寬肢異形柱受剪承載力研究

張學輝 高玲玲

所謂異形柱是指截面幾何形狀為L形、T形及十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱[1],采用異形柱結構可以避免房間邊角因采用矩形柱時所產生的棱角凸出,使房間平整、布置靈活,具有良好的發展前景,國內專家學者對其進行了大量試驗及理論研究,取得了豐富的成果[2,3]。研究表明,框架底層異形柱由于自身剛度較小、柱肢腹板較薄等原因,致使在遭受地震作用時底層柱腳破壞嚴重,降低了異形柱結構的整體承載能力,不利于結構抗震。當異形柱各肢的肢高肢厚比大于4而小于5時則屬于寬肢異形柱的范疇,寬肢異形柱由于提高了肢高的長度,即增大了柱的抗側移剛度,從而可以增強異形柱框架的整體抗震能力,國內對寬肢異形柱的受力性能也進行了一定的試驗研究。本文歸納總結了國內寬肢異形柱的研究成果,結合寬肢異形柱斜截面受剪承載力試驗,分析了寬肢異形柱的受力特性,并將寬肢異形柱斜截面受剪承載力試驗結果與現行異形柱規程提出的受剪承載力計算方法進行比較,以檢驗異形柱規程斜截面受剪承載力計算公式對寬肢異形柱的適用性。

1 寬肢異形柱受力性能

文獻[4]通過4根鋼筋混凝土寬肢T形柱的試驗數據,分析了不同尺寸和軸壓比的寬肢T形柱沿工程軸方向受力時的強度、剛度及延性等抗震性能指標。研究表明,在低周反復荷載作用下,寬肢T形柱的強度、剛度、滯回耗能特性在正反兩方向水平受力下有較大差異,滯回曲線不對稱;高軸壓比下,試件的滯回曲線破壞后期失穩,相同截面的試件,軸壓比對耗能的影響可以忽略。

文獻[5]通過完成12根L形、Z形柱幾何縮尺為 1∶2模型的低周反復試驗,對試驗現象和試驗結果進行綜合分析,并得到以下結論:寬肢Z形截面柱易發生腹板剪切破壞。增加箍筋配筋率,能夠比較有效地增加異形柱的抗剪承載力和增加延性。寬肢L形截面柱,由于其截面的不對稱性,翼緣只是在處于受壓狀態下才對構件的抗彎強度有提高作用;而實際翼緣部分處于反復拉壓狀態,因此翼緣對寬肢L形截面柱破壞形態的影響不如Z形截面柱顯著;其極限破壞形態與配箍率、混凝土強度、縱筋配筋率以及軸壓比等因素有較大關系;異形柱端部和轉角處設置暗柱可以大大地改善試件的延性;試驗中異形柱發生的扭轉變形比較小。

文獻[6]通過兩種混凝土異形柱框架低周反復荷載試驗,對比研究了兩種異形柱框架結構的破壞特征、承載能力、延性、滯回特性、出鉸順序及剛度退化等抗震性能,分析結果表明,底層采用寬肢異形柱后可避免普通異形柱框架結構底層剛度薄弱的不利現象,并能不同程度地改善普通異形柱框架結構的多項抗震性能,提高了異形柱框架結構整體的抗震能力。圖1為底層采用寬肢異形柱的框架與普通異形柱框架底層柱腳的破壞照片。由圖1可見,底層采用寬肢異形柱以及顯著改善底層柱腳的破壞特征。由文獻[6]的試驗結果還可以看出,當異形柱框架底層采用寬肢異形柱后,框架底層柱側移剛度顯著增強,在遭受地震作用時,由于一二層異形柱側移剛度相差較大,異形柱框架的薄弱層有可能向第二層柱腳轉移,即二層柱腳發生較嚴重的破壞,仍不利于結構抗震,因此當異形柱底層采用寬肢異形柱時,可通過在二層柱腳一定高度范圍內采用暗柱等方式避免一二層異形柱剛度突變帶來的不利因素。

2 異形柱規程斜截面受剪承載力公式

JGJ 149-2006混凝土異形柱結構技術規程規定,在有地震作用組合時,異形柱斜截面受剪截面應符合下式要求:

其中,Vc為斜截面組合的剪力設計值;γRE為受剪承載力抗震調整系數,取0.85;bc為驗算方向的柱肢截面厚度;hc0為驗算方向的柱肢截面有效高度。

異形柱的斜截面受剪承載力應符合下式要求:

其中,λ為剪跨比,當λ＜1.0時,取λ=1.0,當 λ＞3.0時,取λ=3.0;N為軸向壓力設計值;s為沿柱高度方向的箍筋間距;Asv為驗算方向的柱肢截面厚度bc范圍內同一截面箍筋各肢總截面面積。

3 T形截面柱斜截面承載力試驗

試驗選擇小高層住宅結構底層T形柱作為研究對象,如圖2所示,采用低周往復加載方式,軸向壓力加載至預定值后保持恒定,在柱頂采用雙向油壓千斤頂施加水平反復荷載。

試件為1∶2縮尺模型,柱凈高 H0=1 400 mm,肢寬 b=100 mm;框架柱混凝土強度等級為 C20,混凝土保護層厚度為15 mm;主筋采用直徑為16 mm的HRB335級鋼筋,箍筋采用直徑為4 mm的8號鐵絲,間距為220 mm。T形柱截面尺寸及配筋情況如圖3所示,由圖3可知,該異形柱模型肢高肢厚比在4～5之間,屬于寬肢異形柱的范疇。相關試驗材料強度及構件截面面積如表1所示。

表1 材料強度及截面面積

各試件所施加的柱頂軸向力及受剪承載力試驗值如表2所示,上述試驗為低周往復加載試驗,由于往復試驗中混凝土累積損傷及鋼筋滑移等原因,試驗測得的T形截面柱受剪承載力要略低于單向承載力,研究表明,往復試驗值比單向試驗值下降約為7%,因此應將換算后的試驗值與計算值比較。表2也列出了根據各試件實際截面尺寸及材料強度及《混凝土異形柱結構技術規程》提出的異形柱斜截面受剪承載力計算公式(3)計算得到各試件受剪承載力的計算值。

表2 T形截面寬肢異形柱受剪承載力試驗值與計算值的比較

對比表2中各試件的受剪承載力試驗換算值與規程計算值可知,規程計算值均小于試驗換算值,當T形柱肢高肢厚比為4時,即屬于普通異形柱,試驗換算值為規程計算值的1.20倍;當T形截面柱肢高肢厚比為4.5時,試驗換算值為規程計算值的1.39倍;當T形柱肢高肢厚比為5.0時,試驗換算值為規程計算值的1.37倍。由此可見,應用規程提出的異形柱斜截面受剪承載力公式預估普通異形柱的受剪承載力是合理的,且有一定的保證率,但仍用該承載力公式計算寬肢異形柱的受剪承載力,其計算值與試驗值相差35%以上。可見若寬肢異形柱仍采用規程提出的異形柱斜截面受剪承載力公式計算,其結果過于保守,與其實際情況相差較大,因此對于寬肢異形柱受剪承載力應做進一步研究,提出符合其自身受力特性的受剪承載力計算公式,而不能簡單套用規程提出的受剪承載力公式。

4 結語

本文通過對寬肢異形柱受剪承載力的研究,得出以下主要結論:1)采用寬肢異形柱,可以避免普通異形柱框架底層抗震薄弱的不利現象,增加異形柱的軸壓比限值及抗側移剛度,從而可以增加異形柱框架的房屋高度,擴大異形柱框架的使用范圍。2)當異形柱肢高厚比加大,即當異形柱屬于寬肢范疇時,異形柱規程提出的受剪承載力計算公式計算結果偏保守,其計算值與試驗值相差35%以上,不適應寬肢異形柱的受剪承載力計算分析。3)目前雖然對寬肢異形柱進行了一些研究,但對其斜截面受力性能仍不是很明確,對翼緣的抗剪作用估計不足,提出的異形柱斜截面受剪承載力公式不能滿足研究的需要,因此對于寬肢異形柱的受力性能仍需做進一步的研究。

[1] JGJ 149-2006,混凝土異形柱結構技術規程[S].

[2] 黃 玨,肖建莊,葛亞杰,等.異形柱框架節點受力性能研究進展與評述[J].結構工程師,2002(1):52-57.

[3] 鄭漢兵,曹萬林,馬景春,等.底部矩形柱上部異形柱邊框架抗震研究[J].世界地震工程,2002,18(4):106-110.

[4] 郭 棣,吳敏哲,謝異同.寬肢T形柱的滯回特性及耗能分析[J].世界地震工程,2002,18(2):146-149.

[5] 李 杰,吳建營,周德源,等.L形和Z形寬肢異形柱低周反復荷載試驗研究[J].建筑結構學報,2002,23(1):9-15.

[6] 王鐵成,張學輝,康谷貽.兩種混凝土異形柱框架抗震性能試驗對比[J].天津大學學報,2007,40(7):791-798.