一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，包括钢梁和焊接在钢梁上的抗剪连接件，钢梁上浇筑有弹性混凝土板，抗剪连接件置于弹性混凝土板中；其中弹性混凝土板采用弹性混凝土浇筑与养护而成。本发明能够有效防止混凝土板疲劳破坏的发生，并且弹性混凝土强大的变形能力和抗裂性能，能够使其与抗剪连接件变形更加协调，从而有效延长包裹在其内的抗剪连接件的疲劳寿命，同时保证承载能力，简化施工工艺，利于工程推广。
【专利说明】一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁
【技术领域】
[0001]本发明属于钢-混凝土组合梁结构，具体的说，是涉及一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁。
【背景技术】
[0002]由钢梁、钢筋混凝土板和抗剪连接件组成的钢-混凝土组合梁结构在我国发展历史已有90余年，其应用【技术领域】广泛，包括桥梁结构中的城市桥梁、公路桥梁、铁路桥梁、大跨度拱桥、悬索桥和斜拉桥的桥面结构；工业建筑中的多层厂房楼盖、工作平台梁、吊车梁、栈桥以及民用多、高层建筑中的组合楼盖。
[0003]钢-混凝土组合梁的受力特点为下部钢材受拉，上部混凝土受压，其优势为承载力高、稳定性强、耐久性好、方便施工等，但此种组合结构也存在一些不足，即疲劳破坏问题，疲劳断裂属于脆性破坏，使该结构的承载力与耐久性大大降低。通过工程实例发现，以承受反复荷载为主的桥梁及吊车梁结构，其疲劳破坏涉及两个方面:上层混凝土板产生严重的疲劳裂缝和保证钢与混凝土共同工作的抗剪连接件(栓钉)的疲劳破坏。所以，组合梁结构需要在满足其承载力的前提下，着重提高其疲劳性能。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的是传统钢-混凝土组合梁经常发生两种疲劳破坏，即混凝土板疲劳破坏与抗剪连接件疲劳断裂的技术问题，提供了一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，能够有效防止混凝土板疲劳破坏的发生，并且弹性混凝土强大的变形能力和抗裂性能，能够使其与抗剪连接件变形更加协调，从而有效延长包裹在其内的抗剪连接件的疲劳寿命，同时保证承载能力，简化施工工艺，利于工程推广。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现:
[0006]一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，包括钢梁和焊接在所述钢梁上的抗剪连接件，所述钢梁上浇筑有弹性混凝土板，所述抗剪连接件置于所述弹性混凝土板中。
[0007]所述弹性混凝土板采用弹性混凝土，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制
成:
[0008]
橡胶颗粒50-150份
水泥400-590伤
石子704-1230份
砂子412-1004 K
水166-168 份
减水剂5-9份[0009]其中，橡胶颗粒的直径为l_2mm。
[0010]优选地，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制成:
[0011]
橡胶颗粒90-110份
水泥560-590份
石子1200-1230份
砂子412-450份
水166-168 份
减水剂6-8份。
[0012]更为优选地，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制成:
[0013]
橡胶颗粒100份
水泥590份
石子1230份
砂子412份
水168份
减水剂7份。
[0014]本发明的有益效果是:
[0015]本发明的采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，继承了传统钢-混凝土组合梁的优点，通过计算及实验室适配出不同强度的弹性混凝土保证结构的承载力，能有效解决传统组合梁的疲劳破坏问题，从而大大提高组合梁的耐久性。
[0016]一是在混凝土板的疲劳破坏方面:普通混凝土与钢组合梁结构很多是因为混凝土板产生了严重的裂纹以致失效，这是因为普通混凝土是一种脆性材料，其延性和抗疲劳性能较差。而弹性混凝土中的橡胶颗粒可看作均匀分布于混凝土中的微小塑性单元，在受到外力作用时，橡胶颗粒凭借其较强的弹性变形能力进行抵抗，同时间断分布的橡胶颗粒阻碍了混凝土中裂缝的延伸发展和贯通，从而保证了弹性混凝土板的完整性。经过大型通用有限元计算软件Ansys和Abaqus分析以及实验室弹性混凝土抗压强度及应力应变全曲线测试发现，弹性混凝土的极限拉压应变均高于普通混凝土，而且相同荷载下弹性混凝土裂纹出现相对普通混凝土晚，裂纹分布均匀且分散，不存在致命性裂纹，同时通过声发射设备检测发现弹性混凝土有良好的能量耗散功能，损伤演化速度缓慢，而且破坏前是有预兆的，相对于普通混凝土更接近塑性，非常适合用于承受疲劳荷载。
