华侨大学硕士学位论文薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪性能研究姓名：沈建华申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高轩能20090501华侨大学 2009 届硕士学位论文 薄壁 U 型钢-混凝土组合梁抗剪性能研究 I 摘摘 要要 薄壁型钢-混凝土组合梁是一种新型的组合构件，近年来在工程中得到了广泛应用。 论文采用试验与 ANSYS 有限单元分析相结合的方法对薄壁 U 型钢-混凝土组合梁的抗剪性能进行了研究。 分别以钢梁腹板高与下翼缘宽度比、剪跨比为研究参数，进行了 8根薄壁 U 型钢-混凝土组合梁抗剪性能的试验研究，得到了组合梁跨中荷载-位移曲线、沿截面高度方向的应变分布曲线、剪力-剪应变曲线。试验结果表明发生剪切破坏的组合梁有较好的延性。 采用 ANSYS 有限单元分析软件对组合梁进行了模拟， 模拟结果与试验结果吻合良好。 在此基础上， 利用 ANSYS 模型分析了混凝土翼板尺寸、剪力连接程度、 钢梁腹板高与钢下翼缘宽度比、 剪跨比等因素对组合梁抗剪承载力的影响。利用分析结果，回归出组合梁抗剪承载力的计算公式，并对公式进行了验证， 误差在允许范围之内， 且计算时可不考虑弯剪相关性。 研究结果表明：薄壁 U 型钢-混凝土组合梁抗剪承载力不仅来源于钢梁腹板的抗剪贡献，还来源于混凝土翼板的贡献，以及两者的组合作用。 本文的研究结果可对薄壁 U 型钢-混凝土组合梁的抗剪性能的进一步研究及理论分析提供参考。 关键词：关键词：薄壁 U 型钢-混凝土组合梁；抗剪承载力；剪力连接程度；剪跨比；有限单元方法 ABSTRACT II ABSTRACT Thin-walled steel-concrete composite beam is a new type of composite and has been widely used in engineering in recently years. The research on the thin -walled steel-concrete composite beam with U-section is presented through experiments and ANSYS finite element method. According to the experiment of eight thin -walled steel-concrete composite beams with U-sections by changing the proportion of height and width of the steel beam and the shear span aspect ratio, the loading-deflection curve of mid-span, the strain curve of mid-span along the profile height and the shear-shear strain curve of the shear span were received. The experiment results show that the composite beam have good ductility. Using the general-purpose finite element software, ANSYS version 10.0, a three-dimensional FE model, has been developed to investigate the composite beams with U-sections under shear loading. The results based on ANSYS analysis consist well with the results of the experiments. Then this verified model is employed to study the parameters that influence the shear capacity of composite beams, such as the dimension of concrete slab, the degree of shear connection, the proportion of height and width of the steel beam, the shear span aspect ratio, etc. Using the numerical results, empirical formulae that incorporate the effect of the shear connection degree are proposed to obtain the vertical shear strength of composite beams subjected to shear loading. The calculated values are in good agreement with the experimental result, and when using the proposed formula the interaction between bending and shear capacity in a composite beam can be