蔣前程

(河北聯(lián)合大學建筑工程學院，河北唐山063009)

0 引言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構在土木工程中的應用范圍極廣，各種工程結(jié)構都可采用鋼筋混凝土建造。各種人為和自然因素都嚴重影響著這一結(jié)構的安全使用，比如建筑物遭受爆炸襲擊，地震等，將導致建筑物的連續(xù)倒塌破壞，這一現(xiàn)象是結(jié)構工程師必須考慮避免的。在我國，鋼筋混凝土框架結(jié)構分布廣泛，框架結(jié)構比剪力墻結(jié)構更容易發(fā)生豎向連續(xù)倒塌。因此，防止框架結(jié)構的連續(xù)倒塌是我們面臨的重要課題。

在建筑結(jié)構中，軸向力普遍存在于建筑物構件中，特別在梁板構件或者鋼筋混凝土框架梁構件，建筑行業(yè)叫做薄膜力。國外學者從理論和實驗方面對這種薄膜力進行了研究。結(jié)果表明，這種薄膜力提高了建筑構件的彎剪承載力。國內(nèi)對薄膜力的研究也有所涉獵，當?shù)团浣盥拾逯苓吪c框架梁剛性連接，混凝土板在即將損壞時，它的中和軸幾乎靠近板的上表面。因此，軸向力將廣泛存在與四周剛性連接的板中，也就是“薄膜力”［1-6］。針對混凝土框架梁某兩跨中間的珠子突然破壞，導致上層荷載加于中間破壞的柱子節(jié)點上，由于拱效應和索效應的存在，混凝土框架梁的延性、梁變形較大，框架梁仍然可以承受荷載，最終防止建筑結(jié)構發(fā)生從上而下的連續(xù)倒塌的現(xiàn)象，本文通過靜載試驗研究了“索和拱效應”影響的鋼筋混凝土框架梁承載力，分析了支座約束、配筋率、跨高比和配筋方式對其承載力的影響規(guī)律，為建筑結(jié)構的抗倒塌研究提供理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試件設計

設計一多層鋼筋混凝土框架結(jié)構，選取兩跨梁，跨中支撐柱破壞。取ρ=0.0077～0.0193，梁上下部的配筋比取1.0～1.51，縱筋采用用二級鋼，fy=335MPa，箍筋采用一級鋼fyv=235MPa;混凝土取C25，試件配筋如下，F(xiàn)A編號試件為3個，其余編號試件為2個，用于靜載實驗。

表1 試件設計表

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括MTS液壓伺服擬動力加載系統(tǒng)、支座裝置和數(shù)據(jù)采集儀器，由于結(jié)構模型的要求，特別制造剛性臺座，確保梁端只可以軸向轉(zhuǎn)動，上下移動得到限制，梁端可以安裝儀器，可以測量約束大小，也可以方便的調(diào)節(jié)這種約束。實驗臺具體部件如圖1所示。

圖1 試驗臺示意圖

1.3 試驗加載方案

(1)確定鋼筋混凝土的跨中特征位移:δ1=ln/100=57mm，δ2=ln/50=114mm，δ3=h0=265mm，其中δ1是鋼筋屈服時的變形，δ2是壓壞混凝土時的變形，δ3是拱效應終結(jié)索效應產(chǎn)生時對應的撓度。結(jié)構最大撓度要看MTS的施力功能，取

(2)加載速率的選定:取受壓混凝土最大應變?yōu)?500με，加載速率為10με/s，則需350s;位移加載速率等于 δ2/350=0.3mm/s，取加載速率為 0.1mm/s，相當于3.3με/s，采集頻率定為10Hz。

(3)靜載試驗采用一次加載至最大跨中撓度400 mm，加載時間為4000秒。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試件破壞過程

