2017, Vol. 40
表1(Table 1)
2. 广西大学 土木建筑工程学院, 南宁 530004
2. School of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, P. R. China
蜂窝型钢是指在宽翼缘H型钢或工字钢的腹板上，按预定的弧线或折线进行切割，然后再重新错位焊接在一起而制成的构件[1-2]，目前，常用的蜂窝孔形有六边形及圆形，蜂窝构件因其材料利用率高、承载力强等优点已在许多发达国家推广使用[3-6]，相对而言，中国对蜂窝构件的研究起步较晚，但也取得了许多成果[7-8]。蜂窝型钢高强混凝土梁是在型钢高强混凝土梁的基础上发展起来的一种新型结构形式，在蜂窝型钢高强混凝土梁中，由于蜂窝型钢中孔洞的存在，混凝土与型钢的“握裹”效应会显著增强，因而，可以有效提升型钢和混凝土之间的咬合力，增加两者间的粘结强度，改善型钢混凝土结构在受力过程中出现的粘结滑移现象[7]，从而使两种材料能够更好地协同工作。笔者前期已对六边形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的力学性能做了相关研究[7]，设计制作了4根圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁，对其进行静力加载试验，再利用有限元软件进行验证及拓展分析，为蜂窝型钢高强混凝土梁的相关理论研究及工程应用提供参考。
1 试验概况试验在前期研究基础之上[7]，设计制作了4根圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁，试验梁的长度均为2 m，计算长度为1.8 m，蜂窝型钢均采用牌号为I12的Q235钢进行扩张后加工制作而成，扩张比均为1.4，试件的剪跨比均为1.94，箍筋采用ϕ6@200 mm，架立筋采用HRB335级直径为10 mm的钢筋，试件的相关设计参数见表 1，图 1为典型试件YFY-1的尺寸及配筋图，图 2为制作完成的蜂窝型钢骨架图。
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表 1 试件设计参数 Table 1 Specimen design parameters |
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图 1 YFY-1尺寸及配筋图 Figure 1 Size and reinforcement figure of YFY-1 |
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图 2 制作完成的蜂窝型钢骨架 Figure 2 Castellated steel skeleton |
混凝土拌合物采用C50高强商品混凝土，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]实测混凝土立方体试块抗压强度为61.67 MPa，试验采用的型钢、钢筋与文献[7]为同批材料，材性试验结果见文献[7]。
试验的加载装置如图 3所示，其加载制度采用荷载—位移混合控制的加载方式：在初始加载时，采用荷载控制，其加载级为50 kN，每级荷载稳载2~3 min后读数，而后进入下加载级；当荷载达到0.80Pm~0.85Pm(Pm为试件的峰值荷载)左右时，采用跨中位移控制，位移增量取为1 mm，直至试件破坏。
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图 3 加载装置示意图 Figure 3 Loading device schematic diagram |
从整个试验过程来看，各试验梁的破坏过程基本相似，表现出弯曲破坏特点。试验梁在加载初期，梁处于弹性工作阶段，承受的荷载较小；当荷载达到0.17Pm~0.25Pm时，在跨中下边缘出现细小的竖向裂缝，随着荷载的增大，裂缝逐渐增多并向上延伸到型钢下翼缘位置，此时，由于受到型钢的约束，裂缝的发展变得缓慢；随着荷载的继续增大，裂缝数量不断增多并逐步越过型钢向上发展；当荷载达到0.4Pm~0.55Pm时，梁的下部竖向裂缝基本出齐，裂缝间距约为80~130 mm；当达到0.80Pm~0.85Pm时，梁跨中挠度迅速增加，此后改为位移控制加载；随着荷载的进一步增加，跨中截面上部混凝土被压碎，试件逐渐破坏，此后荷载缓慢下降，试件表现出良好的延性。图 4为典型试件YFN-2的破坏形态图，图 5为试件加载结束后的裂缝展开图。
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图 4 YFN-2破坏形态 Figure 4 Failure model of YFN-2 |
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图 5 各试件加载结束后的裂缝展开图 Figure 5 Crack distribution of specimens at the end of loading |
试件实测的荷载跨中挠度曲线(P-f曲线)如图 6所示，由图 6可知：圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的受力过程可分为3个阶段，即弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段，试件的承载能力随着型钢保护层厚度的增加而减少，增设抗剪键可以提升试件的承载能力，但提升幅度不是很大。
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图 6 试件荷载跨中挠度曲线 Figure 6 Curves of load-deflection at mid span of specimens |
将图 6所测的P-f曲线进行归纳汇总，可以得到如图 7所示的圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的典型P-f曲线形状图。由图 7可知，圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的破坏机理为：试件在荷载作用的初期阶段(oa段)，试件的P-f曲线基本呈线性变化，这主要是由于圆形孔蜂窝型钢能较好地抑制混凝土裂缝的发展，从而使得试件的刚度变化不大；到达a点后，圆形孔蜂窝型钢下翼缘开始屈服，弯曲裂缝开始向梁顶发展，挠度增长速率加快，但此时荷载仍有所增加；到达峰值荷载(b点)后，受压区混凝土压溃，试件破坏。
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图 7 典型的P-f曲线形状图 Figure 7 Typical P-f curve shape figure |
