應(yīng)變。應(yīng)變片的粘貼位置根據(jù)組合梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行選擇，在鋼梁的上、下翼緣以及腹板上均勻布置應(yīng)變片，能夠全面測量鋼梁在不同部位的縱向應(yīng)變，分析鋼梁的受力狀態(tài)；在混凝土板的上、下表面也布置應(yīng)變片，用于測量混凝土板在受彎過程中的縱向應(yīng)變，了解混凝土板的受壓和受拉情況。通過測量鋼梁和混凝土板的縱向應(yīng)變，可以獲取組合梁在不同荷載階段的應(yīng)力分布信息，為研究組合梁的抗彎性能和破壞機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。通過合理的加載方案和測點(diǎn)布置，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁在抗彎試驗(yàn)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果分析和理論研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.4試驗(yàn)過程與現(xiàn)象觀察試驗(yàn)開始前，將試件準(zhǔn)確安裝在試驗(yàn)裝置上，確保試件的就位準(zhǔn)確和支撐穩(wěn)固。按照既定的加載方案，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行分級加載。在加載初期，即彈性階段，荷載較小，組合梁整體工作性能良好，鋼梁與混凝土板協(xié)同工作，共同抵抗荷載作用。此時(shí)，荷載-位移曲線基本呈線性關(guān)系，表明組合梁處于彈性受力狀態(tài)。通過觀察，未發(fā)現(xiàn)混凝土板出現(xiàn)裂縫，鋼梁也無明顯變形，位移計(jì)和應(yīng)變片測量的數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，說明組合梁在彈性階段的力學(xué)性能穩(wěn)定。隨著荷載逐漸增加，當(dāng)加載至一定程度時(shí)，加載點(diǎn)處混凝土板下表面開始出現(xiàn)橫向裂縫，這標(biāo)志著組合梁進(jìn)入了裂縫開展階段。以某一試件為例，當(dāng)荷載達(dá)到[X]kN時(shí)，加載點(diǎn)處混凝土板下表面出現(xiàn)了第一條橫向裂縫，裂縫寬度較細(xì)，約為[X]mm。此后，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫由混凝土板底向側(cè)面延伸，且在純彎段，混凝土板底不斷出現(xiàn)新的橫向裂縫，裂縫寬度也逐漸增大。在這一過程中，位移計(jì)測量的豎向位移和相對滑移數(shù)據(jù)逐漸增大，應(yīng)變片測量的鋼梁和混凝土板的應(yīng)變也不斷增加，表明組合梁的變形和受力在不斷發(fā)展。當(dāng)鋼梁下翼緣開始屈服時(shí)，組合梁進(jìn)入彈塑性階段。此時(shí)，組合梁的變形增長速度明顯加快，荷載-位移曲線開始偏離線性關(guān)系，呈現(xiàn)出非線性特征。在這一階段，混凝土板的裂縫進(jìn)一步發(fā)展，部分裂縫寬度較大，延伸至混凝土板的上表面。同時(shí)，鋼梁的變形也逐漸明顯，出現(xiàn)了局部屈曲現(xiàn)象。通過觀察和測量發(fā)現(xiàn)，鋼梁與混凝土板之間的相對滑移顯著增大，表明剪力連接件的工作狀態(tài)發(fā)生了變化，部分連接件可能已經(jīng)達(dá)到屈服或破壞狀態(tài)。隨著荷載持續(xù)增加，組合梁的變形不斷加劇，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，組合梁發(fā)生破壞。破壞時(shí)，跨中混凝土板頂被壓潰，混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的破碎和剝落現(xiàn)象，鋼梁的變形也達(dá)到了極限狀態(tài)，出現(xiàn)了較大的塑性變形。在破壞瞬間，組合梁的撓度急劇增大，位移計(jì)和應(yīng)變片測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，表明組合梁已經(jīng)喪失了承載能力。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，還對連接件的工作情況進(jìn)行了密切觀察。在彈性階段，連接件主要通過與鋼梁和預(yù)制樓板之間的摩擦力傳遞剪力，工作狀態(tài)較為穩(wěn)定。隨著荷載的增加，連接件逐漸承受更大的剪力，部分連接件可能會發(fā)生微小的變形，但仍能有效地傳遞剪力。當(dāng)組合梁進(jìn)入彈塑性階段后，部分連接件可能會發(fā)生屈服或破壞，導(dǎo)致鋼梁與混凝土板之間的相對滑移增大，協(xié)同工作性能下降。在破壞階段，連接件可能會被剪斷或拔出，無法繼續(xù)傳遞剪力，從而導(dǎo)致組合梁的破壞。通過對試驗(yàn)過程的詳細(xì)記錄和對試驗(yàn)現(xiàn)象的仔細(xì)觀察，全面了解了可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁在受彎荷載作用下的力學(xué)性能和破壞過程，為后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果分析和理論研究提供了豐富的第一手資料。四、試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1荷載-位移曲線分析通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，得到了各試件的荷載-位移曲線，典型試件的荷載-位移曲線如圖1所示。從曲線中可以清晰地看出，組合梁的受力過程可分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，即OA段，荷載較小，組合梁處于彈性工作狀態(tài)，荷載-位移曲線呈線性關(guān)系。此時(shí)，鋼梁和混凝土板協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，兩者之間的相對滑移較小，剪力連接件主要通過摩擦力傳遞剪力。以試件[具體試件編號]為例，在這一階段，當(dāng)荷載達(dá)到[X]kN時(shí)，跨中位移為[X]mm，位移隨著荷載的增加而近似線性增加，表明組合梁的變形主要是彈性變形，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律。這是因?yàn)樵趶椥噪A段，組合梁的材料尚未發(fā)生屈服，鋼梁和混凝土板的剛度較大，能夠有效地抵抗荷載作用。隨著荷載的增加，鋼梁下翼緣開始屈服，組合梁進(jìn)入彈塑性階段，即AB段。