賈 強(qiáng)， 潘 宇， 張 鑫

(1 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 濟(jì)南 250100；2 山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250100)

0 概述

目前，合理、有序地開發(fā)既有建筑地下空間，成為改進(jìn)城市使用功能，提高土地資源利用率的途徑之一。在既有建筑下方開挖地下室，需用樁基礎(chǔ)支撐上部結(jié)構(gòu)，才能開挖下面的土方[1]。樁基礎(chǔ)與既有建筑墻、柱等豎向構(gòu)件的連接則需要通過托換承臺(tái)(圖1)或托換梁(圖2)等轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[2]來實(shí)現(xiàn)。在已開展的地下增層的工程實(shí)踐中，揚(yáng)州工商銀行、濟(jì)南商埠區(qū)某歷史建筑的地下增層采用托換承臺(tái)的連接方式[3-4]；而北京音樂堂和淮安某商住樓的地下增層則采用了托換梁的連接方式[5-6]。采用托換梁的方案，由于樁基礎(chǔ)設(shè)置在上部豎向構(gòu)件中間位置，占地面積小而且有利于施工。但該方案中上部豎向構(gòu)件傳遞的較大集中荷載需要由托換梁跨中承擔(dān)，因此該托換梁的受力有以下特點(diǎn)：1)該托換梁受剪需要較大的梁高度，屬于深受彎構(gòu)件；2)由于施工該托換梁時(shí)，上部豎向構(gòu)件已存在，只能采用雙梁包裹豎向構(gòu)件的連接方式；3)為減小托換梁高度獲得更大凈空，采用梁內(nèi)配置型鋼的方案。由于該托換梁受力復(fù)雜，開展該托換梁的受剪試驗(yàn)研究是十分必要的。

圖1 原豎向構(gòu)件兩側(cè)設(shè)置托換樁

圖2 原豎向構(gòu)件中間設(shè)置托換樁

關(guān)于深受彎構(gòu)件的受剪承載力研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)深受彎構(gòu)件開裂后將引起內(nèi)力重新分布，從而使深受彎構(gòu)件的破壞特征和承載力均異于普通梁，此外深受彎構(gòu)件有明顯的拉桿-拱或桁架受力行為[7]。對(duì)于內(nèi)置型鋼的鋼筋混凝土梁受剪承載力模型，有將型鋼腹板劃分為間斷的看作箍筋作用的“鋼筋混凝土計(jì)算方法”[8]，也有型鋼和混凝土分別承擔(dān)部分剪力的“剪力分配法”[9]，以及分別計(jì)算型鋼部分與混凝土部分所貢獻(xiàn)的剪力，進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加的“疊加法”[10]。由于“疊加法”計(jì)算方法簡(jiǎn)單且受力機(jī)理明確，被我國現(xiàn)行《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(YB 9082—2006)[11]和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)[12]采用。本文擬對(duì)地下增層中的內(nèi)置型鋼并具有深受彎構(gòu)件特性的雙梁托換構(gòu)件進(jìn)行受剪試驗(yàn)研究，提出其受剪計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)的準(zhǔn)備

1.1 托換梁的設(shè)計(jì)

為深入研究地下增層托換梁受剪承載力的機(jī)理，設(shè)計(jì)了6個(gè)1∶2的大比例托換梁，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其中，4個(gè)梁為內(nèi)置H型鋼混凝土托換梁，其余2個(gè)梁為無內(nèi)置H型鋼的普通鋼筋混凝土托換梁。梁凈跨度均為2 750mm，梁高均為500mm，剪跨比λ均為2.75?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C25，H型鋼均采用Q235。單梁截面寬度均為500mm，雙梁每個(gè)梁寬度均為250mm。單梁的梁頂縱筋為1025，梁底縱筋為1825；雙梁兩個(gè)梁截面內(nèi)縱筋數(shù)量和規(guī)格與單梁相同。構(gòu)件的截面、箍筋和內(nèi)置型鋼情況見表1。為防止梁出現(xiàn)受彎破壞或節(jié)點(diǎn)破壞，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)加大了梁的縱筋和柱的配筋，其中4#梁平面圖和立面圖見圖3、圖4。

