陳慶軍 蔡 健 吳 軼 楊 春 梁 劍

(1華南理工大學土木與交通學院,廣州 510641)(2華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點試驗室,廣州 510641)(3廣州大學土木工程學院,廣州 510000)(4華南理工大學建筑學院,廣州 510641)

文獻[1-3]提出了柱鋼管在節(jié)點間不貫通的思路.該節(jié)點的主要特點是：柱鋼管在節(jié)點區(qū)分離或者在梁位開孔,保持樓層框架梁縱筋貫通節(jié)點.柱鋼管在節(jié)點區(qū)的不連續(xù)導致其軸向承載力下降,可通過加大節(jié)點區(qū)截面并配置環(huán)形鋼筋或多層焊接鋼筋網(wǎng)來加強.文獻[1-2]通過 14個大尺寸整體試件試驗驗證了節(jié)點區(qū)柱鋼管不貫通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的可行性.試驗表明,采用多層焊接鋼筋網(wǎng)增強的方形節(jié)點區(qū)構(gòu)造形式及采用多重環(huán)形鋼筋增強的圓形節(jié)點區(qū)構(gòu)造形式,均能保證節(jié)點區(qū)承載力高于鋼管柱的承載力.兩者鋼筋應力分布亦較類似.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)點的連接構(gòu)造形式簡單,施工方便,與現(xiàn)有普通鋼筋混凝土柱-梁節(jié)點的施工方法類似;同時,新型節(jié)點無需加強環(huán)、牛腿等鋼構(gòu)件,可降低鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的造價,具有良好的經(jīng)濟效益.

由于上述試驗為驗證性試驗,節(jié)點區(qū)尚未達到其極限承載力.因此,本文通過 27個節(jié)點區(qū)試件試驗,對節(jié)點區(qū)的受力性能進行研究.

1 試驗概況

如圖 1所示,取局部受壓區(qū)(相當于鋼管混凝土柱截面,即節(jié)點核心區(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)一采用無量綱參數(shù)對試驗進行描述.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 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度實測平均值為 fcu,k=34.14 MPa.試件采用HPB235級鋼材,鋼筋性能如表 2所示.在中間層的內(nèi)外環(huán)筋設(shè)置應變片.

表1 試件參數(shù)表

圖2 鋼筋籠

表2 鋼筋屈服強度

試驗采用15MN大型壓力試驗機施加軸向荷載(見圖 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

試驗開始前預加 50 kN荷載使試件各接觸面緊密后卸載.試驗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 試驗破壞現(xiàn)象

試件破壞時,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個試件為例簡單闡述其過程.

1)A 1-B2-S1試件破壞裂縫圖如圖 4(a)所示.荷載 3.0 MN時,在試件外側(cè)上部出現(xiàn)一條豎向裂縫;4.2 MN時,內(nèi)環(huán)鋼筋開始屈服;4.6 MN時,外環(huán)鋼筋開始屈服;7.9 MN時,荷載-位移曲線開始轉(zhuǎn)向水平,試件裂縫已非常大,停止加載.試件破壞時,多條豎向裂縫貫通試件側(cè)面,同時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,在試件外側(cè)底部同時出現(xiàn) 6條豎向裂縫;荷載 5.1 MN時,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,有環(huán)向鋼筋被拉斷,停止試驗.試件破壞時,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,在試件外側(cè)底部出現(xiàn)豎向裂縫;3.0MN時,鋼筋應變記錄儀顯示內(nèi)環(huán)鋼筋開始屈服;荷載 5.2MN時,試件側(cè)面出現(xiàn)水平環(huán)向裂縫;荷載 8.6 MN時,環(huán)向裂縫基本貫通;荷載達到9.84MN時停止試驗.

將試件破壞時的裂縫類型按參數(shù) α,β,ρ進行歸類統(tǒng)計(見表 3),裂縫最終形態(tài)的分布較有規(guī)律.按照 β分為 3個區(qū)：β=1.0時,僅表現(xiàn)為裂縫類型Ⅰ;β=2.0時,僅表現(xiàn)為裂縫類型Ⅲ;而在 β=1.5的區(qū)域,有一個試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅰ,4個試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅱ,4個試件表現(xiàn)為裂縫類型Ⅲ.可見 β=1.5是一個過渡區(qū)域,而裂縫類型Ⅱ可以視為裂縫類型Ⅰ,Ⅲ的過渡形式,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)點正常工作范圍較大,而且會在試件側(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).本試驗參數(shù)范圍內(nèi),寬度系數(shù) α對試件的開裂及最終形態(tài)的影響不明顯.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 等效應力-應變曲線

取等效應力 σ為荷載和節(jié)點核心區(qū)面積之比,以 A 1系列為例繪制出等效應力-應變(σ-ε)曲線(見圖 5).由圖 5可見,試件高度系數(shù)最小的A1-B1系列在受荷后期仍然沒有承載力下降的趨勢.A 1-B1系列試件的截面高度比局壓區(qū)尺寸小得多,豎向壓應力基本上是直線傳遞,同時局壓區(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,也具有較低的計算長度,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,在達到相當于普通混凝土的受壓峰值應變 0.002之后,仍然保持平緩甚至上升的應力-應變曲線,表明環(huán)筋的約束作用提高了混凝土的極限壓應變.這種約束作用同時也使核心混凝土的峰值應力要高于普通混凝土的軸壓強度,幾乎所有試件的峰值應力均達到 40 MPa以上,甚至高于混凝土試件的實測立方體強度平均值.