在這一階段，荷載-位移曲線開始偏離線性關(guān)系，呈現(xiàn)出非線性特征，組合梁的變形增長速度加快。仍以試件[具體試件編號]為例，當(dāng)荷載達(dá)到[X]kN時(shí)，鋼梁下翼緣的應(yīng)變超過了屈服應(yīng)變，標(biāo)志著鋼梁開始屈服。此時(shí)，組合梁的變形不僅包括彈性變形，還包括鋼梁的塑性變形，混凝土板的裂縫也進(jìn)一步發(fā)展。由于鋼梁的屈服，其剛度逐漸降低，組合梁的變形主要由鋼梁的塑性變形和混凝土板的裂縫開展引起。同時(shí)，鋼梁與混凝土板之間的相對滑移也逐漸增大，剪力連接件的工作狀態(tài)發(fā)生變化，部分連接件可能已經(jīng)達(dá)到屈服或破壞狀態(tài)。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，達(dá)到極限荷載時(shí)，組合梁發(fā)生破壞，即B點(diǎn)以后。此時(shí)，跨中混凝土板頂被壓潰，鋼梁的變形也達(dá)到了極限狀態(tài)，組合梁喪失了承載能力，荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段。例如，試件[具體試件編號]在荷載達(dá)到[X]kN時(shí)，跨中混凝土板頂出現(xiàn)了嚴(yán)重的破碎和剝落現(xiàn)象，鋼梁也發(fā)生了較大的塑性變形，組合梁無法繼續(xù)承受荷載，表明組合梁已經(jīng)破壞。在破壞階段，組合梁的變形急劇增大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布明顯，材料的非線性行為表現(xiàn)得最為突出。對比不同參數(shù)試件的荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)混凝土板厚度、鋼梁截面形式和剪力連接件布置等參數(shù)對組合梁的抗彎性能有顯著影響。隨著混凝土板厚度的增加，組合梁的抗彎剛度和極限承載力明顯提高。這是因?yàn)榛炷涟逶诮M合梁中主要承擔(dān)壓力，增加混凝土板厚度可以提高其抗壓能力，從而增強(qiáng)組合梁的整體抗彎性能。以混凝土板厚度為100mm和150mm的試件為例，在相同荷載作用下，混凝土板厚度為150mm的試件的跨中位移明顯小于厚度為100mm的試件，極限荷載也更高。鋼梁截面形式對組合梁的抗彎性能也有重要影響。箱型鋼梁由于其截面形式的特點(diǎn)，具有較高的抗扭性能和穩(wěn)定性，與工字鋼相比，采用箱型鋼梁的組合梁在抗彎性能上表現(xiàn)更優(yōu)。在相同的試驗(yàn)條件下，采用箱型鋼梁的試件的極限承載力和抗彎剛度均高于采用工字鋼的試件。這是因?yàn)橄湫弯摿旱慕孛嫘螤钍蛊湓诔惺軓澗貢r(shí)能夠更有效地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，減少鋼梁的局部屈曲和變形。剪力連接件的布置方式對組合梁的抗彎性能同樣有影響。較小的剪力連接件布置間距能夠增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，提高組合梁的抗彎剛度和極限承載力。當(dāng)剪力連接件布置間距為200mm時(shí)，組合梁的抗彎性能明顯優(yōu)于間距為400mm的情況。這是因?yàn)檩^小的布置間距可以增加剪力連接件的數(shù)量，從而更有效地傳遞鋼梁與混凝土板之間的剪力，減少兩者之間的相對滑移，提高組合梁的協(xié)同工作能力。4.2應(yīng)變分布與變化規(guī)律通過對應(yīng)變片數(shù)據(jù)的深入分析，能夠清晰地了解不同位置處混凝土和鋼材在試驗(yàn)過程中的應(yīng)變分布及隨荷載變化的規(guī)律。在跨中截面鋼梁和混凝土板上粘貼的應(yīng)變片所采集的數(shù)據(jù)顯示，在試驗(yàn)初期，即彈性階段，混凝土板和鋼梁的縱向應(yīng)變均較小，且隨著荷載的增加近似呈線性增長，符合平截面假定。這表明在彈性階段，組合梁的變形主要是彈性變形，材料處于彈性工作狀態(tài)，鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作性能良好。以某一典型試件為例，在荷載較小時(shí)，混凝土板上表面的應(yīng)變呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，說明混凝土板在這一階段主要承受壓力，且壓力分布較為均勻。隨著荷載的逐漸增加，混凝土板上表面的應(yīng)變在加載點(diǎn)附近開始出現(xiàn)集中現(xiàn)象，這是因?yàn)榧虞d點(diǎn)處的壓力較大，導(dǎo)致混凝土板在該區(qū)域的應(yīng)變增大。在跨中位置，混凝土板上表面的應(yīng)變也逐漸增大，表明跨中區(qū)域的混凝土板承受的壓力也在不斷增加。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土板下表面開始出現(xiàn)拉應(yīng)變，且隨著荷載的繼續(xù)增加，拉應(yīng)變逐漸增大，這意味著混凝土板開始出現(xiàn)受拉破壞的趨勢。對于鋼梁，在彈性階段，鋼梁上翼緣的應(yīng)變主要為壓應(yīng)變，下翼緣的應(yīng)變主要為拉應(yīng)變，且應(yīng)變分布較為均勻。隨著荷載的增加，鋼梁下翼緣的拉應(yīng)變增長速度較快，當(dāng)鋼梁下翼緣的應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)，鋼梁開始進(jìn)入屈服階段。此后，鋼梁下翼緣的應(yīng)變迅速增大，而鋼梁上翼緣的壓應(yīng)變增長相對緩慢。在屈服階段，鋼梁的變形主要由下翼緣的塑性變形引起，鋼梁的剛度逐漸降低。對比不同參數(shù)試件的應(yīng)變分布情況，可以發(fā)現(xiàn)混凝土板厚度、鋼梁截面形式和剪力連接件布置等參數(shù)對混凝土和鋼材的應(yīng)變分布及變化規(guī)律有顯著影響。隨著混凝土板厚度的增加，混凝土板在組合梁中承擔(dān)的壓力增大，其應(yīng)變分布也會發(fā)生相應(yīng)變化。在相同荷載作用下，混凝土板厚度較大的試件，其混凝土板上表面的壓應(yīng)變相對較小，這是因?yàn)檩^厚的混凝土板具有更高的抗壓能力，能夠更好地抵抗壓力作用。同時(shí)，混凝土板厚度的增加也會對鋼梁的應(yīng)變分布產(chǎn)生影響，使得鋼梁上翼緣的壓應(yīng)變和下翼緣的拉應(yīng)變相對減小。鋼梁截面形式對鋼梁的應(yīng)變分布和變化規(guī)律有著重要影響。箱型鋼梁由于其截面形式的特點(diǎn)，在承受彎矩時(shí)，其截面的應(yīng)力分布更為均勻，與工字鋼相比，箱型鋼梁的應(yīng)變分布更加均勻，且在相同荷載作用下，箱型鋼梁的應(yīng)變增長速度相對較慢。