型钢混凝土受弯构件变形和裂缝分析

摘要：在进行型钢混凝土受弯构件变形以及裂缝分析过程中，其计算方法对构件使用环节中的性能起到决定性的作用。当前，我国针对变形以及裂缝的计算研究尚显不足，本文针对型钢混凝土受弯构件相关问题进行分析。变形计算主要从受弯结构的两个部分进行分析，即当型钢与混凝土之间出现完全粘结情况下的变形计算，另外，则是当出现相对滑移情况下对构件附加曲率进行的变形计算。裂缝宽度计算，则是按照粘结滑移理论对其裂缝宽度情况进行计算。

关键词：型钢混凝土 受弯构件 粘结滑移 变形裂缝

中图分类号：TV331文献标识码： A

型钢混凝土构件主要是一种在钢筋混凝土结构中放置型钢的一种设计结构。该结构通过结合型钢、钢筋以及混凝土这三种建筑材料，综合发挥其优势特点，共同抵抗所受到的外部作用，具有重要建筑工程施工价值。在施工过程中，主要是通过应用混凝土结构对型钢以及钢筋进行全面的包合，使其钢筋骨架形成一种外在保护，这种结构就被称为是型钢混凝土结构。受弯构件配钢形式主要包括两种，一种为实腹式型钢，另一种为空腹式型钢。实腹式型钢主要有工字钢、槽钢和H型钢等,空腹式一般是用由角钢构成的空间析架式骨架。在实腹式构件中,为防止混凝土的局部剥落和加强核心混凝土的约束作用,以及抵抗温度、收缩等引起的变形,在外包混凝土中要布放箍筋和部分纵筋。在空腹式配钢的构件中,可以不设纵向钢筋与横向箍筋。

1型钢混凝土受弯构件变形计算

1.1型钢混凝土受弯构件变形特点

本文根据已有相关数据资料以及本文作者经过ANSYS软件计算获得的型钢混凝土分析结果发现，荷载、挠度表示在成曲线方式时，结构变形可分成三个部分。结构出现开裂前，型钢、钢筋与混凝土结构之间作用出现弹性变形特点。发生开裂过程中变形曲线则呈现出曲折情况，直到使用之后，其结构中的型钢与钢筋会出现变形情况[1]。使用阶段后期至梁破坏,由于钢筋和型钢下翼缘屈服,型钢与混凝土之间产生较大的相对滑移,使得变形急剧增大,曲线开始明显弯曲。但由于型钢腹板及上翼缘还未屈服,所以构件承载能力随挠度的增大而继续增加,直至构件最后因受压区混凝土压碎而告破坏。

1.2型钢混凝土受弯构件变形计算

型钢混凝土受弯构件变形从内容上划分为两个部分，其中一种是在进行结构构成过程中型钢与混凝土之间共同作用形成变形，另外一种是发生滑移过程中形成的附加式变形结构。型钢结构总变形则是两种情况的叠加，本文中主要针对实腹式型钢变形结构进行简要论述。

1.2.1型钢―混凝土结构发生完全粘连的变形计算

1）型钢混凝土受弯构件变形刚度与曲率

在不对型钢以及混凝土结构中的粘连滑移予以考虑的情况下，两者发生完全粘连，则会出现共同变形的情况。故此，量测区段中的截面平均应变情况如下图1.

图1 平截面应变

因此，在进行平截面的计算变形过程中其应当充分依据材料力学原理，对其曲率与刚度关系见式（1）：

式（1）

已知曲率可求出刚度。又按照平截面假定,残曲率生见式（2）:

式（2）

2)型钢混凝土受弯构件变形曲度计算

合理的应力(应变)图形见式（3）。

式（3）

2、型钢混凝土受弯构件裂缝宽度计算

2.1.裂缝产生与分布情况

型钢混凝土结构的裂缝发生与分布特点与钢筋混凝土结构基本一致，在形成裂缝的过程中最先出现在纯弯段部分，这主要是由于该位置的混凝土结构强度最弱[2]。混凝土结构中当抗拉强度出现多截面的减弱时，会形成多条第一批裂缝。型钢混凝土结构出现开裂后，裂缝截面段的拉应力会下降到最低点，这时候的钢筋与型钢的应力情况会恢复。裂缝形成够的配钢钢筋比值较大，裂缝形成后的应力提升水平相对较低。而在受到张拉力情况下的混凝土开裂则会出现裂缝向两侧出现回缩情况。造成这种情况的主要原因是型钢与钢筋对其进行包裹的混凝土之间出现了粘结力下降的情况造成的，也会影响到混凝土回缩受到影响。裂缝阶段距离之间逐渐增大也会造成回缩减小，而随着离裂缝截面距离的增大,回缩也会逐渐减小。沿着截面高度方向上混凝土的回缩是不均匀的[3]。型钢与混凝土之间的粘结度相对于钢筋与混凝土之间的粘结强度要小一些,但型钢与混凝土的接触面积比较大,因而型钢和钢筋一样对靠近它表面的馄凝土约束作用较强。所以靠近型钢和钢筋的混凝土的回缩量小一些,而混凝土较为自由,回缩量大一些。当荷载继续增加时,由于混凝土的回缩和钢筋、型钢下翼缘的受创伸长,在其他一些较弱截面处会继续出现新的裂缝。

2.2裂缝特点

1)当型钢混凝受弯构件出现裂缝时，其一定会出现在一定的高度上，而其高度的范围主要在型钢下翼缘左近。一旦裂缝开裂程度发展到了下翼缘水平处的时候，这种开裂会受到型钢的制约，裂缝的纵深度与宽度便不会进一步扩大。这时候就是裂缝的“停滞期”。这种情况一般会持续到型钢和钢筋发生屈服之前。

2)型钢结构裂缝一般会最先出现在纯弯段，之后会在剪跨段逐渐形成。纯弯段的裂缝基本出齐,直到构件破坏时,均表现为一致的竖向裂缝。剪跨段一般先出现竖向的短小裂缝,加载到一定阶段则逐渐发展成指向加载点的斜向裂缝,剪跨比越小,这种现象愈明显[4]。

3)型钢混凝土受弯构件出现裂缝的平均裂度与钢筋混凝土结构相比其裂缝跨度较小。形成这种情况的主要原因在于型钢存在部分混凝土约束性，因而使混凝土开裂所需的粘结力的传递需要更大的长度。

2.3裂缝宽度计算

受弯构件裂缝即将出现时,截面上应力状态所示,混凝土拉应力达到抗拉剧变。这时由于混凝土塑性的发展,除靠近中和轴附近的拉应力图形呈曲线外,其余部分大致呈矩形。但混凝压应力对其抗压强度而言较小,因此压应力图形近下以的呈三角形。当发生裂缝前的截面发生裂缝前的截面应力，其弹性模量的值非定值。在裂缝即将出现时,受拉混凝土发挥较大的塑性,这时其弹塑性模量E约降低至弹性模量的一半。其计算公式见式（4）：

式（4）

式中: ―按型钢与混凝土完全粘结计算的梁跨中挠度;

―系数,

―梁的计算跨度。

3结语

综上所述，本文针对型钢混凝土梁发生变形以及裂缝情况的计算内容进行分析，并在此基础上建立了如何对其变形以及裂缝宽度情况计算的公式内容。型钢发生变形以及裂缝的主要原因包括两个方面。滑移效应会造成构件的变形程度加大，裂缝的宽度也会因此而增加，而粘结滑移度型钢以及混凝土结构变化具有重要影响。及西宁相关变形以及裂缝宽度的计算公式研究，能有效的改善上述中提到的问题，促进工程建筑施工的安全建设。

参考文献：

[1]杨勇，赵鸿铁，薛建阳，等.型钢混凝土粘结滑移力学性能研究综述分析[J].西安建筑科

技大学学报,bl.34,NoZ,103-108,2010(2).

[2]宋玉普，赵国藩.钢筋与混凝土间粘结应力一滑移关系的应力变分模型[J].大连理工大

学学报,VoL34,No.1,59-67,2010.

[3]王连广,李立新,梁玉君,等.钢骨混凝土受弯构件非线性全过程分析[J]沈阳建筑工程学院学报,Vol.17,No.2,91-93,2011.

[4]Chen jing, a Cai Guozhong compiled, computer. to engineering analysis is a guide used ANSYS, Beijing: China railway publishing house, 2010，（03）.