3.2 極限承載力

將 27個試件的開裂荷載、裂縫寬度為 0.2和0.3mm時對應的荷載、內(nèi)環(huán)和外環(huán)鋼筋屈服荷載以及極限荷載進行整理(見表 4,其中,Ncr為開裂荷載;N0.2為裂縫寬度 0.2mm時對應荷載;N0.3為裂縫寬度 0.3mm時對應荷載;Ny1為內(nèi)環(huán)開裂荷載;Ny2為外環(huán)開裂荷載;Nu為極限荷載).繪制出3個參數(shù) α,β,ρ對極限荷載的影響(見圖 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.

圖5 等效 σ-ε曲線

表4 試件各項荷載及破壞類型

2)配筋率 ρ對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,其增大量有隨 ρ的增大而變緩的趨勢.

3)寬度系數(shù) α對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,這個趨勢在 β值較小時較明顯.由于 α=b/d,β=h/b,所以當 α增大時,高度也同時增加,而高度對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,可見在絕對高度相等(即 β1相等)的大部分情況下,并非隨著寬度系數(shù)α的增大,極限荷載一定會下降.寬度系數(shù) α對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)相對開裂荷載因子 Ncr/Nu介于 0.05～0.45之間.

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

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

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 荷載相對值與 α,β關(guān)系

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

3.4 裂縫寬度 0.2mm時對應荷載

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)當試件的 β相同,僅 α或者 ρ不同時,各數(shù)值接近,表明 α或者 ρ對試件裂縫發(fā)展影響不大.

3)對于大部分試件而言,β=1.0時,N0.2/Nu介于 0.2～0.3之間;β=1.5時,N0.2/Nu介于 0.35～0.55之間;β=2.0時,N0.2/Nu介于 0.55～0.75之間.可見,β對于 N0.2/Nu影響較大,隨 β的加大,相對于極限荷載,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大.

3.5 環(huán)筋屈服時對應荷載

試件的荷載-環(huán)筋應變曲線如圖 9所示.試驗開始后,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,使環(huán)梁受拉,該拉力由混凝土及環(huán)向鋼筋共同承擔.內(nèi)外環(huán)鋼筋先后受拉,同一荷載下內(nèi)環(huán)鋼筋拉應變較外環(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,環(huán)向鋼筋在節(jié)點達到極限荷載前均已屈服,為極限荷載的 16%～93%.但 Ny1,Ny2都比相應的 N0.2大,表明節(jié)點荷載達到正常工作極限時鋼筋尚未屈服.與 Ncr及 N0.2兩種情況不同的是,圖 8中 3個參數(shù)對于 Ny1,Ny2或 Ny1/Nu,Ny2/Nu的影響均不明顯,沒有體現(xiàn)出明顯的規(guī)律.

圖9 A 1-B 1-S1荷載-環(huán)筋應變曲線

3.6 試件的受力特點

綜合前面的試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析,可見隨著荷載不斷增大,雙重箍筋均由內(nèi)而外逐步達到屈服強度,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)微柱的計算長度較短有關(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)重的約束效應外,尚需考慮外重的約束效應[6],可獲得更高的承載能力.局部承壓對混凝土構(gòu)件的受壓荷載同樣存在影響,如應力擴散、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)點高度較小,沒有形成普通局部受壓時所形成的完整的沖切錐體.近期的分析計算表明,在局部承壓理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)約束混凝土理論——多重箍筋對內(nèi)核混凝土的約束力逐重疊加的思想,引入節(jié)點高度系數(shù)并考慮超短構(gòu)件的影響,建立的節(jié)點軸壓荷載計算公式與試驗結(jié)果較為吻合.

4 結(jié)論

1)試件在軸向試驗中體現(xiàn)出較高的荷載和較好的延性.

2)破壞時裂縫形態(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.配筋率 ρ對于試件荷載有一定影響,隨著 ρ的增大,荷載呈增大趨勢,其增大量有隨ρ的增大而變緩的趨勢.寬度系數(shù) α對于試件荷載有一定影響,但影響不太明顯.

4)高度系數(shù) β對于試件的相對開裂荷載因子Ncr/Nu影響較大,隨著 β的增大,Ncr/Nu增大.α對Ncr/Nu有一定的影響,隨著 α的增大,Ncr/Nu略有增大的趨勢.配筋率 ρ對于 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都比相應的 N0.2大而小于節(jié)點的極限荷載.

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