圖3 4#托換梁平面圖

試件配筋情況 表1

圖4 4#托換梁立面圖

1.2 材料性能試驗(yàn)

截取3根托換梁箍筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度見表2。試件內(nèi)置H型鋼強(qiáng)度為Q235級(jí)，取預(yù)留型鋼腹板部位切割為3個(gè)20mm×400mm的鋼條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度見表3。對(duì)澆筑托換梁混凝土，留取3組試塊，經(jīng)抗壓試驗(yàn)得到其立方體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)見表4。

1.3 構(gòu)件制作過程和測(cè)量方案

構(gòu)件支模和鋼筋的綁扎現(xiàn)場(chǎng)見圖5。澆筑混凝土后，為了記錄裂縫的開展情況，在梁的側(cè)面用墨線彈出100mm×100mm的正方形網(wǎng)格。將位移計(jì)分別布置在梁跨中和支座兩端，記錄每級(jí)荷載加載穩(wěn)定后位移數(shù)值變化。在梁的跨中與受剪區(qū)段位置布置混凝土應(yīng)變片；在梁受剪區(qū)段的箍筋和型鋼上粘貼應(yīng)變片，測(cè)試其應(yīng)力變化。

圖5 梁的支模和綁扎鋼筋

鋼筋力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果 表2

型鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果 表3

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 表4

1.4 加載方案

本試驗(yàn)采用跨中單點(diǎn)加載的方式，邊界約束條件為簡(jiǎn)支。選用2 000kN液壓千斤頂與2 000kN壓力傳感器進(jìn)行加載控制。加載時(shí)每級(jí)加載量為預(yù)估極限荷載的1/10，逐級(jí)加載直到獲得梁的極限承載力，每級(jí)加載完成后穩(wěn)定3min，開始記錄裂縫發(fā)展情況并記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載在山東建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)見圖6。

圖6 加載設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

梁受壓達(dá)到開裂荷載時(shí)，在梁側(cè)面出現(xiàn)從支座位置向梁柱節(jié)點(diǎn)位置延伸的斜裂縫。隨著荷載的增加，裂縫不斷增多，寬度也不斷增大。在接近極限荷載時(shí)，內(nèi)置H型鋼的梁在上下翼緣處出現(xiàn)水平裂縫。達(dá)到極限荷載時(shí)，梁側(cè)面出現(xiàn)斜向貫穿主裂縫，同時(shí)伴隨混凝土的脆斷聲。

6個(gè)梁均表現(xiàn)出剪壓破壞特征，但普通鋼筋混凝土托換梁破壞較為突然，從出現(xiàn)裂縫到貫穿，破壞經(jīng)歷時(shí)間較短，每側(cè)裂縫數(shù)量較少，僅梁一端裂縫導(dǎo)致梁最終破壞(圖7)；而內(nèi)置H型鋼鋼筋混凝土托換梁破壞近似“拱”形，每側(cè)裂縫數(shù)量較多，有多條斜向裂縫導(dǎo)致梁最終破壞(圖8)。

圖7 未置H型鋼梁破壞狀態(tài)

圖8 內(nèi)置H型鋼梁破壞狀態(tài)