[0017]二是在抗剪连接件的疲劳破坏方面，在组合梁结构中弹性混凝土部分是受压力，相对于普通混凝土的“脆性”，弹性混凝土能承受更大的变形，吸收更多应变能，与钢板以及剪力连接件协同工作，延性好。经过大型通用有限元计算软件Ansys和Abaqus分析以及结构试验同时发现，钢与弹性混凝土之间的滑移量大于钢与普通混凝土之间的滑移量，且前者大约为后者的1.2-1.7倍，即本发明所限定的弹性混凝土柔性更大，与抗剪连接件结合更好。同时通过疲劳试验和有限元分析验证，采用此种弹性混凝土后抗剪连接件的疲劳寿命也大有改善。抗剪连接件能够与此种弹性混凝土发生协同作用，因弹性混凝土裂纹出现较晚，且破坏时能保持完整性，使得相同受力下，当抗剪连接件周围的普通混凝土已经破坏时，而弹性混凝土能继续存活，包裹住抗剪连接件，使抗剪连接件最大受力区域的应力值降低。根据应力幅寿命曲线(S-N)理论，抗剪连接件的疲劳寿命相对于普通混凝土组合梁有所提高，根据试验发现抗剪连接件的寿命能提高1.3-2.0倍，效果显著。
[0018]另外由于采用了本发明所限定的弹性混凝土，组合梁表面的耐磨性能、抗老化性能、抗渗水性、抗冻性能、抗侵蚀能力、抗爆裂性能、吸声性能、热传导性以及耐火性均有提高，这样可以使组合梁表面的混凝土返修率大大降低，并且降低噪音污染；同时实现资源回收利用的一条新途径，减少大量废弃轮胎造成的环境污染；除了在配置混凝土时按比例添加橡胶外，其施工过程并没有增加难度，利于工程推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明所提供的采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁的结构示意图；
[0020]图2是本发明所提供的采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁的截面图。
[0021]图中:1:弹性混凝土板；2:钢梁；3:抗剪连接件。
【具体实施方式】
[0022]下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述:
[0023]以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0024]其中各实施例均选用天津科威橡胶厂生产的橡胶细集料(1-2_直径)；天津水泥厂生产的骆驼牌P.042.5普通硅酸盐水泥。橡胶颗粒和水泥的选用不一定指定上述品牌，橡胶颗粒直径满足要求即可。另外，水泥、砂子、石子和减水剂即为普通工程中采用的材料，没有特殊要求。钢梁和抗剪连接件部分也不存在特殊要求，均为工程中普遍采用的材料。
[0025]实施例1
[0026]如图1和图2所示，采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁主要由三部分组成，分别为弹性混凝土板1，钢梁2以及抗剪连接件3。抗剪连接件3焊接在钢梁2上，钢梁2上面浇筑弹性混凝土形成弹性混凝土板1，使抗剪连接件3置于弹性混凝土中，以保证弹性混凝土与钢梁2协同工作。
[0027]该钢-混凝土组合梁按照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中钢与混凝土组合梁一节中的设计方法进行截面设计以及抗剪栓钉的设计，其承载力计算、挠度验算、抗裂验算以及构造措施须满足现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017-2003)与《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)。
[0028]弹性混凝土板I采用现浇弹性混凝土的方式浇注于已经支好模板并焊好抗剪连接件3的钢梁2上，模板可以采用木模，钢模或是压型钢板。弹性混凝土浇筑与养护的过程要求与普通混凝土一致。
[0029]弹性混凝土是一种把橡胶颗粒作为水泥混凝土的组成材料配置而成的新型混凝土，其中柔性成分主要来源于废旧橡胶制品，以废旧轮胎为主，是一种环境友好型绿色材料，具有强大的耐磨性能、吸声性能、变形能力及抗裂性能，并且相对于普通混凝土疲劳性能显著增强。现有弹性混凝土最大的弱点即为抗压强度和弹性模量相对普通混凝土低。本发明的钢-混凝土组合梁所采用的弹性混凝土抗压强度和弹性模量经过测试均较高，较为接近普通混凝土，而且塌落度较高，适合工程应用。经过应力-应变全曲线实验发现，弹性混凝土的极限拉压应变均高于普通混凝土，而且相同荷载下弹性混凝土裂纹出现相对普通混凝土晚，裂纹分布均匀且分散，不存在致命性裂纹，同时通过声发射设备检测发现弹性混凝土有良好的能量耗散功能，损伤演化速度缓慢，而且破坏前是有预兆的，相对于普通混凝土的脆性更接近塑性，非常适合用于承受疲劳荷载。
[0030]本实施例所采用的弹性混凝土通过水泥、石子、砂子、水、减水剂以及橡胶颗粒通过混凝土搅拌机搅拌而成。通过混凝土立方体抗压试验配制出最优弹性混凝土，按照重量份为橡胶颗粒100份、水泥590份、石子1230份、砂子412份、水168份、减水剂7份，其中橡胶颗粒的直径为l_2mm。
[0031]经过试验测得本实施例所采用弹性混凝土的立方体抗压强度可达46.3MPa，弹性模量为2.183E+4，并且坍落度超过100mm，适合工程应用。