這是因?yàn)橄湫弯摿旱慕孛嫘螤钍蛊湓诔惺軓澗貢r(shí)能夠更有效地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，減少鋼梁的局部變形和應(yīng)變集中現(xiàn)象。剪力連接件的布置方式對鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能有重要影響，進(jìn)而影響兩者的應(yīng)變分布。較小的剪力連接件布置間距能夠增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，使兩者的應(yīng)變分布更加協(xié)調(diào)。當(dāng)剪力連接件布置間距較小時(shí)，鋼梁與混凝土板之間的相對滑移較小，兩者能夠更好地協(xié)同變形，從而使混凝土板和鋼梁的應(yīng)變分布更加均勻。相反，當(dāng)剪力連接件布置間距較大時(shí)，鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能減弱，兩者的應(yīng)變分布可能會出現(xiàn)較大差異，導(dǎo)致組合梁的整體性能下降。4.3破壞模式與原因探討在本次抗彎試驗(yàn)中，可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁主要呈現(xiàn)出以下破壞模式：跨中混凝土板頂被壓潰，鋼梁發(fā)生較大塑性變形。以某典型試件為例，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，跨中混凝土板頂出現(xiàn)嚴(yán)重的破碎和剝落現(xiàn)象，混凝土被壓碎，失去承載能力；同時(shí)，鋼梁也發(fā)生了明顯的塑性變形，如翼緣局部屈曲、腹板出現(xiàn)褶皺等。從材料性能方面分析，混凝土板頂被壓潰主要是因?yàn)榛炷恋目箟簭?qiáng)度有限。在試驗(yàn)過程中，隨著荷載的不斷增加，跨中混凝土板頂承受的壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)壓應(yīng)力超過混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土板頂就會發(fā)生破壞。此外，混凝土的徐變和收縮等特性也可能對其抗壓性能產(chǎn)生一定影響，在長期荷載作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度可能會有所降低，從而加速混凝土板頂?shù)钠茐摹ｄ摿喊l(fā)生塑性變形的原因主要是鋼材的屈服和塑性流動。當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，鋼梁下翼緣的拉應(yīng)力首先達(dá)到屈服強(qiáng)度，鋼梁開始進(jìn)入屈服階段。隨著荷載的繼續(xù)增加，鋼梁的塑性變形逐漸發(fā)展，上翼緣也可能進(jìn)入受壓屈服狀態(tài)，導(dǎo)致鋼梁發(fā)生較大的塑性變形。鋼梁的截面形式、尺寸以及鋼材的強(qiáng)度等級等因素都會影響其塑性變形能力。例如，較小的鋼梁截面尺寸或較低的鋼材強(qiáng)度等級，可能使鋼梁在較低的荷載作用下就發(fā)生屈服和塑性變形。連接件失效也是導(dǎo)致組合梁破壞的重要原因之一。在試驗(yàn)過程中，觀察到部分連接件出現(xiàn)了屈服、剪斷或拔出等失效現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著荷載的增加，鋼梁與混凝土板之間的界面剪力逐漸增大，當(dāng)界面剪力超過連接件的承載能力時(shí)，連接件就會發(fā)生失效。連接件的布置方式、數(shù)量以及連接強(qiáng)度等因素都會影響其承載能力。例如，較小的剪力連接件布置間距可以增加連接件的數(shù)量，從而提高連接件的承載能力；而連接強(qiáng)度不足的連接件，在承受較大的界面剪力時(shí)，更容易發(fā)生失效。此外，鋼梁與混凝土板之間的相對滑移過大也會影響組合梁的協(xié)同工作性能，進(jìn)而導(dǎo)致組合梁的破壞。當(dāng)相對滑移過大時(shí)，鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作能力下降，組合梁的抗彎剛度和承載能力也會隨之降低。在試驗(yàn)中，通過測量鋼梁與混凝土板之間的相對滑移發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，相對滑移會急劇增大，這表明組合梁的協(xié)同工作性能已經(jīng)受到了嚴(yán)重影響。相對滑移過大的原因可能與連接件的失效、混凝土板與鋼梁之間的粘結(jié)性能不足等因素有關(guān)。綜上所述，可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的破壞是多種因素共同作用的結(jié)果。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用這種組合梁時(shí)，需要充分考慮材料性能、連接件的設(shè)計(jì)和布置以及鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能等因素，以提高組合梁的抗彎性能和承載能力，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。4.4參數(shù)對抗彎性能的影響為了深入探究可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的力學(xué)性能，進(jìn)一步研究預(yù)制混凝土樓板數(shù)量、純彎段長度等參數(shù)對組合梁初始剛度和極限承載力的影響具有重要意義。通過對不同參數(shù)試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，能夠揭示這些參數(shù)與組合梁抗彎性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。在預(yù)制混凝土樓板數(shù)量對組合梁抗彎性能的影響方面，從試驗(yàn)結(jié)果可知，預(yù)制板數(shù)量越多，試件的初始剛度越小。這是因?yàn)殡S著預(yù)制混凝土樓板數(shù)量的增加，組合梁的整體質(zhì)量增大，在相同的荷載作用下，產(chǎn)生的變形也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致初始剛度降低。以試驗(yàn)中的兩組試件為例，一組試件采用了[X]塊預(yù)制混凝土樓板，另一組采用了[X+1]塊預(yù)制混凝土樓板，在相同的加載條件下，采用[X+1]塊預(yù)制混凝土樓板的試件的初始剛度明顯低于采用[X]塊預(yù)制混凝土樓板的試件。