陳慶軍 蔡 健 吳 軼 楊 春 梁 劍

(1華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510641)(2華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,廣州 510641)(3廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 510000)(4華南理工大學(xué)建筑學(xué)院,廣州 510641)

文獻(xiàn)[1-3]提出了柱鋼管在節(jié)點(diǎn)間不貫通的思路.該節(jié)點(diǎn)的主要特點(diǎn)是：柱鋼管在節(jié)點(diǎn)區(qū)分離或者在梁位開(kāi)孔,保持樓層框架梁縱筋貫通節(jié)點(diǎn).柱鋼管在節(jié)點(diǎn)區(qū)的不連續(xù)導(dǎo)致其軸向承載力下降,可通過(guò)加大節(jié)點(diǎn)區(qū)截面并配置環(huán)形鋼筋或多層焊接鋼筋網(wǎng)來(lái)加強(qiáng).文獻(xiàn)[1-2]通過(guò) 14個(gè)大尺寸整體試件試驗(yàn)驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)區(qū)柱鋼管不貫通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點(diǎn)的可行性.試驗(yàn)表明,采用多層焊接鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)的方形節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)造形式及采用多重環(huán)形鋼筋增強(qiáng)的圓形節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)造形式,均能保證節(jié)點(diǎn)區(qū)承載力高于鋼管柱的承載力.兩者鋼筋應(yīng)力分布亦較類似.相比之下,采用多重環(huán)向鋼筋約束的試件,在裂縫控制及延性性能等方面略好.鋼管不貫通式節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造形式簡(jiǎn)單,施工方便,與現(xiàn)有普通鋼筋混凝土柱-梁節(jié)點(diǎn)的施工方法類似;同時(shí),新型節(jié)點(diǎn)無(wú)需加強(qiáng)環(huán)、牛腿等鋼構(gòu)件,可降低鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的造價(jià),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

由于上述試驗(yàn)為驗(yàn)證性試驗(yàn),節(jié)點(diǎn)區(qū)尚未達(dá)到其極限承載力.因此,本文通過(guò) 27個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)試件試驗(yàn),對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)概況

如圖 1所示,取局部受壓區(qū)(相當(dāng)于鋼管混凝土柱截面,即節(jié)點(diǎn)核心區(qū))直徑 d=400mm,以非局壓區(qū)寬度 b(即環(huán)梁寬度)、試件高度 h(即環(huán)梁高度)以及非局壓區(qū)的配筋率 ρ(即環(huán)梁配筋率,ρ=As/(bh),其中 As為環(huán)梁的環(huán)筋總面積)作為變化參數(shù),統(tǒng)一采用無(wú)量綱參數(shù)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行描述.令α=b/d,β=h/b.根據(jù)工程常用尺寸,α取 0.35,0.45,0.55;β取 1.0,1.5,2.0;ρ取 1.0%,1.5%,2.0%.試件的命名規(guī)則采用 A 1-B2-S3的表示方法.其中 A 1,A 2,A 3分別表示 α=0.35,0.45,0.55;B 1,B2,B3分別表示 β=1.0,1.5,2.0;S1,S2,S3分別表示 ρ=1.0%,1.5%,2.0%.

圖1 試件參數(shù)

試件具體參數(shù)及配筋如表1所示.環(huán)筋布置為內(nèi)、外 2圈,并按構(gòu)造配置 12個(gè) φ6mm箍筋.綁扎完成后的鋼筋籠如圖 2所示.試件混凝土立方體強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值為 fcu,k=34.14 MPa.試件采用HPB235級(jí)鋼材,鋼筋性能如表 2所示.在中間層的內(nèi)外環(huán)筋設(shè)置應(yīng)變片.

表1 試件參數(shù)表

圖2 鋼筋籠

表2 鋼筋屈服強(qiáng)度

試驗(yàn)采用15MN大型壓力試驗(yàn)機(jī)施加軸向荷載(見(jiàn)圖 3).在試件頂部和底部各加一直徑等于400mm的鋼板,模擬鋼管混凝土柱柱腳.

