王毅紅，胡 靜，薛 源，卜永紅

(1.長安大學建筑工程學院，陜西西安 710061;2.榆林市審計局，陜西榆林 719000)

鋼管混凝土工程應用廣泛，鋼管混凝土節(jié)點性能是影響結構總體性能的重要因素。近年來鋼管混凝土梁柱節(jié)點的研究成果較多。但鋼管混凝土柱和鋼管混凝土基礎連接的柱腳節(jié)點方面的研究較少?，F(xiàn)行相關規(guī)程［1-3］關于柱腳節(jié)點的設計和構造規(guī)定也較少。本文提出一種新型的柱腳節(jié)點，在鋼管混凝土柱外表面貼焊抗剪環(huán)。將貼焊抗剪環(huán)的鋼管柱腳直接固定在綁扎好鋼筋的基礎梁內，鋼管柱腳管內混凝土與基礎梁混凝土同時澆注，使柱腳和基礎形成一體。節(jié)點構造簡單，施工方便。通過縮尺模型試驗，研究鋼管混凝土柱埋入鋼筋混凝土條形基礎的柱腳節(jié)點受力性能。驗證該柱腳節(jié)點構造的合理性，研究設置抗剪環(huán)后，柱腳節(jié)點在豎向荷載作用下的破壞形態(tài)和極限承載力以及影響柱腳承載力的因素。

1 試驗概況

1.1 試件設計［4］

共設計了2個相同的柱腳節(jié)點構件，試件編號分別為ZJ/J-5和ZJ/J-6，縮尺比例為1∶6，試件外觀見圖1。幾何尺寸和配筋見圖2，鋼管埋置深度為220 mm。試件ZJ/J-5和試件ZJ/J-6兩者不同之處在于試件ZJ/J-5在管壁上貼焊了3道φ8鋼筋抗剪環(huán)(圖3)，而試件ZJ/J-6貼焊了2道φ6鋼筋抗剪環(huán)(圖4)。

1.2 材料性能

試件混凝土強度等級為C30，其實測立方體強度fcu，k=30.2 MPa，彈性模量 EC=3.0 ×104MPa;試件鋼材性能見表1。

圖1 試件外觀

圖2 試件幾何尺寸及配筋(單位:mm)

圖3 試件ZJ/J-5示意及柱腳構造環(huán)板(單位:mm)

圖4 試件ZJ/J-6示意(單位:mm)

表1 鋼筋材料性能

1.3 試件測點布置和測量內容

試件上布置了位移計、電阻應變片等測點，試件應變數(shù)據(jù)由DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。主要測量鋼管、縱筋、箍筋和混凝土的應變，混凝土裂縫寬度，開裂荷載和極限荷載，荷載—撓度曲線。試件應變測點布置如圖5～圖7所示。

圖5 鋼管應變片的布置及編號示意(單位:mm)

圖6 基礎梁縱筋和箍筋應變片位置及編號示意(單位:mm)

1.4 試件加載裝置及加載制度

采用反力架加載，在鋼管柱頭放置一臺200 t千斤頂。柱腳試件梁兩端簡支。千斤頂對柱頭加集中荷載，加載裝置見圖8。加載采用分級加載，即以每級20 kN加載至試件開裂，持荷2～5 min用以觀察、記錄及采集數(shù)據(jù);開裂后每級50 kN，每級持荷2～5 min，直加至試件破壞。

圖7 基礎梁混凝土應變片貼片位置及編號示意(單位:mm)

