负弯矩区组合梁腹板开洞研究进展

早期对腹板开洞的研究主要针对钢梁，从20世纪60年代开始，国外研究者以试验为基础对腹板开洞钢梁进行了大量研究，例如：Redwood等[64，65]对没有补强措施的腹板开洞钢梁进行了试验研究，并为腹板开洞钢梁的实际设计提出了建议；Cooper等[66]对洞口设置补强板的腹板开洞钢梁进行了试验研究，结果表明，无论是双面还是单面设置，补强板都可以提供足够的刚度。

从20世纪80年代开始，国外开始出现较多关于腹板开洞组合梁的研究，研究对象以正弯矩区的腹板开洞组合梁为主。

1980年，Todd和Cooper等[67]提出了一种简化的针对矩形洞口内力的计算方法，该方法假定腹板开洞组合梁的剪力全部由钢梁承担，由于忽略了混凝土板的抗剪作用，计算结果偏于保守。

1982年，Clawson、Darwin等[68，69]对腹板开洞组合梁进行了试验研究，结果表明，弯矩比对腹板开洞组合梁的破坏模式有很大影响。同时，他们还提出了考虑混凝土抗弯及抗剪作用的承载力计算模型，得到的计算结果比较准确，但计算过程较为复杂。

1983到1984年，Redwood等[70]对腹板开洞简支组合梁进行了试验研究，研究重点包括抗剪连接件的数量和布置方式以及组合作用形成前施工荷载对钢梁的影响等；Clawson、Darwin等提出的M-V相关曲线虽然考虑了混凝土的作用，但是计算不便，在此基础上，Rewood等[71]提出只需确定3个未知量Mm、Vm和M′m就可以确定洞口处的M-V相关曲线，对应曲线如图1.2所示。图中的二次曲线通过（Vm，M′m）和（0，Mm）两点，直线段通过（Vm，M′m）和（Vm，0）两点，M′m为不完全组合作用下组合梁洞口中心截面处的纯弯承载力，Mm为完全组合作用下组合梁洞口中心截面处的纯弯承载力；Vm代表洞口中心截面处的纯剪承载力。

图1.2　洞口剪力-弯矩相关曲线

1988年，Donahey、Darwin等[72]对15根腹板开洞压型钢板组合梁进行了试验研究，研究了栓钉数量及布置、弯矩比、压型钢板厚度等因素对组合梁受力性能的影响，试验表明腹板开洞组合梁的极限承载力与混凝土翼板的破坏形式有关系；同年，Darwin等[73]在Redwood提出的模型基础上完善了弯矩-剪力相关关系，提出了使用三次曲线代替二次曲线，弯剪相关方程如式（1.1）所示，曲线如图1.3所示，点1、点2表示满足设计要求的区域，点3表示不满足设计要求的区域，该曲线计算更为简便，精度也较好。

图1.3　洞口剪力-弯矩相关曲线

式中　Mm——洞口中心截面处的纯弯承载力；

　　　Vm——洞口中心截面处的纯剪承载力；

　　　Mn——洞口中心截面处的设计弯矩值；

　　　Vn——洞口中心截面处的设计剪力值。(www.xing528.com)

Darwin等[74，75]还推荐在具体计算Mm和Vm时乘以一个系数φ进行折减，推荐的折减系数φ取值为0.85，Mm和Vm乘以折减系数φ后弯矩-剪力相关关系表达式变为：

根据洞口位置确定洞口中心处的弯剪比λ=Mn/Vn后，将弯剪比的表达式代入式（1.2）可得：

1989年，Narayanan、Roberts等[76，77]对腹板开洞组合梁的受剪性能进行了试验研究，试验中发现组合梁的混凝土板对抗剪承载力有很大贡献，同时在试验基础上给出了腹板开洞组合梁纯剪承载力的计算方法。

1992年，Cho、Redwood等[78，79]采用理想化的桁架模型对组合梁洞口处的传力机制进行了分析，通过试验发现栓钉除了抗剪外还发挥着抗拔的作用，保证了混凝土翼板可有效参与抗剪作用，可以将栓钉作为桁架模型中的受拉构件，从钢梁上翼缘到栓钉顶部之间的斜向混凝土可作为斜向受压构件，通过该桁架模型可以计算出腹板开大洞口时的组合梁极限承载力。

1996年，Fahmy等[80]对腹板开洞组合梁进行了试验研究，对洞口高度、宽度、偏心等参数与承载力的关系进行了分析。

2000年，Darwin[81]对已有的腹板开洞组合梁的研究成果进行了较为全面的总结，包括腹板开洞组合梁的承载力计算、挠度计算及构造要求等，为实际工程设计提供了参考。Chung等[82]结合了EC4的相关规定，提出了腹板开洞组合梁的简化设计方法，内容较为全面，包括强度、稳定、挠度、构造要求等。Lawson[83]于2011年对其方法和内容进行了完善，推出了腹板开大洞口时的组合梁设计方法。

2003年，Park等[84]通过试验研究了混凝土翼板宽度和弯剪比对腹板开洞组合梁破坏模式及承载力的影响程度，结果表明，混凝土板宽度对其破坏模式有较大影响，板宽较小时容易发生斜拉破坏，板宽较大时容易发生栓钉的拔脱破坏，在试验基础建立了强度模型，取混凝土板抗剪承载力和栓钉抗拔力的较小值作为混凝土板对抗剪的贡献。

从2004年开始，以德国凯泽斯劳滕大学为代表的研究机构对腹板开洞组合梁进行了较多的试验研究[85]，研究不仅包括简支组合梁，还涉及腹板开洞连续组合梁以及腹板开大洞的情况，有些洞口高度甚至接近了腹板的高度，如图1.4所示。

图1.4　腹板开洞组合梁大洞口试验图

2012年，Chung[86]对近年来与腹板开洞组合梁相关的研究成果进行了总结，不仅对用于实际工程的设计方法进行了介绍，而且还通过有限元分析给出了不同参数下的腹板开洞组合梁的弯矩-剪力相关曲线。