圖3 試件加載方式

試驗(yàn)開(kāi)始前預(yù)加 50 kN荷載使試件各接觸面緊密后卸載.試驗(yàn)初始階段采用荷載控制方式,加載速度 500 kN/min.在加載后期采用位移控制方式,加載速度 1mm/min.

2 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

試件破壞時(shí),上下表面均存在放射性徑向裂縫,而側(cè)面裂縫則有所區(qū)別.27個(gè)試件的裂縫類型大致分為 3類：圖 4(a)裂縫類型Ⅰ中試件側(cè)面出現(xiàn)貫通豎向裂縫;圖 4(b)裂縫類型Ⅱ中試件側(cè)面出現(xiàn)貫通豎向裂縫與非貫通環(huán)向裂縫;圖 4(c)裂縫類型Ⅲ中試件側(cè)面出現(xiàn)貫通豎向裂縫與貫通環(huán)向裂縫.

圖4 環(huán)梁側(cè)面裂縫

以 A 1-B2系列 3個(gè)試件為例簡(jiǎn)單闡述其過(guò)程.

1)A 1-B2-S1試件破壞裂縫圖如圖 4(a)所示.荷載 3.0 MN時(shí),在試件外側(cè)上部出現(xiàn)一條豎向裂縫;4.2 MN時(shí),內(nèi)環(huán)鋼筋開(kāi)始屈服;4.6 MN時(shí),外環(huán)鋼筋開(kāi)始屈服;7.9 MN時(shí),荷載-位移曲線開(kāi)始轉(zhuǎn)向水平,試件裂縫已非常大,停止加載.試件破壞時(shí),多條豎向裂縫貫通試件側(cè)面,同時(shí)試件上下表面有輻射狀裂縫與之相連.

2)A 1-B 2-S2試件破壞裂縫如圖 4(b)所示.荷載 1.5 MN時(shí),在試件外側(cè)底部同時(shí)出現(xiàn) 6條豎向裂縫;荷載 5.1 MN時(shí),一條豎向裂縫轉(zhuǎn)向水平發(fā)展,成為環(huán)向裂縫;荷載 9.2 MN時(shí),有環(huán)向鋼筋被拉斷,停止試驗(yàn).試件破壞時(shí),側(cè)面除豎向裂縫外、還出現(xiàn)了若干不貫通的環(huán)向裂縫,將試件側(cè)面分割成若干小塊.

3)A 1-B 2-S3試件破壞裂縫如圖 4(c)所示.荷載 1.6 MN時(shí),在試件外側(cè)底部出現(xiàn)豎向裂縫;3.0MN時(shí),鋼筋應(yīng)變記錄儀顯示內(nèi)環(huán)鋼筋開(kāi)始屈服;荷載 5.2MN時(shí),試件側(cè)面出現(xiàn)水平環(huán)向裂縫;荷載 8.6 MN時(shí),環(huán)向裂縫基本貫通;荷載達(dá)到9.84MN時(shí)停止試驗(yàn).

將試件破壞時(shí)的裂縫類型按參數(shù) α,β,ρ進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表 3),裂縫最終形態(tài)的分布較有規(guī)律.按照 β分為 3個(gè)區(qū)：β=1.0時(shí),僅表現(xiàn)為裂縫類型Ⅰ;β=2.0時(shí),僅表現(xiàn)為裂縫類型Ⅲ;而在 β=1.5的區(qū)域,有一個(gè)試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅰ,4個(gè)試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅱ,4個(gè)試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅲ.可見(jiàn) β=1.5是一個(gè)過(guò)渡區(qū)域,而裂縫類型Ⅱ可以視為裂縫類型Ⅰ,Ⅲ的過(guò)渡形式,且隨環(huán)向鋼筋配筋率的增大而由裂縫類型Ⅰ向裂縫類型Ⅲ發(fā)展.

