空心板柱結構中柱節點受沖切承載力試驗研究

龔啟宏 朱 強,2 梁書亭 徐 澄 汪 杰

(1東南大學土木工程學院,南京210096)

(2江蘇省建筑設計研究院有限公司,南京210019)

(3南京長江都市建筑設計股份有限公司,南京210002)

現澆空心板柱結構是在現澆實心板柱結構的基礎上,通過埋芯成孔工藝制備而成的一種新型結構,施工中使用該結構可降低樓板自重[1-2].與實心板柱結構相比,空心板柱結構具有重量輕、剛度大、整體性能好[3]、施工方便、經濟效益高等優點[4].目前,關于板柱結構的研究多集中于實心板柱節點抗沖切性能的研究[5-11],而對空心板柱節點的沖切性能涉及較少,其受力性能和設計理論還不明確.在空心板柱節點區域,空心部分與實心部分的連接處應力集中,發生局部沖切破壞的可能性較大.某一節點的沖切破壞可能會導致相鄰節點因超載而發生連鎖脆性沖切破壞,最終帶來毀滅性的后果.

本文通過對空心板柱節點進行抗沖切試驗,獲得其沖切破壞形態,并研究了板厚、孔徑、肋寬和配筋率對沖切性能的影響,進一步豐富了空心板柱結構節點沖切承載力的試驗數據,為發展和完善空心板柱結構體系的設計理論、制定相關的規程提供比較可靠的數據支持.

1 試驗

1.1 試件設計與材料力學性能

圖1 試件的制作

表1 空心板柱節點試件參數

1.2 試驗裝置

試驗中,通過在節點柱上施加豎向軸心荷載,模擬板所承受的豎向沖切荷載,約束條件為四邊簡支,固定裝置采用鋼板和鋼管.液壓千斤頂放置在加載柱頭中心,為了防止加載柱局部受壓破壞,在柱頂墊上鋼板.利用反力架提供的反作用力施加豎向荷載于柱端,試驗裝置如圖2所示.

圖2 試驗裝置

1.3 試驗方案

試驗加載程序分為預加載和正式加載2個階段.預加載分3級進行,每級取10 kN,然后分級卸載.正式加載時每級取10 kN,加載完后停歇10 min,一直加載直至試件破壞.停歇過程中,觀測試件的裂縫開裂發展過程,并在板上相應位置進行標記.

在板底面4個角上各布置1個位移計,測量空心板4個角的翹曲變化.在板底面中心處布置1個位移計,測量板底中心位移的變化情況.板頂和板底受力鋼筋應變采用應變片測量.在空心板頂面.柱周邊布置混凝土應變片,應變片至柱邊間距為板厚的1倍.

2 試驗結果

2.1 破壞形態

所有試件均發生沖切破壞.在破壞之前,沒有發生明顯的豎向位移.臨近破壞荷載時,突然發出一聲脆響,承載力迅速降低,同時,板底面撓度迅速增大,由此判斷板發生破壞.表2列出了各試件破壞時的荷載.

表2 試件的破壞荷載

2.2 裂縫發展

裂縫首先出現在板底.當荷載達到開裂荷載時,板底出現第一批裂縫,裂縫順著管向從柱邊延伸至板邊(見圖3(a)).隨著豎向荷載的增加,板底開始出現斜裂縫,且裂縫與管向的夾角不斷變大,最早出現的裂縫開始貫通(見圖3(b)).達到破壞時,板底裂縫呈以柱為中心、向板四邊發散的狀況,且最初平行于管向的細裂縫演變為寬裂縫(見圖3(c)).

圖3 裂縫的發展過程

2.3 荷載-位移曲線

荷載的施加方式為逐級加載,每級荷載為10 kN.當荷載較小時,隨著荷載的增加,位移呈近似線性增長,板基本處于彈性工作階段;荷載較大時,位移增長開始呈現非線性變化,大部分試件的荷載-位移曲線明顯向位移軸彎曲(見圖4);施加到破壞荷載時,柱頭突然下沉,并伴隨著混凝土開裂聲;此后,繼續加載,位移明顯增大,荷載則反而減小,至此,判斷試件已經破壞.在破壞之前,豎向位移很小,而破壞時柱頭突然沖下,屬于脆性破壞.破壞形態與實心板的沖切破壞相似.