表 2为试件的开裂、屈服、峰值荷载实测值，其中屈服荷载的计算采用R Park法[10]。
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表 2 试件的开裂、屈服、峰值荷载实测值 Table 2 Measured crack, yield and bearing load value |
由表 2可知：圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的开裂荷载在峰值荷载的0.19~0.20之间，说明试件没有出现过早开裂；屈服荷载在峰值荷载的0.77~0.85之间，说明试件在屈服后依然有着较高程度的安全储备。下面对其承载能力的影响因素进行详细分析。
1) 有无抗剪键
图 8为试件在有无抗剪键时的承载能力对比图。由图 8可知，相比于YFN-1，YFY-1的屈服荷载提升了5.33%，峰值荷载提升了2.23%，相比于YFN-2，YFY-2的屈服荷载提升了2.07%，峰值荷载提升了1.45%。由此可知：在圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁中增设抗剪键可以提升试件的承载能力，但提升幅度较小。
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图 8 抗剪连接键对试件承载能力影响 Figure 8 Bearing capacity of specimens with different shear connection method |
2) 型钢保护层厚度
图 9为圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁在不同型钢保护层厚度时的承载能力对比图。由图 9可知：相比于YFN-1，YFN-2的屈服荷载、峰值荷载分别下降了5.60%、8.6%，相比于YFY-1，YFY-2的屈服荷载、峰值荷载分别下降了8.52%、9.30%，由此可知：在圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁中，随着型钢保护层厚度的增加，试件的承载能力会逐渐下降，这主要是因为当圆形孔蜂窝型钢偏于梁底时能够充分发挥钢材的抗拉性能及高强混凝土的抗压性能，减缓裂缝的发展，从而提升了梁的承载能力。因此，圆形孔蜂窝型钢保护层厚度对梁的承载能力影响较大，适当的蜂窝型钢保护层厚度可以有效提升梁的承载能力。
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图 9 型钢保护层厚度对试件承载能力影响 Figure 9 Bearing capacity of specimens with different protective layer thickness |
采用延性系数u来衡量试件的变形性能，u=Δu/Δy，其中Δu表示试件在破坏荷载时对应的破坏挠度值，按照相关规定[8]，破坏荷载取峰值荷载Pm下降到85%时的荷载，Δy表示试件的屈服挠度，即屈服荷载Py对应的挠度值，表 3为试件实测的屈服挠度、破坏挠度及延性系数。
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表 3 试件实测的屈服挠度、破坏挠度及延性系数 Table 3 Measured yield deflection, extreme deflection and ductility coefficient of specimens |
由表可知：圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的延性系数在2.39~3.78之间，表现出了良好的延性性能；与此同时，《钢骨混凝土结构技术规程》[11]及《混凝土结构设计规范》[12]均规定，对于计算跨度l0小于7 m的梁，其挠度限值为l0/200，对试验而言，梁的计算跨度为1 800 mm，即挠度限值为9 mm，4根试验梁在破坏时的挠度均在14 mm以上，远大于规范规定限值，表现出了良好的变形性能。下面对其延性系数的影响因素进行详细分析。
1) 有无抗剪键
图 10为试件在有无抗剪键时的延性系数对比关系，由图 10可知：相对于YFN-1，YFY-1的延性系数提升了9.20%，相对于YFN-2，YFY-2的延性系数提升了32.16%，由此可知，增设抗剪键可以提升圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的延性性能。
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图 10 抗剪键对试件延性系数的影响 Figure 10 Ductility coefficient of specimens with different shear connection method |
2) 型钢保护层厚度图 11为试件在不同型钢保护层厚度时的延性系数对比图，由图 11可知：相对于YFN-1，YFN-2的延性系数提升了19.67%，相对于YFY-1，YFY-2的延性系数提升了44.06%，由此可知：在圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁中，试件的延性系数随着蜂窝型钢保护层厚度的增加而大幅度增加。
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图 11 型钢保护层厚度对试件承载能力影响 Figure 11 Ductility coefficient of specimens with different protective layer thickness |
选用有限元分析软件ABAQUS对试验模型进行验证分析。在模型中，混凝土采用塑性损伤模型，损伤因子的计算方法参考文献[13]，混凝土本构关系采用过镇海本构模型[12]，钢材的本构关系采用二折线本构模型[6-8]；此外，模型没有考虑不同材料之间的粘结滑移效应，钢筋骨架及蜂窝型钢内嵌(embed)于高强混凝土梁内，与此同时，为防止加载点的局部破坏，分别在加载位置及端部支座处设置刚性垫块，垫块与混凝土之间采用绑定(tie)约束，荷载施加在与垫块建立耦合约束的参考点上；整个分析过程分为2个分析步，初始分析步施加边界约束条件，第2分析步则施加竖向荷载，试件的网格划分如图 12所示。
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图 12 试件网格划分 Figure 12 Mesh of specimens |
图 13为试件YFN-1及YFN-2有限元分析结果的破坏形态与试验实际破坏形态的比对图，由图 13可知，有限元分析结果显示混凝土上部跨中处的应力最大，这与试验过程中梁上部跨中混凝土被压碎的现象相吻合。
