项目研发成果报告.docx

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1、钢筋混凝土板开孔组合结构的研究开发项目研究成果报告一、任务的提出及开展研究开发的目的意义钢-混凝土组合梁通过抗剪连接件使钢梁和混凝土楼板共同工作，提高了承载力和刚度。如果在钢梁腹板上开孔使管道设施从中通过，可以降低层高，进一步突出其经济性。但是，开孔截面会形成薄弱环节，需要考虑其对强度和挠度的影响。目前已有的研究大多是关于腹板开孔组合梁的试验和强度计算，已经较为成熟。但是，关于腹板开孔组合梁挠度的研究还相对较少。Benitez等人扩展了已有的研究工作，将开孔截面分为采用刚性系杆连接的上部和下部截面，采用计入剪切效应的刚度矩阵的方法，计算最大弯矩点挠度和孔端挠度差，并给出了实用计算

2、公式。通常，单个开孔对挠度的影响很小，与剪切变形为同一量级。但在某些情况下，其对挠度的影响会很大，比如开设有多个孔，或者在短梁的高剪力区开设较大的孔。国内对腹板开孔组合梁的挠度计算研究相对较晚。缺乏相应的规范条文指导设计。为此，我们进行本项目的研究。二、研发过程（结合年度研发计划，详细说明完成的研发内容及其采用的研究方法和工艺技术路线，技术成熟程度及存在的问题等。）2017年具体工作如下：1腹板未开孔组合梁的挠度计算开孔组合梁的挠度w，可以视为未开孔组合梁的挠度w0和附加挠度wa之和。即：w=w0+wa(1)计算未开孔组合梁的挠度时考虑滑移影响，其截面抗弯刚度可以表示为：B=Es

3、I0+ψEsA0h2sc(2)式中：(3)式中：Es为钢材的弹性模量；Ec为混凝土的弹性模量；ɑE=Es/Ec；Is为钢梁的截面惯性矩；Ic为楼板的截面惯性矩；As为钢梁的截面积；Acb为楼板参与整体抗弯的有效截面积，楼板参与整体抗弯的有效宽度为bb==2×l/8，l为组合梁的跨度；单位跨度的栓钉抗剪刚度为ks=nsKs/p，ns为栓钉的列数，Ks为单个栓钉的抗剪刚度，p为栓钉的纵向间距；hsc为钢梁与楼板的形心距离。未开孔组合梁的抗剪刚度，考虑混凝土楼板和钢梁腹板的共同作用，可以表示为：S=GsAw+GcAcs(4)式中：Gs为钢材的剪变模量；Gc为混凝土的剪变模量；Aw为钢梁

4、腹板的截面积；Acs为楼板参与抗剪的有效截面积，楼板参与抗剪的有效宽度为bs=3hc，hc为楼板厚度。。有了上述截面刚度，就可以计算未开孔组合梁的挠度。2腹板开孔组合梁的挠度计算组合梁开孔后，开孔段的截面被削弱。截面抗弯刚度变小，整体弯曲变形增加，截面抗剪刚度变小。开孔段上部和下部截面的刚度相对很小，产生空腹桁架形式的变形，如图1所示。图1空腹桁架形式的变形2.1分析模型开孔局部模型如图2所示，包含开孔段和紧挨的未开孔段，以合理地模拟开孔段两端的约束条件。模型总长度为6m，孔的宽度为lo，孔的中线位于跨中。孔的高度为ho，没有偏心，上部和下部T形钢截面高度均为ht。下标o表示op

5、ening。图2开孔局部模型混凝土楼板采用实体单元SOLID95模拟，钢梁腹板和翼缘采用壳单元SHELL91模拟，栓钉采用弹簧单元COMBIN39模拟，材料均为线弹性。局部细化开孔段及其附近的单元网格。左端截面施加固定约束。右端截面固定横向位移和全部转角，并分别耦合竖向位移和纵向位移。楼板横向边界截面采用横向对称约束。耦合混凝土楼板与钢梁的接触面的竖向位移。利用横向对称，最终建立1/2模型以提高计算效率，并施加相应约束。在模型右端施加单个集中荷载，使模型的两端产生无转角相对竖向位移。有限元模型的变形如图3所示。图3开孔局部模型的变形除了腹板开孔与否的区别外，未开孔局部模型的其余条

6、件与开孔局部模型相同。对开孔局部模型，提取上部截面的剪力Vt和下部截面的剪力Vb以及孔端(图2中的节点1和节点2)的位移w1和w2。对未开孔局部模型，提取相同位置节点的位移w0,1和w0,2。得到(开孔局部模型相对于未开孔局部模型)附加的孔端挠度差为：(5)2.2分析理论首先，假设开孔段的上部和下部构件的计算跨度相同，记为：le=l0+2rht(6)式中，r是待定的系数。开孔段下部是T形钢截面，附加的孔端剪切挠度差为：(7)式中：Awb为下部T形钢截面的腹板截面积；V为未开孔组合梁的截面剪力，V=Vt+Vb。因为ANSYS模型的开孔位于中间弯矩为零和较小的位置，且开孔对整体弯曲刚

7、度的影响较小，可以忽略开孔对整体弯曲挠度的影响。因此孔端弯曲挠度差为：(8)式中，Isb为下部T形钢截面的惯性矩。于是有：(9)利用已知资料和ANSYS分析结果，从式(9)反算出孔的计算跨度le，代入式(6)计算系数r。开孔段的上部，是混凝土楼板和T形钢梁的组合截面。附加的孔端剪切挠度差为：(10)式中，St为上部T形组合截面的抗剪刚度，采用与未开孔组合梁相同的计算式(4)，只需将未开孔钢梁腹板换成上部T形钢梁腹板。孔端弯曲挠度差为：wvt=Vtle3/12Bt(11)式中，Bt