负弯矩区组合梁腹板开洞试验及理论研究

1）截面所承担的剪力

对于一般的钢-混凝土组合梁构件，我国《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[97]、国外AISC规范[98]以及EC4规范[99]等都规定了不考虑混凝土板对组合梁竖向抗剪承载力的贡献，认为全部竖向剪力仅由钢梁承担，已有的试验研究[94-96]则表明无论是正弯矩区或负弯矩区的组合梁，其混凝土板对抗剪承载力的贡献都不能忽略。已有的对正弯矩区腹板开洞组合梁的研究[90]也表明，由于开洞使钢梁腹板面积缺失，刚度下降，洞口上方混凝土板承担的剪力会相应增加，那么负弯矩区的组合梁在腹板开洞后其截面剪力承担情况又会如何变化？

为了分析负弯矩区腹板开洞组合梁各部分截面承担剪力的情况，根据试验应变数据，通过2.4节的计算方法得到了对应的剪力值，见表2.7。试验结果表明：对于负弯矩区的无洞组合梁试件SCB-1，钢梁承担了截面总剪力的74.5%，混凝土板则承担了25.5%，可见虽然无洞组合梁截面上大部分剪力由钢梁承担，但是混凝土板也对抗剪有不可忽略的贡献。对于负弯矩区的腹板开洞组合梁试件SCB-2～SCB-6，洞口上方混凝土板承担的剪力达到了截面总剪力的82.3%～90.2%，上部和下部钢梁截面承担的剪力仅有3.1%～13%。可见，目前国内外相关规范没有考虑混凝土板对抗剪承载力的贡献是比较保守的，并未充分利用材料强度，相关规范已不适用于指导负弯矩区的腹板开洞组合梁的设计。

表2.7　负弯矩区洞口各部分截面承担的剪力

注：hc为混凝土板厚度；ρ为纵向钢筋配筋率；Pu为极限荷载；V为截面总剪力；Vc为混凝土板剪力；
Vs为洞口上钢梁截面剪力；Vb为洞口下钢梁截面剪力。

图2.38所示为各组合梁试件洞口区截面的混凝土板和钢梁截面承担剪力的百分比，对于腹板开洞组合梁试件，钢梁部分又划分为洞口上钢梁截面和洞口下钢梁截面。试验结果表明：对于无洞组合梁试件SCB-1，钢梁部分承担了总剪力的82.3%，混凝土板则承担了总剪力的25.5%，可见，负弯矩作用下的组合梁试件其混凝土板对抗剪承载力的贡献是不可忽略的。对于负弯矩作用下的腹板开洞组合梁，其洞口区截面剪力承担有如下特点：

图2.38　负弯矩区组合梁试件洞口区截面承担剪力百分比

①随着混凝土板厚度的依次增加，试件SCB-2、SCB-3、SCB-4的洞口上方混凝土板承担了总剪力的82.3%，86.1%和90.2%，洞口上钢梁截面承担了总剪力的13.1%，9.7%和6.7%，洞口下钢梁截面承担了截面总剪力的4.6%，4.2%和3.1%，可见，混凝土板厚度变化对其承担的剪力大小有明显影响。

②随着混凝土板配筋率依次提高，试件SCB-2、SCB-5、SCB-6的洞口上方混凝土板所承担的总剪力为82.3%，83.1%和84.2%，洞口上钢梁截面承担了总剪力的13.1%，11.7%和11.5%，洞口下钢梁截面承担了截面总剪力的4.6%，5.2%和4.1%，可见，随着配筋率的提高，混凝土板承担的剪力增加幅度很小。(www.xing528.com)

2）正、负弯矩作用下抗剪性能对比

为了对洞口处于正、负弯矩区的组合梁抗剪性能进行比较，将本书相关试验数据与王鹏等[90]进行的正弯矩区试验进行了对比，正弯矩作用下腹板开洞组合梁截面承担剪力见表2.8。

表2.8　正弯矩区洞口各部分截面承担的剪力

注：hc为混凝土板厚度；ρ为纵向钢筋配筋率；Pu为极限荷载；V为截面总剪力；Vc为混凝土板剪力；
Vs为洞口上钢梁截面剪力；Vb为洞口下钢梁截面剪力。

从试验数据中可以看出：在正弯矩作用下，洞口上方的混凝土板承担了截面总剪力的53.6%～59.7%，洞口上钢梁截面承担了截面总剪力的24.0%～31.9%，洞口下钢梁截面则承担了截面总剪力的14.4%～20.2%。图2.39所示为正、负弯矩作用下洞口区截面的剪力分担对比。

图2.39　正、负弯矩作用下洞口区剪力分担对比

从图2.39中可以看出：虽然正弯矩区洞口上方的混凝土板也承担了大部分的截面剪力，但是远没有负弯矩区洞口上方混凝土板承担的剪力所占比重（82.3%～90.2%）大。由此可见，负弯矩作用下洞口上方混凝土板的抗剪性能比正弯矩作用下更为突出，加强混凝土翼板对提高负弯矩区的抗剪承载力和变形能力的效果会更加明显。