2.2 梁開裂荷載和極限荷載

梁開裂荷載和極限荷載 表5

實(shí)測(cè)梁的開裂荷載和極限荷載見表5。從表5可以看出：1)相同截面形式與配筋數(shù)量時(shí)，內(nèi)置H型鋼的3#梁比未置H型鋼的1#梁受剪極限荷載提高約36.3%；另外，內(nèi)置H型鋼的5#，3#，4#，6#托換梁，隨著H型鋼腹板配筋量的增加，受剪承載力逐步提高。說明H型鋼在提高托換梁的抗剪承載力方面起了重要作用。2)配筋數(shù)量與截面大小相同時(shí)，單梁(1#梁)與雙梁(2#梁)極限荷載差值百分比僅2.1%；內(nèi)置H型鋼單梁(3#梁)與雙梁(5#梁)極限荷載差值百分比僅3.0%；因此，雙截面托換梁雖然存在柱對(duì)梁偏心產(chǎn)生的扭矩，但總體影響不大。3)內(nèi)置H型鋼箍筋間距為150mm的6#梁比箍筋間距為200mm的4#梁，受剪承載力提高7.4%；因此，增加箍筋量可顯著提高其受剪性能。

2.3 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

2.3.1 箍筋應(yīng)變

在梁的箍筋上粘貼應(yīng)變片，由于單梁為4肢箍筋，僅在最外兩肢箍筋上粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片編號(hào)一側(cè)為單號(hào)(G1～G11)，另一側(cè)為雙號(hào)(G2～G12)；對(duì)于兩肢箍筋的雙梁，外肢箍筋應(yīng)變片編號(hào)為單號(hào)(G1～G11)，內(nèi)肢箍筋應(yīng)變片編號(hào)為雙號(hào)(G2～G12)。單梁和雙梁箍筋上應(yīng)變片相應(yīng)位置和編號(hào)見圖9。

圖9 梁箍筋上應(yīng)變片位置和編號(hào)

試驗(yàn)得到1#梁(單梁)的外側(cè)兩肢箍筋的荷載-應(yīng)變曲線見圖10。從箍筋的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可以看出，在加載初期，不同位置的箍筋應(yīng)變隨荷載同時(shí)增大；但加載后期，與支座、梁柱節(jié)點(diǎn)連線相交箍筋的應(yīng)變明顯增大，最終達(dá)到屈服點(diǎn)強(qiáng)度；其他位置的箍筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，未達(dá)到屈服。對(duì)單梁，同一截面內(nèi)外側(cè)兩肢箍筋承擔(dān)剪力基本相同。

圖10 1#梁外肢箍筋荷載-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)得到2#梁(雙梁)的內(nèi)肢和外肢箍筋的荷載-應(yīng)變曲線見圖11。對(duì)雙梁，同一截面的內(nèi)肢箍筋比外肢箍筋承擔(dān)更多剪力，這是由于柱加載位置對(duì)梁產(chǎn)生的偏心使梁產(chǎn)生附加的受扭作用。

圖11 2#梁內(nèi)肢、外肢箍筋荷載-應(yīng)變曲線

其他梁荷載-應(yīng)變曲線有相同的規(guī)律，不再贅述。

2.3.2 型鋼應(yīng)變

型鋼腹板上粘貼應(yīng)變片的位置和編號(hào)如圖12所示。

圖12 型鋼腹板上應(yīng)變片位置和編號(hào)

試驗(yàn)得到3#梁(單梁)和4#梁(雙梁)梁的型鋼的荷載-應(yīng)變曲線見圖13。由梁的型鋼應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可知，支座與梁柱節(jié)點(diǎn)連線處的型鋼腹板對(duì)梁受剪貢獻(xiàn)最大，梁達(dá)到極限荷載時(shí)，型鋼應(yīng)力達(dá)到210MPa，達(dá)到了型鋼的抗剪強(qiáng)度；其他位置型鋼腹板未達(dá)到抗剪強(qiáng)度。

