不同洞口补强方法影响受力性能

为了分析不同洞口补强方法对负弯矩区组合梁受力性能的影响，我们对上述6种补强方式的组合梁进行了非线性有限元计算，找出较为有效的补强措施。

1）承载力和变形能力对比

如图6.4所示为不同洞口补强方式下负弯矩区组合梁的荷载-挠度曲线，对应的极限荷载及挠度值见表6.3。从计算结果中可以看出：

①在洞口区设置不同的加劲肋进行补强后，负弯矩区腹板开洞组合梁的极限承载力都有不同程度的提高，幅度为8%～59%；在6种补强方法中，V形加劲肋的补强效果最好，承载力比没有补强措施的提高了59%；井字形加劲肋和U形加劲肋的提高幅度也较大，为53%～55%，补强效果显著；三侧加劲肋和上下横向加劲肋的提高幅度为29%～41%，补强效果较好；双侧竖向加劲肋的承载力仅提高了8%，补强效果最不明显。

图6.4　不同洞口补强方法下负弯矩区组合梁荷载-挠度曲线

②在洞口区设置加劲肋进行补强后，对负弯矩区腹板开洞组合梁的变形能力有较大的影响，提高程度各不相同（7%～45%）；其中，井字形加劲肋的变形能力提高了45%，组合梁延性较好，U形加劲肋的变形能力次之，提高幅度为32%；V字形加劲肋、三侧加劲肋和上下横向加劲肋的变形能力相差不大（22%～27%）；双侧竖向加劲肋变形能力最差，仅提高了7%。

表6.3　不同洞口补强方法的负弯矩区组合梁极限荷载与挠度值对比

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2）抗剪性能对比

从本书试验结果和有限元分析中看出：负弯矩区无洞组合梁的剪力大部分由钢梁腹板承担（74.5%），但在腹板开洞以后，大部分剪力只能转移到洞口上方的混凝土板内，此时混凝土板要承担大部分剪力（82.3%～90.2%）；对于负弯矩区腹板开洞组合梁而言，通过增加混凝土翼板厚度可以有效提高其抗剪承载力，而在洞口设置补强板会对抗剪性能产生怎样的影响？因此还需要分析不同洞口补强方法对负弯矩区组合梁抗剪承载力的影响程度。

不同洞口补强方法下负弯矩区腹板开洞组合梁洞口截面的剪力分担情况见表6.4，对应的洞口处钢梁和混凝土板的剪力占截面总剪力的比例如图6.5所示。

表6.4　不同补强方法下负弯矩区组合梁的洞口截面剪力分担情况

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注：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6.5　不同补强方法的洞口各截面承担剪力比例

从结果中可以看出：

①当洞口设置双侧竖向加劲肋时，各截面的剪力分担情况变化不大，可见两侧竖向加劲肋对抗剪承载力的影响较小；洞口设置三侧加劲肋时，洞口区混凝土板截面承担的剪力比重有所下降（66.45%），洞口下方钢梁承担的剪力比重显著增加（22.48%），洞口设置上下横向加劲肋时，洞口区混凝土板截面承担的剪力比重下降（60.72%），洞口上、下方的钢梁承担的剪力比重明显增加（19.53%、19.75%），与设置三侧加劲肋的情况相比，剪力在钢梁截面的分布更为均匀，说明在洞口上下设置横向加劲肋使得钢梁部分承担的剪力增加，对抗剪承载力是有利的。

②当洞口设置V形加劲肋时，钢梁部分承担的剪力提高很大，比重达到了54.98%，设置U形加劲肋和井字形加劲肋的情况，钢梁部分承担的剪力比重提高也比较大，达到了49.24%和44.56%，可见这3种洞口补强方法对负弯矩区腹板开洞组合梁的抗剪性能都是有利的，可以较好地补充开洞造成的抗剪承载力损失，其中V形加劲肋的效果最好。

3）挠曲变形对比

试验和有限元结果都表明，负弯矩作用下的组合梁腹板开洞后，刚度急剧下降，洞口处发生了明显的剪切变形，挠度显著增加，洞口处挠度曲线发生突变，组合梁整体变形增加。当在洞口设置加劲肋后，相应的开洞组合梁挠度曲线会发生怎样的改变，对洞口区变形突变会有多少缓解？对此，选择了上述补强方法中效果最为明显的3种方式（井字形加劲肋，V形加劲肋和U形加劲肋），对其在不同荷载阶段的整体变形进行了分析，并与没有补强措施的组合梁进行了对比，对应的挠度分布曲线如图6.6所示。

图6.6　不同洞口补强方法的组合梁挠度分布曲线对比

从图6.6中可以看出：与洞口无补强措施的组合梁相比，补强后的3个组合梁的变形能力都明显增加；洞口无补强措施的组合梁洞口区域的变形有明显剪切变形特征，井字形加劲肋的组合梁在荷载作用初期洞口区的剪切变形并不明显，在0.75Pu～1.00Pu荷载段时，则表现出一定的剪切变形特征；对于V形加劲肋和U形加劲肋的组合梁，挠度变形在各荷载阶段都比较均匀，在达到极限荷载以前，洞口区没有出现明显的突变，主要以弯曲变形为主，在进入塑性发展阶段后，组合梁挠度增加则较为明显，极限挠度出现在受力最大点处（加载点），说明这两种补强方法可以有效补充开洞负弯矩区组合梁造成的刚度损失。

4）补强效果对比

通过对上述6种洞口补强方法的分析可以看出：传统的井字形加劲肋可以有效提高负弯矩作用下腹板开洞组合梁的承载力和变形能力，此外，本书提出的两种新的洞口补强方法，V形加劲肋和U形加劲肋也展现了很好的补强效果，对承载力的提高程度也要高于井字形加劲肋，原因在于这两种补强方法可以在洞口区域形成一种类似桁架结构的拉-压杆模型体系，V形或U形加劲肋起到了斜腹杆的作用，洞口上方截面和下方截面部分则起到了拉杆和压杆的作用，根据桁架理论可知，这样的传力机制明确，受力模式也更为合理。