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图 13 破坏形态比对图 Figure 13 Failure model comparison figures |
图 14为试件YFN-1及YFN-2有限元分析结果的荷载跨中挠度曲线与试验实测荷载跨中挠度曲线的比对图。由图可知：在加载初期，有限元分析曲线与试验实测曲线吻合较好，随着荷载的增加，有限元分析曲线与试验实测曲线开始出现一些差异，主要表现在相同荷载下，有限分析结果的跨中挠度要小于试验实测值，出现这一现象的原因主要是因为实际试件在制作过程中或多或少会产生一些初始缺陷，随着荷载的增加，这些缺陷的影响逐渐凸显出来，而有限元分析试件则是假想的理想试件，没有考虑相关初始缺陷；与此同时，有限元分析时没有考虑型钢与混凝土之间的粘结滑移，而实际上，随着荷载的不断增加，型钢与混凝土之间必然会出现一定的滑移现象，这些不利因素的叠加导致了上述现象的发生。
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图 14 P-f曲线比对图 Figure 14 P-f comparison figures |
由图 14可知，对于YFN 1，其峰值荷载的有限元计算值为388.0 kN，试验实测值为384.8 kN，两者的误差为0.8%，对于YFN 2，其峰值荷载的有限元计算值为394.4 kN，试验实测值为393.4 kN，两者的误差为0.3%，有限元计算值与试验实测值的误差均在1%以内，由此可知，利用ABAQUS对圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的承载能力进行计算是可行的。
综上可知：有限元分析结果和试验实测结果吻合较好，可以利用ABAQUS软件对圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁进行有限元拓展分析。
4 有限元拓展分析为对圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的力学性能作进一步研究，选取型钢强度、混凝土强度2个变化参数对其进行有限元拓展分析。
4.1 型钢强度在试验模型的基础上，设计制作4根不同型钢强度的试件进行有限元拓展分析，型钢的屈服强度分别取为225，275，315，345 MPa，其编号分别设为L-fy-225、L-fy-275、L-fy-315、L-fy-345，试件的有限元计算P-f曲线如图 15所示，试件的承载能力及延性系数如表 4所示。
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图 15 不同型钢强度P-f曲线 Figure 15 P-f curves with different steel strength |
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表 4 不同型钢强度试件的承载能力及延性系数 Table 4 Bearing capacity and ductility coefficient of specimens with different steel strength |
由表 4及图 15可知：型钢强度对试件初始阶段的P-f曲线影响不大，相比于L-fy-225，L-fy-275、L-fy-315、L-fy-345的屈服荷载分别提升了11.0%，19.6%，23.7%，峰值荷载分别提升了5.6%，10.0%，12.4%，而其延性系数则分别下降了2.76%，6.91%，9.91%，由此可知：型钢强度对圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁初始阶段弹性刚度的影响不大，随着型钢强度的增加，试件的承载能力逐渐上升，而其延性系数则会逐渐下降。
4.2 混凝土强度在试验模型的基础之上，设计制作4根不同混凝土强度的试件进行有限元拓展分析，混凝土强度分别取为C40、C50、C60、C70，其编号分别设为L-C40、L-C50、L-C60、L-C70，试件的有限元计算P-f曲线如图 16所示，试件的承载能力及延性系数如表 5所示。
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图 16 不同混凝土强度等级试件的P-f曲线 Figure 16 P-f curves with different concrete strength |
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表 5 不同混凝土强度试件的承载能力及延性系数 Table 5 Bearing capacity and ductility coefficient of specimens with different concrete strength |
由表 5及图 16可知：混凝土强度对试件初始阶段的P-f曲线影响不大，相比于L-C40，L-C50、L-C60、L-C70的屈服荷载分别提升了4.4%，9.2%，13.4%，峰值荷载分别提升了7.7%，14.1%，21.8%，而其延性系数则分别下降了16.18%，34.02%，53.32%，由此可知：混凝土强度对圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁初始阶段弹性刚度的影响不大，随着混凝土强度的增加，试件的承载能力逐渐上升，而其延性系数则会迅速下降。
5 结论1) 圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的受力过程可分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段。
2) 圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁在受力过程中没有过早地出现开裂现象，试件在屈服后依然有着较高程度的安全储备。
3) 圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁在破坏时的挠度值均在14 mm以上，远大于规范规定限值，表现出了良好的变形性能。
4) 在圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁中增设抗剪键可以提升试件的延性，并能提升其承载能力，但提升幅度较小；随着型钢保护层厚度的增加，试件的承载能力会逐渐下降，而其延性则会逐渐上升。
5) 有限元分析结果和试验结果吻合良好，说明有限元模型建立的准确性，在此基础之上进行有限元拓展分析，研究表明：型钢强度及混凝土强度对试件初始阶段的弹性刚度影响不大，随着型钢强度或混凝土强度的增加，试件的承载能力会逐渐上升，而其延性系数则会逐渐下降。
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