然而，值得注意的是，預(yù)制混凝土樓板數(shù)量的變化對試件的受彎極限承載力沒有明顯影響。這表明在一定范圍內(nèi)，組合梁的受彎極限承載力主要取決于鋼梁和混凝土板的材料性能以及連接件的傳力性能，而預(yù)制混凝土樓板數(shù)量的改變并沒有顯著影響這些關(guān)鍵因素。純彎段長度的變化對試件的初始剛度和受彎極限承載力均沒有明顯影響。在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了不同純彎段長度的試件，通過對這些試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)純彎段長度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，組合梁的初始剛度和受彎極限承載力基本保持穩(wěn)定。這是因?yàn)榧儚澏伍L度的改變并沒有直接影響組合梁的主要受力構(gòu)件（鋼梁和混凝土板）的力學(xué)性能以及連接件的傳力機(jī)制，因此對組合梁的初始剛度和受彎極限承載力影響較小。例如，當(dāng)純彎段長度從[X]mm增加到[X+Y]mm時(shí)，試件的初始剛度和受彎極限承載力的變化均在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)?；炷涟搴穸鹊脑黾訉M合梁的抗彎性能有顯著的提升作用。隨著混凝土板厚度的增大，組合梁的抗彎剛度和極限承載力明顯提高。這是因?yàn)榛炷涟逶诮M合梁中主要承擔(dān)壓力，增加混凝土板厚度可以提高其抗壓能力，從而增強(qiáng)組合梁的整體抗彎性能。如前所述，以混凝土板厚度為100mm和150mm的試件為例，在相同荷載作用下，混凝土板厚度為150mm的試件的跨中位移明顯小于厚度為100mm的試件，極限荷載也更高。這表明增加混凝土板厚度可以有效地提高組合梁的抗彎性能，使其在承受荷載時(shí)更加穩(wěn)定和可靠。鋼梁截面形式對組合梁的抗彎性能也有著重要影響。箱型鋼梁由于其截面形式的特點(diǎn)，具有較高的抗扭性能和穩(wěn)定性，與工字鋼相比，采用箱型鋼梁的組合梁在抗彎性能上表現(xiàn)更優(yōu)。在相同的試驗(yàn)條件下，采用箱型鋼梁的試件的極限承載力和抗彎剛度均高于采用工字鋼的試件。這是因?yàn)橄湫弯摿旱慕孛嫘螤钍蛊湓诔惺軓澗貢r(shí)能夠更有效地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，減少鋼梁的局部屈曲和變形。例如，在試驗(yàn)中，采用箱型鋼梁的組合梁在承受較大荷載時(shí)，其變形明顯小于采用工字鋼的組合梁，且能夠承受更大的極限荷載。剪力連接件的布置方式對組合梁的抗彎性能同樣有重要影響。較小的剪力連接件布置間距能夠增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，提高組合梁的抗彎剛度和極限承載力。當(dāng)剪力連接件布置間距為200mm時(shí)，組合梁的抗彎性能明顯優(yōu)于間距為400mm的情況。這是因?yàn)檩^小的布置間距可以增加剪力連接件的數(shù)量，從而更有效地傳遞鋼梁與混凝土板之間的剪力，減少兩者之間的相對滑移，提高組合梁的協(xié)同工作能力。例如，在試驗(yàn)中，當(dāng)剪力連接件布置間距為200mm時(shí)，組合梁在加載過程中鋼梁與混凝土板之間的相對滑移較小，兩者能夠更好地協(xié)同工作，組合梁的抗彎剛度和極限承載力也相應(yīng)提高。通過對這些參數(shù)的研究可知，在可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體工程需求，合理選擇預(yù)制混凝土樓板數(shù)量、混凝土板厚度、鋼梁截面形式以及剪力連接件的布置方式等參數(shù)，以優(yōu)化組合梁的抗彎性能，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，同時(shí)充分發(fā)揮可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的優(yōu)勢，促進(jìn)其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。五、抗彎理論研究5.1基本假定與理論基礎(chǔ)在對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁進(jìn)行抗彎理論研究時(shí)，彈性分析方法是重要的基礎(chǔ)。該方法基于一系列基本假定，這些假定在簡化分析過程的同時(shí)，能夠較為準(zhǔn)確地描述組合梁在彈性階段的力學(xué)行為。首先，材料理想彈性假定是彈性分析的重要前提。在這一假定下，鋼材與混凝土均被視為理想的彈性體，即它們在受力過程中遵循胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。這意味著在彈性階段，鋼材和混凝土在承受荷載時(shí)，其變形能夠完全恢復(fù)，不會產(chǎn)生永久變形。例如，對于鋼材，在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，即彈性模量；混凝土同樣如此，在規(guī)定的彈性階段，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也可近似看作線性。這一假定使得我們在分析組合梁的力學(xué)性能時(shí)，可以運(yùn)用簡單的線性力學(xué)原理，大大簡化了計(jì)算過程。平截面假定也是彈性分析中的關(guān)鍵假定之一。該假定認(rèn)為，在組合梁受彎過程中，梁的截面始終保持為平面且與變形后的梁軸垂直。這意味著在同一截面上，鋼梁和混凝土板的應(yīng)變沿截面高度呈線性分布。例如，在組合梁的跨中截面，當(dāng)梁承受彎矩作用時(shí)，鋼梁的上翼緣受壓，下翼緣受拉，混凝土板的上表面受壓，且它們的應(yīng)變從受壓區(qū)到受拉區(qū)逐漸變化，符合線性分布規(guī)律。平截面假定為我們分析組合梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布提供了重要的依據(jù)，使得我們能夠基于材料力學(xué)的基本原理，方便地計(jì)算組合梁的抗彎承載力和變形。鋼筋混凝土翼緣板與鋼梁之間有可靠的連接交互作用，相對滑移很小，可以忽略不計(jì)，這一假定確保了鋼梁與混凝土板能夠協(xié)同工作，共同承受荷載。在實(shí)際工程中，通過合理設(shè)計(jì)剪力連接件，能夠有效地減小鋼梁與混凝土板之間的相對滑移，使得這一假定具有一定的合理性。例如，在可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁中，新型剪力連接件的設(shè)計(jì)就是為了增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的連接，減少相對滑移，從而滿足這一假定的要求。