根據(jù)以上分析,具有較大 β的試件,裂縫出現(xiàn)較遲,發(fā)展較緩慢,節(jié)點(diǎn)正常工作范圍較大,而且會(huì)在試件側(cè)面出現(xiàn)水平環(huán)向裂縫,β是影響試件受荷工作性能的重要參數(shù).本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),寬度系數(shù) α對(duì)試件的開(kāi)裂及最終形態(tài)的影響不明顯.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線

取等效應(yīng)力 σ為荷載和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)面積之比,以 A 1系列為例繪制出等效應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線(見(jiàn)圖 5).由圖 5可見(jiàn),試件高度系數(shù)最小的A1-B1系列在受荷后期仍然沒(méi)有承載力下降的趨勢(shì).A 1-B1系列試件的截面高度比局壓區(qū)尺寸小得多,豎向壓應(yīng)力基本上是直線傳遞,同時(shí)局壓區(qū)受壓后的橫向膨脹受到了外圍混凝土及鋼筋的約束.由于受壓微柱既受到外圍的約束,也具有較低的計(jì)算長(zhǎng)度,因而不容易失穩(wěn),承載力極高.而 A 1-B 2,A1-B3系列等絕對(duì)高度較低的試件,也體現(xiàn)出較高的承載力和較好的延性,在達(dá)到相當(dāng)于普通混凝土的受壓峰值應(yīng)變 0.002之后,仍然保持平緩甚至上升的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,表明環(huán)筋的約束作用提高了混凝土的極限壓應(yīng)變.這種約束作用同時(shí)也使核心混凝土的峰值應(yīng)力要高于普通混凝土的軸壓強(qiáng)度,幾乎所有試件的峰值應(yīng)力均達(dá)到 40 MPa以上,甚至高于混凝土試件的實(shí)測(cè)立方體強(qiáng)度平均值.

3.2 極限承載力

將 27個(gè)試件的開(kāi)裂荷載、裂縫寬度為 0.2和0.3mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載、內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼筋屈服荷載以及極限荷載進(jìn)行整理(見(jiàn)表 4,其中,Ncr為開(kāi)裂荷載;N0.2為裂縫寬度 0.2mm時(shí)對(duì)應(yīng)荷載;N0.3為裂縫寬度 0.3mm時(shí)對(duì)應(yīng)荷載;Ny1為內(nèi)環(huán)開(kāi)裂荷載;Ny2為外環(huán)開(kāi)裂荷載;Nu為極限荷載).繪制出3個(gè)參數(shù) α,β,ρ對(duì)極限荷載的影響(見(jiàn)圖 6).結(jié)合圖 6和表 4,可以得到如下規(guī)律：

1)高度系數(shù) β對(duì)于試件荷載的影響是最大的,其影響呈非線性關(guān)系,隨著 β的減小,荷載的增高呈加快的趨勢(shì).

圖5 等效 σ-ε曲線

表4 試件各項(xiàng)荷載及破壞類型

2)配筋率 ρ對(duì)于試件荷載有一定影響,隨著 ρ的增大,試件荷載呈增大趨勢(shì),其增大量有隨 ρ的增大而變緩的趨勢(shì).

3)寬度系數(shù) α對(duì)于試件荷載有一定影響,隨著α的增大,試件荷載呈下降趨勢(shì),這個(gè)趨勢(shì)在 β值較小時(shí)較明顯.由于 α=b/d,β=h/b,所以當(dāng) α增大時(shí),高度也同時(shí)增加,而高度對(duì)試件荷載的影響較大,因而不能斷定隨著環(huán)梁寬度的增大,試件荷載是否下降.定義 β1=h/d,繪制圖 7所示曲面擬合圖形,可見(jiàn)在絕對(duì)高度相等(即 β1相等)的大部分情況下,并非隨著寬度系數(shù)α的增大,極限荷載一定會(huì)下降.寬度系數(shù) α對(duì)荷載的影響程度弱于 β的影響.