在加載的初始階段，梁端約束梁以彈性變形為主;隨著荷載逐步施加，跨中出現(xiàn)裂縫，跨中受拉鋼筋開始屈服，隨著跨中的混凝土受壓區(qū)被壓碎，跨中截面慢慢失去承受彎矩的能力，跨中彎矩慢慢減小，而在支座處的彎矩逐漸提高;當跨中裂縫貫通整個截面，跨中鋼筋由受壓轉(zhuǎn)為全部受拉，而框架梁繼續(xù)承擔荷載，直到受拉鋼筋被拉斷，框架梁宣告破壞。

2.2 破壞形態(tài)

試件的破壞形態(tài)隨著試件軸壓比的不同而有所不同，試件FA、FB-1、FB-2、FC-1和FC-2的梁端和跨中破壞形態(tài)如圖2、圖3、圖4和圖5所示。由圖2可見，F(xiàn)A梁的破壞形態(tài)是梁端和中部開始出現(xiàn)裂縫，接著截面延伸，延性小?？缰惺軓潱瑐?cè)面出現(xiàn)小縫，出現(xiàn)塑性鉸。由圖3和圖4可見，F(xiàn)B-1和FB-2梁的破壞形態(tài)是跨中上部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸;梁端處支座上面出現(xiàn)多條小縫，混凝土壓碎沒有出現(xiàn)，出現(xiàn)塑性鉸，變形大。又圖5可見，F(xiàn)C-1和FC-2梁的破壞形態(tài)是跨中上部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸;裂縫出現(xiàn)在梁端上部受彎處，下部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸，變形小。

各試驗梁的破壞形態(tài)會隨著試驗梁配筋率的變化而發(fā)生顯著變化。每組試驗梁受荷時，其受力特征為彎剪共同作用，為了保證試驗梁為延性的受彎破壞形態(tài)，在設計試驗梁時，已經(jīng)考慮到了拱效應的影響，配置了足夠數(shù)量的箍筋。經(jīng)過對試驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，隨著配筋率的增加，各試驗梁FA到FC-2破壞時的延性會顯著增加。在FB和FC兩組中，配筋率最小的試驗梁其最終破壞形態(tài)雖然也是受彎破壞，但其在梁跨中受壓區(qū)混凝土壓碎破壞以后，承載力會迅速下降;并且，其跨中處也沒有形成塑性鉸，F(xiàn)B-1和FC-1裂縫出現(xiàn)數(shù)量少，并且出現(xiàn)了一條主要裂縫;試驗梁在破壞時出現(xiàn)了跨中受壓區(qū)鋼筋壓屈現(xiàn)象;破壞形態(tài)相對于配筋率較大的試驗梁來說延性明顯偏小。但由于拱效應的作用，以及不容易形成二階彎矩，其破壞時的承載力提高程度卻是最大的。

配筋率最大的試驗梁FC-2破壞時裂縫分布范圍廣而密，裂縫寬度相對較小，試驗梁在破壞時出現(xiàn)了明顯的彎曲現(xiàn)象，具有很大的變形能力;FA梁配筋率最小，其裂縫分布范圍相對于FC-2梁要小得多，且裂縫跨度較大，破壞時梁的彎曲較不明顯。隨著配筋率的增大，試驗梁均表現(xiàn)出延性增強的特征。

2.3 位移荷載曲線

1)FA、FB-1位移荷載曲線

試樣FA和FB-1跨中荷載位移曲線如圖6所示。

FA 配筋率 0.77%，極限荷載 124.7kN，極限相對位移0.319;FB-1配筋率1.15%，極限荷載246kN，極限相對位移0.245。由圖6看出，F(xiàn)A的延性較大，極限荷載小;相應的FB-1的延性較小，破壞時相對位移只有0.3，極限荷載大，因為FA梁端的配筋率小于FB-1的配筋率。所以在兩根框架梁其他條件相同時，配筋率較小者的延性較好，但是拱效應相應小，極限荷載小。

2)FB-2、FC-1、FC-2 位移荷載曲線

試樣FB-2、FC-1和FC-2跨中荷載位移曲線如圖7所示。

FB-2配筋率1.15%，極限荷載76kn，極限相對位移0.35;FC-1配筋率1.51%，極限荷載112kN，極限相對位移0.221;FC-2配筋率1.51%，極限荷載220kN，極限相對位移0.21。由圖7可以看出，隨著配筋率的增加梁跨中極限荷載逐漸增大，延性卻逐漸變小，這個特征與圖6相同。進一步驗證了兩根框架梁其他條件相同時，配筋率較小者的延性較好，但是拱效應相應小，極限荷載小。