圖8 加載裝置

2 試驗現(xiàn)象

試件ZJ/J-5:加載初期，試件梁處于彈性階段，跨中撓度較小。當荷載加至開裂荷載(150 kN)時，在兩支座附近首先出現(xiàn)與梁底約35°的斜向裂縫。隨著荷載的增加，斜裂縫逐漸沿45°方向向梁頂延伸，同時在梁底跨中和梁兩側中部出現(xiàn)多條垂直裂縫和斜裂縫。當荷載加至極限荷載(590 kN)時，梁一端的一條斜裂縫貫穿整個梁高，且寬度急劇增大，達到1.0 mm，形成破壞主裂縫，試件破壞。梁中部其他相互連通形成類似錐形的細裂縫，跨中的垂直細裂縫也向上發(fā)展與類似錐形裂縫交在一起，這些裂縫的寬度都很小。試件的裂縫見圖9。

試件ZJ/J-6:加載初期，與ZJ/J-5表現(xiàn)基本相同。當荷載加至開裂荷載(120 kN)時，在梁兩側中部首先出現(xiàn)兩條呈“八”字形的對稱斜裂縫。隨著荷載的增加，在兩支座附近出現(xiàn)了與梁底約30°的斜向裂縫，在梁底跨中出現(xiàn)了幾條細微的垂直裂縫。隨著荷載進一步增加，兩條八字形斜裂縫逐漸沿45°方向向梁中部和梁底延伸，支座附近的斜裂縫和跨中的垂直裂縫也緩慢地向梁中部延伸。當荷載加至極限荷載(540 kN)時，最初出現(xiàn)的兩條八字形斜裂縫在梁下半部形成一條完整的錐形裂縫，寬度達到1.5 mm，形成破壞主裂縫，試件破壞。支座附近的兩條斜裂縫在梁中部相連形成了一條人字形裂縫，跨中垂直微裂縫也發(fā)展到了中和軸附近，但它們的寬度都很細小。試件ZJ/J-6的裂縫見圖10。

圖9 試件ZJ/J-5正反面裂縫

圖10 試件ZJ/J-6正反面裂縫圖

為了進一步觀察柱腳試件的破壞形態(tài)，撤掉儀表，對試件ZJ/J-5繼續(xù)加載。在加載過程中，鋼管柱沒有明顯的下滑，梁內發(fā)出了啪啪的響聲，梁沿破壞斜裂縫也發(fā)生了明顯的錯動，梁頂面和主裂縫周邊部分混凝土脫落，試件ZJ/J-5的破壞照片見圖11。

試件ZJ/J-6在加載過程中，鋼管柱明顯下滑，梁下半部被沖出一個錐形體，而且錐形體內的部分混凝土已被壓出梁側面，其破壞照片如圖12所示。

待試驗結束后，將殘件鑿開發(fā)現(xiàn)，ZJ/J-5梁內鋼管柱和抗剪環(huán)沒有發(fā)生任何變形，與破壞斜裂縫相交的部分箍筋已被拉斷。ZJ/J-6試件的沖切破壞面就是從柱端最上一道抗剪環(huán)附近開始的，梁內柱段和抗剪環(huán)沒有發(fā)生任何變形，試件鑿開的實況見圖13。

圖11 試件ZJ/J-5破壞實況

圖12 試件ZJ/J-6破壞實況

圖13 試件ZJ/J-6被鑿開實況

3 試驗結果分析

3.1 試件破壞形態(tài)分析

由試件的試驗現(xiàn)象可以看出:ZJ/J-5的破壞具有明顯的剪切破壞特征，裂縫從梁底部開始發(fā)展，最終剪壓區(qū)混凝土壓碎破壞;ZJ/J-6的破壞具有沖切破壞特征［5］，兩側斜裂縫從梁中部開始向上下斜向延伸，最終破壞時鋼管下沉，梁下半部斜錐體形成并沖出，梁頂面區(qū)域未形成剪壓破壞區(qū)。