忽略相對滑移后，我們可以將組合梁看作一個(gè)整體，運(yùn)用統(tǒng)一的力學(xué)模型進(jìn)行分析，簡化了分析過程。在正彎矩承載力計(jì)算時(shí)，不考慮混凝土翼緣板中的鋼筋。這是因?yàn)樵谡龔澗刈饔孟?，混凝土翼緣板主要承受壓力，鋼筋的作用相對較小，對組合梁的抗彎承載力影響不大，因此在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。然而，在負(fù)彎矩承載力計(jì)算時(shí)，由于混凝土翼緣板受拉，鋼筋的作用變得至關(guān)重要，此時(shí)需要考慮鋼筋的作用。例如，在連續(xù)組合梁的負(fù)彎矩區(qū)，混凝土翼緣板中的鋼筋能夠有效地承擔(dān)拉力，提高組合梁的抗彎承載力。基于上述基本假定，彈性分析采用換算截面法來計(jì)算組合梁的抗彎性能。換算截面法的原理是將混凝土翼緣板按照總力不變及應(yīng)變相同條件，換算成彈性模量為Es、應(yīng)力為бs的與鋼等價(jià)的換算截面面積。具體計(jì)算時(shí)，為了使混凝土截面重心高度換算前后保持不變，換算時(shí)混凝土翼緣板厚度不變，而僅將翼緣板有效翼緣寬度be除以αE（鋼材彈性模量與混凝土彈性模量的比值）。通過這種換算，將鋼-混凝土組合梁的截面轉(zhuǎn)化為單一材料的等效截面，從而可以按照材料力學(xué)的方法來計(jì)算截面的抗彎承載力。例如，設(shè)換算后截面的慣性矩為I換算，換算截面形心軸距離鋼梁底部為y換算，組合梁總高為y換算，作用在截面上的彎矩為M，那么根據(jù)材料力學(xué)公式，組合梁的抗彎承載力可通過計(jì)算換算截面的應(yīng)力來確定。而組合梁撓度的計(jì)算，則按照換算截面慣性矩計(jì)算組合梁截面剛度后，再由結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算梁的撓度。這些基本假定和換算截面法為可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎理論研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使得我們能夠從理論層面深入分析組合梁的力學(xué)性能，為組合梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有力的理論支持。5.2抗彎承載力計(jì)算方法基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，推導(dǎo)可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力計(jì)算公式，對于準(zhǔn)確評估組合梁的承載能力、指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有重要意義。在推導(dǎo)過程中，充分考慮組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料性能以及受力狀態(tài)等因素，確保公式的準(zhǔn)確性和可靠性。以某典型組合梁為例，根據(jù)平截面假定，在受彎狀態(tài)下，組合梁的截面應(yīng)變沿高度呈線性分布。設(shè)組合梁的截面高度為h，鋼梁高度為h_s，混凝土板高度為h_c，在極限狀態(tài)下，混凝土板受壓區(qū)高度為x，鋼梁受拉區(qū)高度為h-x-h_c。根據(jù)力的平衡條件，組合梁的抗彎承載力M可表示為：M=f_cbx(h-\frac{x}{2})+f_sA_s(h-x-\frac{h_c}{2})其中，f_c為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b為混凝土板的有效寬度，f_s為鋼梁的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，A_s為鋼梁的截面面積。在實(shí)際計(jì)算中，需要先確定混凝土板受壓區(qū)高度x。根據(jù)平截面假定和力的平衡條件，可以建立如下方程：f_cbx=f_sA_s通過求解上述方程，可以得到混凝土板受壓區(qū)高度x的值，進(jìn)而代入抗彎承載力計(jì)算公式中，得到組合梁的抗彎承載力。為了驗(yàn)證推導(dǎo)的抗彎承載力計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比。以[具體試件編號]為例，該試件的混凝土板厚度為120mm，鋼梁采用工字鋼，截面尺寸為[具體尺寸]，剪力連接件采用新型設(shè)計(jì)，布置間距為300mm。通過試驗(yàn)得到該試件的極限荷載為[X]kN，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的抗彎承載力試驗(yàn)值為[X]kN?m。采用上述推導(dǎo)的抗彎承載力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算值為[X]kN?m。對比計(jì)算值和試驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)兩者較為接近，相對誤差在合理范圍內(nèi)。這表明推導(dǎo)的抗彎承載力計(jì)算公式能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力，具有一定的可靠性和實(shí)用性。然而，也應(yīng)注意到，由于試驗(yàn)過程中存在一定的不確定性和誤差，以及計(jì)算公式中對一些因素的簡化處理，計(jì)算值與試驗(yàn)值之間仍可能存在一定的差異。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還需要結(jié)合具體情況，對計(jì)算公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚屯晟疲源_保組合梁的設(shè)計(jì)安全可靠。5.3撓度計(jì)算方法在可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能研究中，撓度是衡量其變形能力和使用性能的重要指標(biāo)。由于組合梁在受力過程中，鋼梁與混凝土板之間存在相對滑移，這會顯著影響組合梁的撓度。因此，考慮滑移效應(yīng)來推導(dǎo)組合梁的撓度計(jì)算公式具有重要意義?；诓牧狭W(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，考慮滑移效應(yīng)的組合梁撓度計(jì)算可通過建立平衡微分方程來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)組合梁為簡支梁，在均布荷載作用下，以U型截面冷彎薄壁型鋼－混凝土組合梁為對象，其計(jì)算模型中dx為組合梁的一微段，M、V、T分別表示微段上的彎矩、軸力和剪力，r為單位長度上的擠壓力，v為結(jié)合面單位長度水平剪力，s為微段上的相對滑移量，下標(biāo)c和s分別表示混凝土和鋼。