3)框架梁荷載位移曲線的受荷狀態(tài)分析

由圖6和圖7可以看出，在集中荷載作用下具有側(cè)向約束的鋼筋混凝土試驗梁都經(jīng)歷了完整的受荷過程，該過程包括3個階段，如圖8所示。

由圖8可見，曲線中AB段是拱效應形成階段。在此階段，試驗梁支座約束水平軸力隨著變形的增加而增加，從而在梁內(nèi)形成拱效應。由于梁內(nèi)拱壓力的幫助，梁在B點達到其極限荷載。拱壓力可以看成來源于梁柱結(jié)點與梁之間的擠壓作用。如前所述的壓彎構件的軸力與彎矩承載力關系可知，對于大偏心受壓構件軸壓力的存在可以提高構件的抗彎承載力。對于梁來講，由于梁柱結(jié)點與梁本身之間的壓力決不會達到使受拉鋼筋不屈服的程度，所以壓力的存在總是使梁的抗彎能力增加。

在變形較小的情況下，梁中壓力的產(chǎn)生是由于鋼筋混凝土梁開裂造成的。對于不會開裂的彈性梁其梁端沒有向外運動的趨勢，沿梁跨對梁底面應變積分等于零。而如果梁開裂，則此積分的結(jié)果是凈增長。

曲線的BC段是拱效應的消退階段。經(jīng)過B點以后，由于試驗梁跨中截面混凝土首先被壓碎，該截面處的承載力開始減弱，由于此時支座截面混凝土還沒有完全破壞，在試驗梁內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象，其荷載轉(zhuǎn)向主要由支座截面承擔。但隨著支座處混凝土的壓碎，梁的承載能力會有一個較快的降低過程。直到C點，試驗梁的承載能力降到最低。

曲線CD段是索效應的形成階段及破壞階段。由于這時裂縫在跨中截面已經(jīng)全截面貫通，因此在跨中區(qū)域首先形成了索。索的形成會增大跨中區(qū)域的承載能力。隨著試驗梁變形的增加，形成所得區(qū)域會由跨中向兩側(cè)延伸，直到整個試驗梁各截面都受拉，在梁中形成完整的索。梁承擔荷載靠的是鋼筋的索效應，梁繼續(xù)承擔荷載直到鋼筋被拉斷。

3 結(jié)論

1)從實驗結(jié)果得出，拱效應普遍存在于混凝土梁中，這是由于框架梁兩端側(cè)向約束了梁的縱向變形，梁受壓、軸力增大、跨中極限荷載顯著提高。

2)在鋼筋混凝土框架梁中，跨中或支座截面拉壓鋼筋配筋率比值基本相同時，隨著配筋率的增加，極限承載力增大，延性減小。

［1］ H.Y.Low and H.Hao.Investigation Into the Reliability Aspect of RC Members Subjected Blast Loading.2000，8th ASCE Specialty Conference on Probabilistic Mechanics and Structural Reliability.

［2］ I-Kuang Fang，Ju-Hsin Lee and Chun-Ray Chen.Behavior of Partially Restrained Slabs Under Concentrated Load.ACIstructural journal.1994，(3～4):65-70.

［3］ 宋曉勝.跨高比對鋼筋混凝土框架梁中拱效應影響的試驗研究［D］.唐山:河北理工大學，2007.

［4］ 陳明輝.配筋率對鋼筋混凝土框架梁拱效應影響的試驗研究［D］.唐山:河北理工大學，2007.

［5］ 李國強，孫健運，王開強.爆炸沖擊荷載作用下框架柱簡化分析模型研究［J］.振動與沖擊，2007，26(6):8-11.

［6］ 董義領.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動力響應分析［D］.上海:同濟大學，2008.