3.3 初裂荷載

Ncr/Nu與參數(shù) α,β和 ρ的關(guān)系如圖 8(a)、(b)、(c)所示 .

1)相對(duì)開(kāi)裂荷載因子 Ncr/Nu介于 0.05～0.45之間.

2)高度系數(shù) β對(duì) Ncr/Nu影響較大.β=1.0時(shí),Ncr/Nu介于 0.1～0.2之間;β=1.5時(shí),Ncr/Nu介于 0.15～0.35之間;β=2.0時(shí),Ncr/Nu介于0.30～0.45之間.隨著 β的增大,Ncr/Nu增大.

3)α對(duì)Ncr/Nu有一定的影響,隨著 α的增大,Ncr/Nu略有增大的趨勢(shì).

圖6 極限荷載與影響因素

圖7 極限荷載與 α,β1關(guān)系

圖8 荷載相對(duì)值與 α,β關(guān)系

4)配筋率 ρ對(duì) Ncr/Nu的影響不明顯,這是由于混凝土達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)變時(shí),與之相鄰的環(huán)向鋼筋應(yīng)變?nèi)蕴幱谳^低的應(yīng)力水平,無(wú)法對(duì)混凝土的開(kāi)裂造成太大的影響.因此試件的開(kāi)裂荷載主要和試件的幾何尺寸有關(guān).

3.4 裂縫寬度 0.2mm時(shí)對(duì)應(yīng)荷載

N0.2/Nu與參數(shù) α,β和 ρ的關(guān)系如圖 8(d)、(e)、(f)所示 .

1)N0.2/Nu為 0.12～0.77,表明不同的試件之間裂縫發(fā)展速度差異較大.

2)當(dāng)試件的 β相同,僅 α或者 ρ不同時(shí),各數(shù)值接近,表明 α或者 ρ對(duì)試件裂縫發(fā)展影響不大.

3)對(duì)于大部分試件而言,β=1.0時(shí),N0.2/Nu介于 0.2～0.3之間;β=1.5時(shí),N0.2/Nu介于 0.35～0.55之間;β=2.0時(shí),N0.2/Nu介于 0.55～0.75之間.可見(jiàn),β對(duì)于 N0.2/Nu影響較大,隨 β的加大,相對(duì)于極限荷載,不僅裂縫產(chǎn)生推遲,裂縫的發(fā)展也延緩,結(jié)構(gòu)處于正常工作的受荷范圍擴(kuò)大.

3.5 環(huán)筋屈服時(shí)對(duì)應(yīng)荷載

試件的荷載-環(huán)筋應(yīng)變曲線如圖 9所示.試驗(yàn)開(kāi)始后,在軸向壓力 P作用下,核心受壓區(qū)壓縮并有沿水平向外膨脹的趨勢(shì),使環(huán)梁受拉,該拉力由混凝土及環(huán)向鋼筋共同承擔(dān).內(nèi)外環(huán)鋼筋先后受拉,同一荷載下內(nèi)環(huán)鋼筋拉應(yīng)變較外環(huán)鋼筋的大.到加載后期,內(nèi)外環(huán)筋先后屈服.

Ny1/Nu,Ny2/Nu與參數(shù) α,β,ρ的關(guān)系如圖 8(g)、(l)所示.可見(jiàn),環(huán)向鋼筋在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限荷載前均已屈服,為極限荷載的 16%～93%.但 Ny1,Ny2都比相應(yīng)的 N0.2大,表明節(jié)點(diǎn)荷載達(dá)到正常工作極限時(shí)鋼筋尚未屈服.與 Ncr及 N0.2兩種情況不同的是,圖 8中 3個(gè)參數(shù)對(duì)于 Ny1,Ny2或 Ny1/Nu,Ny2/Nu的影響均不明顯,沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的規(guī)律.