[0032]同时通过组合梁试验以及有限元验证发现，本实施例的钢-混凝土组合梁，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.7倍，即前者的组合能力更强，柔性更大。同时疲劳试验发现采用了该弹性混凝土后，钢-混凝土组合梁的疲劳寿命为普通混凝土组合梁寿命的2.0倍，效果非常明显。
[0033]实施例2
[0034]实施例2与实施例1的不同之处仅在于，所采用弹性混凝土按照重量份由橡胶颗粒50份、水泥400份、石子704份、砂子708份、水167份、减水剂5份组成。
[0035]经过试验测得本实施例所采用弹性混凝土的立方体抗压强度可达45.1MPa,弹性模量为2.790E+4，并且坍落度超过100mm，适合工程应用。
[0036]同时通过组合梁试验以及有限元验证发现，本实施例的钢-混凝土组合梁，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.2倍，即前者的组合能力更强，柔性更大。同时疲劳试验发现采用了该弹性混凝土后，钢-混凝土组合梁的疲劳寿命为普通混凝土组合梁寿命的1.3倍，效果较为明显。
[0037]实施例3
[0038]实施例3与实施例1的不同之处仅在于，所采用弹性混凝土按照重量份由橡胶颗粒150份、水泥495份、石子967份、砂子1004份、水166份、减水剂9份组成。
[0039]经过试验测得本实施例所采用弹性混凝土的立方体抗压强度可达38.5MPa，弹性模量为1.445E+4，并且坍落度为90mm，仍适合工程应用。
[0040]同时通过组合梁试验以及有限元验证发现，本实施例的钢-混凝土组合梁，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.4倍，即前者的组合能力更强，柔性更大。同时疲劳试验发现采用了该弹性混凝土后，钢-混凝土组合梁的疲劳寿命为普通混凝土组合梁寿命的1.7倍，效果明显。
[0041]实施例4
[0042]实施例4与实施例1的不同之处仅在于，所采用弹性混凝土按照重量份由橡胶颗粒90份、水泥560份、石子1200份、砂子431份、水166份、减水剂6份组成。
[0043]经过试验测得本实施例所采用弹性混凝土的立方体抗压强度可达46.0MPa,弹性模量为2.302E+4，并且坍落度超过100mm，适合工程应用。
[0044]同时通过组合梁试验以及有限元验证发现，本实施例的钢-混凝土组合梁，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.6倍，即前者的组合能力更强，柔性更大。同时疲劳试验发现采用了该弹性混凝土后，钢-混凝土组合梁的疲劳寿命为普通混凝土组合梁寿命的1.9倍，效果明显。
[0045]实施例5
[0046]实施例5与实施例1的不同之处仅在于，所采用弹性混凝土按照重量份由橡胶颗粒110份、水泥575份、石子1215份、砂子450份、水167份、减水剂8份组成。
[0047]经过试验测得本实施例所采用弹性混凝土的立方体抗压强度可达43.0MPa,弹性模量为1.901E+4，并且坍落度为100mm，适合工程应用。
[0048]同时通过组合梁试验以及有限元验证发现，本实施例的钢-混凝土组合梁，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.5倍，即前者的组合能力更强，柔性更大。同时疲劳试验发现采用了该弹性混凝土后，钢-混凝土组合梁的疲劳寿命为普通混凝土组合梁寿命的1.8倍，效果明显。
[0049]综合上述实施例发现，五个实施例在不同程度上组合效果均优于普通混凝土与钢组合梁，其中最优的方案为实施例一:重量份为橡胶颗粒100份、水泥590份、石子1230份、砂子412份、水168份、减水剂7份，其钢与弹性混凝土之间的滑移量为钢与普通混凝土之间滑移量的1.7倍，柔性非常大，而且弹性混凝土与钢组合梁的疲劳寿命为普通混凝土与钢组合梁寿命的2.0倍，效果非常明显。
[0050]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，包括钢梁和焊接在所述钢梁上的抗剪连接件，其特征在于，所述钢梁上浇筑有弹性混凝土板，所述抗剪连接件置于所述弹性混凝土板中。
2.根据权利要求1所述的一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述弹性混凝土板采用弹性混凝土，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制成:
3.根据权利要求2所述的一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制成:
4.根据权利要求3所述的一种采用弹性混凝土的钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述弹性混凝土按重量份由以下组分混合制成:
【文档编号】C04B18/22GK103899039SQ201410123679
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】韩庆华, 王一泓, 邢颖, 徐杰, 芦燕 申请人:天津大学