帶抗剪環的鋼管混凝土柱腳節點受力性能的試驗研究

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點方面的研究較少?，F行相關規程［1-3］關于柱腳節點的設計和構造規定也較少。本文提出一種新型的柱腳節點，在鋼管混凝土柱外表面貼焊抗剪環。將貼焊抗剪環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點受力性能。驗證該柱腳節點構造的合理性，研究設置抗剪環后，柱腳節點在豎向荷載作用下的破壞形態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(圖3)，而試件ZJ/J-6貼焊了2道φ6鋼筋抗剪環(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，試件應變數據由DH3816數據采集系統自動采集。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、記錄及采集數據;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，在兩支座附近出現了與梁底約30°的斜向裂縫，在梁底跨中出現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，撤掉儀表，對試件ZJ/J-5繼續加載。在加載過程中，鋼管柱沒有明顯的下滑，梁內發出了啪啪的響聲，梁沿破壞斜裂縫也發生了明顯的錯動，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，將殘件鑿開發現，ZJ/J-5梁內鋼管柱和抗剪環沒有發生任何變形，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附近開始的，梁內柱段和抗剪環沒有發生任何變形，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 試件破壞形態分析

由試件的試驗現象可以看出: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展，最終剪壓區混凝土壓碎破壞;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，梁頂面區域未形成剪壓破壞區。

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的部分數據，故只對ZJ/J-6的數據進行分析。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，其應變值發生了突變，說明該區域出現了裂縫。1號(圖16(a))和5號(圖16(c))應變花處的應力狀態基本相同，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。

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，焊接的抗剪環與外圍混凝土結合狀態良好，發揮了抗剪環的抗剪作用。本文提出的新型鋼管混凝土柱腳節點構造合理。

2)帶抗剪環的柱腳節點發生沖切破壞的破壞面從最上排抗剪環處開始與不加抗剪環的柱腳節點相比，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)抗剪環的數量對柱腳極限承載力和破壞形式有重要影響，增加抗剪環的數量可增加柱腳的極限承載力，也可改變柱腳的破壞形態。由脆性明顯的沖切破壞形式轉變為剪壓破壞形式。

4)除了與斜裂縫相交的箍筋數量和強度、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點施工方便，受力性能較明確，設置抗剪環是提高柱腳節點承載力和防止發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程［S］．北京:中國建筑工業出版社，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 混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

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