圖9 A 1-B 1-S1荷載-環(huán)筋應(yīng)變曲線

3.6 試件的受力特點(diǎn)

綜合前面的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析,可見(jiàn)隨著荷載不斷增大,雙重箍筋均由內(nèi)而外逐步達(dá)到屈服強(qiáng)度,局壓區(qū)下的核心混凝土在外圍混凝土環(huán)梁區(qū)和約束環(huán)筋的共同作用下,形成三軸受壓狀態(tài),達(dá)到了較高的荷載.其中高度/直徑越小的超短構(gòu)件有著越高的荷載,這與超短構(gòu)件中受壓失穩(wěn)微柱的計(jì)算長(zhǎng)度較短有關(guān).因此,若要分析本類型試件的極限荷載,必須考慮多重約束混凝土理論、混凝土局壓理論及超短柱等多方面的因素.

環(huán)筋約束混凝土可以提高核心混凝土的強(qiáng)度及變形能力[4-5],而多層約束混凝土除了考慮內(nèi)重的約束效應(yīng)外,尚需考慮外重的約束效應(yīng)[6],可獲得更高的承載能力.局部承壓對(duì)混凝土構(gòu)件的受壓荷載同樣存在影響,如應(yīng)力擴(kuò)散、外圍混凝土約束等[7-9].本文試件與常規(guī)局壓試件的不同之處在于：節(jié)點(diǎn)高度較小,沒(méi)有形成普通局部受壓時(shí)所形成的完整的沖切錐體.近期的分析計(jì)算表明,在局部承壓理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)約束混凝土理論——多重箍筋對(duì)內(nèi)核混凝土的約束力逐重疊加的思想,引入節(jié)點(diǎn)高度系數(shù)并考慮超短構(gòu)件的影響,建立的節(jié)點(diǎn)軸壓荷載計(jì)算公式與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.

4 結(jié)論

1)試件在軸向試驗(yàn)中體現(xiàn)出較高的荷載和較好的延性.

2)破壞時(shí)裂縫形態(tài)分為 3種：試件側(cè)面只出現(xiàn)貫通豎向裂縫的類型Ⅰ,試件側(cè)面出現(xiàn)貫通縱向裂縫與非貫通環(huán)向裂縫的類型Ⅱ,試件側(cè)面出現(xiàn)貫通豎向裂縫與貫通環(huán)向裂縫的類型Ⅲ.隨環(huán)向鋼筋配筋率 ρ的增大,試件的裂縫形態(tài)由類型Ⅰ向類型Ⅲ發(fā)展.

3)高度系數(shù) β對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載的影響是最大的,其影響呈非線性關(guān)系,隨著 β的減小,荷載的增高呈加快的趨勢(shì).配筋率 ρ對(duì)于試件荷載有一定影響,隨著 ρ的增大,荷載呈增大趨勢(shì),其增大量有隨ρ的增大而變緩的趨勢(shì).寬度系數(shù) α對(duì)于試件荷載有一定影響,但影響不太明顯.

4)高度系數(shù) β對(duì)于試件的相對(duì)開(kāi)裂荷載因子Ncr/Nu影響較大,隨著 β的增大,Ncr/Nu增大.α對(duì)Ncr/Nu有一定的影響,隨著 α的增大,Ncr/Nu略有增大的趨勢(shì).配筋率 ρ對(duì)于 Ncr/Nu的影響不明顯.

5)隨著 β的加大,試件的裂縫產(chǎn)生推遲,裂縫的發(fā)展也延緩,正常工作的受荷范圍擴(kuò)大.

6)試件的外環(huán)筋均遲于內(nèi)環(huán)筋屈服,環(huán)向鋼筋的屈服荷載 Ny1,Ny2都比相應(yīng)的 N0.2大而小于節(jié)點(diǎn)的極限荷載.

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