neglected. It is also found that the shear capacity of the steel-concrete composite beam with U-section not only come from the steel but also from the concrete and the interaction of the two parts. The results of this paper are helpful for the further studies on the shear 华侨大学 2009 届硕士学位论文 薄壁 U 型钢-混凝土组合梁抗剪性能研究 III behavior of the thin-walled steel concrete composite beams with U-sections and the engineering design. Keywords: thin-walled steel-concrete composite beam with U-section; shear capacity; the degree of shear connection; the shear span aspect ratio; finite element method. 原创性声明原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名：学位论文作者签名： 日期：日期： 学位论文版权使用授权声明学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名：论文作者签名： 指导教师签名：指导教师签名： 签签 名名 日日 期：期： 签签 名名 日日 期：期： 华侨大学2009届硕士学位论文 薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪性能研究 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 钢与混凝土组合梁是在钢梁和混凝土梁的基础上发展起来的一种组合构件， 泛指钢和混凝土两种材料通过适当的连接措施组合并共同工作的一种梁。 由于充分利用了混凝土和钢两种材料不同的受力性能， 因而钢与混凝土组合梁具有承载力高、 延性好、综合经济指标较高等优点。近年来，钢与混凝土组合结构在房屋、桥梁、地下建筑、海洋工程和特殊容器等领域得到了较为广泛的应用，并不断发展。 因此，钢-混凝土组合结构在取材、截面形式、连接方式等方面值得进一步深入研究，以便满足快速发展的工程实际需要。 1.2 薄壁型钢薄壁型钢-混凝土组合梁的特点及应用混凝土组合梁的特点及应用 薄壁型钢-混凝土组合梁也是其中的一种组合构件形式，是由冷弯 U 形、C 形、内卷边槽形、矩形和帽形截面等薄壁型钢截面填充混凝土或钢筋混凝土组成 1-11-2。其截面形式多样，下图列出了文献中及工程试用较多的典型截面的形式。 a) b) c) 图 1 薄壁型钢-混凝土组合梁常见截面形式 其中图 1a)为钢梁槽内无填充混凝土的薄壁型钢-混凝土组合梁，图 1b)为带卷边的冷弯 Z 型和 C 型钢组成槽型截面，而后浇筑混凝土的薄壁型钢-混凝土组合梁1-3，图 1c)分别为帽型薄壁型钢-混凝土组合梁， 带混凝土托板的箱型薄壁型钢-混凝土组合梁(钢梁由两个冷弯槽型钢板焊接而成)1-2。 薄壁型钢-混凝土组合梁能够充分发挥薄壁型钢和混凝土两种材料的优点，混凝第一章 绪论 2 土宜于受压，但抗拉承载力极低，钢材宜于受拉，但受压时需要考虑稳定问题。这种组合结构将钢与混凝土结合在一起而共同工作，可以扬长避短，充分发挥两种材料的优势，因此这种结构形式具有一系列优点，具体体现如下： 1) 抗震性能好。组合梁受压翼缘主要是较宽的钢筋混凝土，钢梁大部分受拉，因此组合梁的整体性强，稳定性也较好，表现出良好的抗震性能。试验及理论研究表明，薄壁型钢-混凝土组合节点具有良好抗震性能及在双重破坏机制下能形成较强的抗倒塌能力1-41-6。 2) 具有较高的承载力和延性。钢梁内填充混凝土可以有效地防止钢梁的局部屈曲，减少钢梁加劲肋的设置；钢材的存在有效地改善了结构的延性。特别是帽型截面薄壁型钢-混凝土组合梁有足够的截面抗扭刚度，可以简化施工阶段的侧向支撑1-7。 3) 节约钢材。 实践表明， 组合梁方案与钢结构方案相比， 可节省钢材 20%40%，建筑每平方米造价可降低 10%40%1-3。 4) 施工速度快，木材消耗量小。由于薄壁型钢板可兼作施工模板，减少了木材的消耗，并可大大加快施工进度，缩短工期；同时减少了钢筋绑扎等工序。 5) 模板减少了混凝土水份的损失，从而减小了混凝土的徐变和收缩。 6) 工厂化程度高。结构所需的主要构件可实现工厂化加工，保证了质量。 7) 形式灵活，便于就地取材。构件可根据所需形式预先加工或现场拼接，不受场地限制，运输也很方便。 薄壁型钢-混凝土组合梁的优点正逐步被发现并应用于工程实际，在多低层建筑结构中既可替代钢梁又可替代混凝土梁，具有显著经济效益和社会效益，因此在桥梁工程、多、低层建筑及高层楼盖结构中拥有巨大优势，得到日益广泛的应用。 1) 桥梁工程 薄壁型钢-混凝土组合梁在桥梁工程中应用广泛，其材料费用只是常规钢桥工程费用的 15%20%1-81-9。 2) 多、低层建筑 薄壁型钢-混凝土组合结构(梁、柱、板)用于多、低层建筑具有施工方便、工期短的特点，若有新型墙板相配合，该结构形式将在多、低层建筑中取代砖砌体，从而实现真正意义上的绿色建筑，是未来民用建筑的发展方向。 华侨大学2009届硕士学位论文