3.2 試件荷載—撓度關系曲線分析

試件的荷載—撓度曲線見圖14，曲線呈現(xiàn)出非線性關系。試件ZJ/J-5的承載力和變形性能均比ZJ/J-6好，說明沖切破壞比剪壓破壞有更大的脆性。

3.3 荷載應變曲線分析

3.3.1 箍筋應變

圖14 試件跨中荷載—撓度曲線

本次試驗由于操作失誤，丟失了測驗中ZJ/J-5的部分數(shù)據(jù)，故只對ZJ/J-6的數(shù)據(jù)進行分析。遠離沖切面的⑦和○14箍筋直到試件破壞，應變值很小，約為150×10－6。其它箍筋的荷載—應變曲線見圖15。圖中可以看出距集中荷載越近的箍筋應變值越大。從數(shù)值上分析，除8點外，其他箍筋均達屈服強度。說明配置的箍筋對柱腳抗沖切有很大貢獻。

3.3.2 試件梁混凝土應變

觀察試件ZJ/J-6的破壞裂縫，可以看到當應變測試值出現(xiàn)突變時，該應變片粘貼位置混凝土開裂。如2號應變花(圖16(b))，在開裂前它的荷載—應變曲線呈線性變化，當荷載加至200 kN時，其應變值發(fā)生了突變，說明該區(qū)域出現(xiàn)了裂縫。1號(圖16(a))和5號(圖16(c))應變花處的應力狀態(tài)基本相同，其主拉應力為1.86 MPa，主壓應力為14.8 MPa，剪應力為6.6 MPa，主應力角為42.4°。6號應變花(圖16(d))的主拉應力為5.08 MPa，主壓應力為31.1 MPa，剪應力為18.1 MPa，主應力角為38.5°。

圖15 8號～14號箍筋荷載—應變曲線

3.3.3 梁底縱筋應變和鋼管柱壁應變

在整個試驗過程中，試件的梁底縱筋和鋼管柱壁的實測應變值都隨荷載呈線性增長，均未達到材性試驗時的屈服應變值，表明試件的梁底縱筋和鋼管柱還處于彈性狀態(tài)。

圖16 試件ZJ/J-6基礎梁混凝土荷載—應變曲線

4 結論

1)帶抗剪環(huán)的鋼管混凝土柱腳與鋼筋混凝土基礎梁共同工作性能良好，從試件的破壞殘體上可見，焊接的抗剪環(huán)與外圍混凝土結合狀態(tài)良好，發(fā)揮了抗剪環(huán)的抗剪作用。本文提出的新型鋼管混凝土柱腳節(jié)點構造合理。

2)帶抗剪環(huán)的柱腳節(jié)點發(fā)生沖切破壞的破壞面從最上排抗剪環(huán)處開始與不加抗剪環(huán)的柱腳節(jié)點相比，沖切面積較大，有利于提高鋼管混凝土柱腳的抗沖切性能。

3)抗剪環(huán)的數(shù)量對柱腳極限承載力和破壞形式有重要影響，增加抗剪環(huán)的數(shù)量可增加柱腳的極限承載力，也可改變柱腳的破壞形態(tài)。由脆性明顯的沖切破壞形式轉變?yōu)榧魤浩茐男问健?/p>

4)除了與斜裂縫相交的箍筋數(shù)量和強度、混凝土強度等級等因素之外，縱筋的銷栓作用對柱腳承載力有較大影響。本次試驗未考慮抗剪環(huán)的直徑影響，此因素的影響有待研究。

5)本文所提出的柱腳節(jié)點施工方便，受力性能較明確，設置抗剪環(huán)是提高柱腳節(jié)點承載力和防止發(fā)生脆性沖切破壞的有效措施。

［1］中華人民共和國建設部．JGJ138—2001 型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［2］中華人民共和國建設部．CECS28:90 鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程［S］．北京:中國計劃出版社，2005．

［3］中華人民共和國建設部．CEC8 188:2005 鋼管混凝土疊合柱結構設計規(guī)程［S］．北京:中國計劃出版社，2005．

［4］中華人民共和國建設部．GB50010—2002 混凝土結構設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］蘇海元．鋼管混凝土柱腳節(jié)點抗沖切性能試驗研究［D］．西安:長安大學，2008．