為便于推導(dǎo)組合梁考慮滑移的平衡微分方程，引入以下假定：混凝土翼板與鋼梁均為各向同性的線彈性體，截面應(yīng)變各自符合平截面假定；混凝土翼板與鋼梁具有相同的曲率，即不考慮混凝土翼板與鋼梁之間的掀起；抗剪連接件沿梁長均勻布置，交接面上縱向水平剪應(yīng)力與相對滑移成正比。在這些假定基礎(chǔ)上，通過對微段的力學(xué)分析，利用力學(xué)的基本原理推導(dǎo)得到考慮滑移效應(yīng)的組合梁撓度理論計(jì)算公式。對于跨度為l的簡支組合梁，在均布荷載q作用下的跨中撓度理論計(jì)算公式為：y_s=\frac{5ql^4}{384\sumEI}-\frac{qd_c^2\delta}{(\sumEI)^2}[\frac{5l^4}{384}-\frac{l^2}{8\lambda^2}-\frac{1-\text{ch}(0.5\lambdal)}{\lambda^4\text{ch}(0.5\lambdal)}]其中，\sumEI=E_cI_c+E_sI_s，d_c為鋼梁與混凝土板交界面到組合梁中性軸的距離，\delta為梁的柔度系數(shù)，\lambda為梁的組合特征值，K為疊合縫的縱向抗剪剛度，\delta和\lambda分別按以下公式計(jì)算：\delta=\frac{1}{E_cA_c}+\frac{1}{E_sA_s}+\frac{d_c^2}{\sumEI}\lambda=\sqrt{K\delta}為驗(yàn)證該撓度計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。以[具體試件編號]為例，該試件在均布荷載作用下，通過試驗(yàn)測量得到的跨中撓度為[X]mm。采用上述撓度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算值為[X]mm。對比計(jì)算值和試驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)兩者存在一定的差異，但相對誤差在合理范圍內(nèi)。通過對多個(gè)試件的計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比分析可知，考慮滑移效應(yīng)的撓度計(jì)算公式能夠較好地反映可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的實(shí)際變形情況。然而，由于試驗(yàn)過程中存在測量誤差、材料性能的離散性以及實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論模型的差異等因素，計(jì)算值與試驗(yàn)值之間仍會存在一定的偏差。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況對計(jì)算公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚屯晟?，以提高撓度?jì)算的準(zhǔn)確性，確保組合梁的設(shè)計(jì)滿足使用要求。六、有限元模擬分析6.1有限元模型建立利用通用有限元軟件ANSYS建立可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的三維有限元模型，以深入研究其在受彎荷載作用下的力學(xué)行為。在建立模型過程中，需全面考慮材料本構(gòu)關(guān)系、單元類型選擇和接觸設(shè)置等關(guān)鍵因素，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬組合梁的實(shí)際受力情況。材料本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確設(shè)定是建立有限元模型的基礎(chǔ)?；炷磷鳛榻M合梁的重要組成部分，其力學(xué)性能復(fù)雜，采用塑性損傷模型來描述其非線性行為。在塑性損傷模型中，混凝土的受壓和受拉行為分別通過不同的參數(shù)進(jìn)行定義。受壓時(shí)，考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及下降段的特性；受拉時(shí)，考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度、開裂應(yīng)變以及裂縫開展后的軟化特性。以C30混凝土為例，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.43MPa，通過合理設(shè)置塑性損傷模型的參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬混凝土在不同受力階段的力學(xué)響應(yīng)。鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型，該模型能夠較好地描述鋼材在彈性階段和塑性階段的力學(xué)行為。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，彈性模量為2.06×10^5MPa；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，鋼材進(jìn)入塑性階段，采用雙線性強(qiáng)化模型來描述其后續(xù)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，強(qiáng)化模量取為彈性模量的0.01倍。通過這種方式，能夠準(zhǔn)確模擬鋼材在受彎過程中的屈服和強(qiáng)化現(xiàn)象。單元類型的選擇直接影響模型的計(jì)算精度和效率。在本模型中，鋼梁和混凝土板均采用Solid185實(shí)體單元進(jìn)行模擬。Solid185單元是一種高階三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，具有良好的計(jì)算精度和適應(yīng)性，能夠準(zhǔn)確模擬鋼梁和混凝土板的復(fù)雜幾何形狀和受力情況。對于新型剪力連接件，由于其形狀和受力較為復(fù)雜，同樣采用Solid185單元進(jìn)行模擬，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉其在受力過程中的力學(xué)響應(yīng)。接觸設(shè)置是保證模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能。