圖13 3#和4#梁的型鋼荷載-應(yīng)變曲線

其他梁的型鋼荷載-應(yīng)變曲線有相同的規(guī)律，不再贅述。

3 托換梁受剪承載力計(jì)算公式

在托換梁受剪承載力公式建立中考慮以下因素：1)根據(jù)構(gòu)件的裂縫發(fā)展情況與最終破壞形態(tài)，混凝土和箍筋受剪承載力采用桁架-拱模型；2)型鋼與鋼筋混凝土部分的斜截面受剪承載力互不影響，獨(dú)立計(jì)算后進(jìn)行疊加；3)型鋼部分的斜截面受剪承載力，僅考慮型鋼腹板對(duì)抗剪的貢獻(xiàn)；4)雙梁托換時(shí)，柱傳遞的豎向荷載在梁截面上產(chǎn)生一定扭矩，但試驗(yàn)結(jié)果表明該扭矩對(duì)極限承載力影響不大，因此不考慮扭矩對(duì)承載力的影響?；谝陨弦蛩?，參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[13]中深受彎構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算公式和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)[12]中相關(guān)規(guī)定，提出托換梁受剪承載力計(jì)算式如下：

(1)

式中：ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為梁截面寬度；h0為梁截面有效高度；h為梁截面高度；l0為梁的計(jì)算跨度；λ為計(jì)算截面的剪跨比，當(dāng)l0/h不大于2.0時(shí)取λ=0.25，當(dāng)l0/h大于2且小于5時(shí)取λ=a/h0(a為集中荷載作用點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)邊緣的距離)；Asv為同一截面箍筋各肢面積之和；Ash為水平分布鋼筋截面面積之和；fyv為箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fyh為水平鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fa為型鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；sv為沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向上箍筋的間距；sh為水平分布鋼筋的間距；tw為型鋼腹板厚度；hw為型鋼腹板高度。

將式(1)計(jì)算得到的6個(gè)梁的受剪承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，見表6。從表6可以看出，未加型鋼的普通鋼筋混凝土梁的受剪承載力計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；對(duì)于內(nèi)置型鋼的梁，受剪承載力計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果平均相差百分比為18.4%。從數(shù)值上看，計(jì)算結(jié)果均小于試驗(yàn)結(jié)果，偏安全。

受剪承載力計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果比較 表6

4 結(jié)論

本文通過模型對(duì)比試驗(yàn)，研究了內(nèi)置H型鋼鋼筋混凝土托換雙梁受剪承載力的變化規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了受剪承載力計(jì)算公式，主要得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于剪跨比λ為2.75的6根梁，無論是單梁還是雙梁，是否內(nèi)置型鋼，均表現(xiàn)為剪壓破壞形態(tài)。

(2)內(nèi)置H型鋼的鋼筋混凝土托換梁比未置H型鋼相同截面形式與配筋數(shù)量的鋼筋混凝土托換梁的受剪極限荷載提高約36.3%。而內(nèi)置H型鋼的鋼筋混凝土托換梁隨著型鋼腹板配筋量的增加，受剪極限荷載也逐步提高。

(3)相同截面和配筋數(shù)量的未置H型鋼的雙截面鋼筋混凝土托換梁和單截面鋼筋混凝土托換梁以及內(nèi)置H型鋼雙截面鋼筋混凝土托換梁與單截面鋼筋混凝土托換梁，其受剪承載力相差不大。因此雙截面鋼筋混凝土托換梁設(shè)計(jì)時(shí)，可以忽略柱對(duì)梁偏心產(chǎn)生的扭矩影響。

(4)從箍筋和型鋼的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可以看出，支座與梁柱節(jié)點(diǎn)連線處的箍筋和型鋼在抗剪中起了主要作用，而支座處與梁柱節(jié)點(diǎn)附近的箍筋和型鋼起次要作用。

(5)對(duì)于單梁，同一截面內(nèi)外側(cè)兩肢箍筋承擔(dān)剪力基本相同；對(duì)于雙梁，同一截面的內(nèi)肢箍筋比外肢箍筋承擔(dān)更多剪力，這是由于柱加載位置對(duì)梁產(chǎn)生的偏心，使梁產(chǎn)生附加的受扭作用。

(6)建立的托換梁受剪承載力公式計(jì)算的未置H型鋼的普通鋼筋混凝土梁計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；對(duì)于內(nèi)置H型鋼的梁，托換梁受剪承載力公式計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果平均相差百分比18.4%，但計(jì)算結(jié)果小于試驗(yàn)結(jié)果，偏安全。