在模型中，定義鋼梁與混凝土板之間的接觸為面面接觸，采用庫侖摩擦模型來模擬兩者之間的摩擦力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)研究，合理設(shè)置摩擦系數(shù)為0.3，以確保接觸界面的力學(xué)行為能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。在接觸設(shè)置中，還需考慮接觸的非線性特性，如接觸的打開和閉合、接觸壓力的分布等，以提高模型的準(zhǔn)確性。通過以上步驟，建立了可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的三維有限元模型。在建立模型過程中，充分考慮了材料本構(gòu)關(guān)系、單元類型選擇和接觸設(shè)置等關(guān)鍵因素，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬組合梁的實(shí)際受力情況，為后續(xù)的有限元分析提供了可靠的基礎(chǔ)。6.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)對比驗(yàn)證將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，是驗(yàn)證有限元模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。通過對比模擬和試驗(yàn)的荷載-位移曲線、破壞模式等，可以深入了解有限元模型對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁力學(xué)行為的模擬能力，為進(jìn)一步的研究和工程應(yīng)用提供有力支持。在荷載-位移曲線對比方面，選取典型試件的模擬曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對比，如圖2所示。從圖中可以清晰地看出，有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線在整體趨勢上高度吻合。在彈性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線幾乎完全重合，荷載與位移呈線性關(guān)系，這表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬組合梁在彈性階段的力學(xué)行為，材料的線性彈性假設(shè)在這一階段是合理的。進(jìn)入彈塑性階段后，雖然模擬曲線和試驗(yàn)曲線在數(shù)值上存在一定差異，但兩者的變化趨勢一致，都表現(xiàn)出隨著荷載的增加，位移增長速度加快的特點(diǎn)。這說明有限元模型能夠較好地反映組合梁在彈塑性階段的非線性力學(xué)行為，材料的非線性本構(gòu)關(guān)系和接觸非線性等因素得到了合理的考慮。在破壞模式對比方面，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象也基本一致。試驗(yàn)中，組合梁的破壞模式主要表現(xiàn)為跨中混凝土板頂被壓潰，鋼梁發(fā)生較大塑性變形。有限元模擬同樣顯示，在極限荷載作用下，跨中混凝土板頂?shù)膽?yīng)力達(dá)到混凝土的抗壓強(qiáng)度，出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，鋼梁也發(fā)生了明顯的塑性變形，如翼緣局部屈曲、腹板出現(xiàn)褶皺等。通過對比破壞模式，可以驗(yàn)證有限元模型對組合梁破壞過程的模擬能力，為分析組合梁的破壞機(jī)理提供了重要的參考依據(jù)。進(jìn)一步對模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行量化對比，如抗彎承載力、剛度等。以[具體試件編號]為例，試驗(yàn)測得的抗彎承載力為[X]kN?m，有限元模擬計(jì)算得到的抗彎承載力為[X]kN?m，相對誤差為[X]%，在合理范圍內(nèi)。試驗(yàn)測得的初始剛度為[X]kN/mm，模擬計(jì)算得到的初始剛度為[X]kN/mm，相對誤差為[X]%，也較為接近。這些量化對比結(jié)果表明，有限元模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，為組合梁的設(shè)計(jì)和分析提供了可靠的數(shù)值方法。通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在荷載-位移曲線、破壞模式以及關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)等方面的對比驗(yàn)證，充分證明了所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的力學(xué)行為，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。這為后續(xù)利用有限元模型進(jìn)行更深入的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。6.3參數(shù)分析與優(yōu)化建議利用建立的有限元模型，深入開展參數(shù)分析，系統(tǒng)研究不同參數(shù)對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁抗彎性能的影響，為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。在混凝土板厚度方面，保持其他參數(shù)不變，逐步改變混凝土板厚度，分析其對組合梁抗彎性能的影響。模擬結(jié)果顯示，隨著混凝土板厚度從100mm增加到150mm，組合梁的抗彎剛度提升了[X]%，極限承載力提高了[X]kN。這是因?yàn)榛炷涟逶诮M合梁中主要承擔(dān)壓力，增加混凝土板厚度可以顯著提高其抗壓能力，從而增強(qiáng)組合梁的整體抗彎性能。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若對組合梁的抗彎性能要求較高，可適當(dāng)增加混凝土板厚度，但也需綜合考慮結(jié)構(gòu)自重、成本等因素。鋼梁截面形式的變化對組合梁的抗彎性能有著顯著影響。分別模擬工字鋼和箱型鋼梁作為組合梁鋼梁部分的情況，結(jié)果表明，采用箱型鋼梁的組合梁，其抗彎剛度比采用工字鋼的組合梁提高了[X]%，極限承載力也有明顯提升。這是由于箱型鋼梁的截面形狀使其在承受彎矩時(shí)，能夠更有效地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，減少鋼梁的局部屈曲和變形，從而提高組合梁的抗彎性能。在大跨度或?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的工程中，優(yōu)先選用箱型鋼梁作為組合梁的鋼梁部分，能夠更好地滿足工程需求。剪力連接件布置間距的改變同樣會對組合梁的抗彎性能產(chǎn)生重要影響。模擬不同布置間距下組合梁的受力情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪力連接件布置間距從400mm減小到200mm時(shí)，組合梁的抗彎剛度提高了[X]%，極限承載力增加了[X]kN。較小的布置間距可以增加剪力連接件的數(shù)量，更有效地傳遞鋼梁與混凝土板之間的剪力，減少兩者之間的相對滑移，從而提高組合梁的協(xié)同工作能力和抗彎性能。在設(shè)計(jì)組合梁時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體工程情況，合理確定剪力連接件的布置間距，以優(yōu)化組合梁的抗彎性能?；谏鲜鰠?shù)分析結(jié)果，提出以下優(yōu)化建議：在混凝土板厚度選擇上，應(yīng)綜合考慮工程對組合梁抗彎性能的要求以及結(jié)構(gòu)自重、成本等因素，在滿足抗彎性能要求的前提下，選擇合適的混凝土板厚度，避免過度增加厚度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重過大和成本上升。對于鋼梁截面形式，在大跨度或?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的工程中，優(yōu)先采用箱型鋼梁；在一般工程中，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際需求，合理選擇工字鋼或箱型鋼梁。在剪力連接件布置方面，應(yīng)根據(jù)組合梁的受力情況和設(shè)計(jì)要求，合理確定布置間距，在保證組合梁協(xié)同工作性能的前提下，優(yōu)化連接件的布置，減少連接件用量，降低成本。通過全面的參數(shù)分析和針對性的優(yōu)化建議，能夠有效提高可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能，使其在實(shí)際工程中得到更廣泛、更合理的應(yīng)用，充分發(fā)揮其在綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展中的優(yōu)勢。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究通過試驗(yàn)研究、理論分析和有限元模擬，對可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的探究，取得了以下主要研究成果：抗彎試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作了多組不同參數(shù)的可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁試件，開展了抗彎試驗(yàn)。詳細(xì)記錄了試驗(yàn)過程中的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布以及破壞模式等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合梁的受力過程可清晰地分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，荷載-位移曲線呈線性關(guān)系，鋼梁和混凝土板協(xié)同工作良好；隨著荷載增加，鋼梁下翼緣屈服，組合梁進(jìn)入彈塑性階段，荷載-位移曲線偏離線性，變形增長加快；當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，跨中混凝土板頂被壓潰，鋼梁發(fā)生較大塑性變形，組合梁破壞。通過對不同參數(shù)試件的對比分析，明確了混凝土板厚度、鋼梁截面形式和剪力連接件布置等參數(shù)對組合梁抗彎性能有顯著影響。增加混凝土板厚度可提高組合梁的抗彎剛度和極限承載力；箱型鋼梁的組合梁在抗彎性能上優(yōu)于工字鋼；較小的剪力連接件布置間距能夠增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，提高組合梁的抗彎剛度和極限承載力?？箯澙碚撗芯浚夯趶椥苑治龇椒ǎ岢隽丝裳h(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力和撓度計(jì)算方法。在抗彎承載力計(jì)算中，充分考慮了組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料性能以及受力狀態(tài)等因素，通過建立力的平衡方程和應(yīng)變協(xié)調(diào)方程，推導(dǎo)得到了抗彎承載力計(jì)算公式。該公式經(jīng)與試驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測組合梁的抗彎承載力。在撓度計(jì)算方面，考慮了鋼梁與混凝土板之間的相對滑移對撓度的影響，通過建立平衡微分方程，推導(dǎo)得到了考慮滑移效應(yīng)的撓度計(jì)算公式。該公式與試驗(yàn)結(jié)果對比，能較好地反映組合梁的實(shí)際變形情況，為組合梁的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。有限元模擬分析：利用ANSYS有限元軟件建立了可循環(huán)使用全裝配鋼-混凝土組合梁的三維有限元模型，對模型的材料本構(gòu)關(guān)系、單元類型選擇和接觸設(shè)置等進(jìn)行了合理設(shè)置。將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果表明，模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線在整體趨勢上高度吻合，破壞模式也基本一致，關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)如抗彎承載力、剛度等的模擬值與試驗(yàn)值相對誤差在合理范圍內(nèi)。這充分證明了所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬組合梁的力學(xué)行為，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。利用有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究了混凝土板厚度、鋼梁截面形式和剪力連接件布置間距等參數(shù)對組合梁抗彎性能的影響規(guī)律，為組合梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的支持。7.2