圖4 荷載-位移曲線

2.4 沖切角

根據實測破壞后沖切錐、加載柱頭的尺寸和板厚,可以計算出沖切角的大小,結果見表3.由表可知,絕大部分順管向的沖切角度為50°～60°,而垂直管向的沖切角度大多為30°～45°,即順管向的沖切范圍大于垂直管向的沖切范圍.

表3 試件的沖切范圍

3 結果分析

3.1 板厚的影響

試件AX1,AX2,AX3的板厚分別為100,125,160 mm,上下層實心區域厚度、肋寬均為25 mm,空心率分別為26.2%,35.3%,44.0%.試驗結果顯示,AX1,AX2,AX3的承載能力分別為180,190,200 kN.按實心板沖切理論,增加板厚能夠增大抗沖切承載力;但對于空心板而言,當厚度不變時,空心率的增大會減少沖切面內包含的實心混凝土面積,繼而降低抗沖切承載力.為此,選取單位長度的空心板,沖切角取45°,計算有效沖切面面積,結果見表4.由表可知,沖切面面積呈近似線性增長,與之對應的承載力也呈線性增長,符合沖切公式規律.在肋寬、上下壁厚固定的情況下,增加板厚可提高沖切面內混凝土的有效受力面積,從而提高沖切承載力.

表4 板厚與沖切承載力的關系

3.2 孔徑的影響

試件AX3,AX8,AX9均為厚160 mm的空心板,其布管直徑分別為100,75,50 mm,孔徑與板厚之比(管厚比)分別為5/8,15/32,5/16.從圖5中可以看出,當管厚比小于0.5時,隨著孔徑的不斷增大,承載力明顯降低;當管厚比為0.5～0.6時,隨著孔徑的不斷增大,承載力緩慢下降.在不大幅度削弱沖切承載力的前提下,為了降低造價,可將孔徑設計得大一些,以節約混凝土用量.

圖5 沖切承載力-管厚比曲線

3.3 肋寬的影響

試件AX2,AX4,AX5均為厚125 mm的空心板,其肋寬分別為25,50,75 mm,承載力分別為190,200,220 kN.抗沖切承載力隨著肋寬的增加而增加,且呈非線性增長的特點.試件AX2,AX4以及試件AX4,AX5的肋寬差均為25 mm,但其承載力之差分別為10和20 kN.由此可知,當肋寬較大時,增加肋寬能夠有效地提高抗沖切承載力.因此,在實際設計中,建議采用大尺寸肋寬.

3.4 板配筋率的影響

試件AX2,AX6,AX7的板厚、肋寬、上下壁厚均相同,僅配筋率不同.試件AX6與試件AX2相比,板面鋼筋增加了1倍;而試件AX7相比試件AX6,板底鋼筋增加了1倍.從表5可以看出,增加板頂鋼筋后,試件的承載力提升了10.5%;而增加板底鋼筋后,試件承載能力提高了36.8%.因此,在板底加密鋼筋比在板頂加密鋼筋效果好,承載力提高更明顯.

表5 配筋率與沖切承載力的關系

造成此現象的原因主要有:① 配筋率變化時,板頂和板底沖切范圍內增加的有效受力鋼筋數量不同.以板頂和板底配筋率同時增加1倍為例,當鋼筋未加密時,在板頂和板底沖切線范圍內存在2根有效受力鋼筋(見圖6(a)).當鋼筋加密后,板頂沖切線范圍內依然只有2根受力鋼筋,增加的有效鋼筋數量為0,對承載力變化影響較小,而板底沖切線范圍內受力鋼筋數量增長為6根,圖6(b)中虛線1,2,3,4分別表示增加的4根有效受力鋼筋,故而承載力得到明顯提高.② 類似于簡支梁理論,板上層受力形態主要為混凝土受壓,以混凝土受壓破壞為臨界點,增加鋼筋用量對上層混凝土受壓作用不明顯.而板下層受力形態為鋼筋承受拉力,增加鋼筋用量能夠有效提升下部受拉承載力,繼而充分發揮上部混凝土受壓性能,提高沖切承載力.

圖6 鋼筋加密對沖切承載力的影響

3.5 抗沖切承載力的計算公式

綜合上述影響空心板柱節點抗沖切承載力的因素和相關規范規程,假定半經驗空心板柱節點的抗沖切承載力公式為

(1)

式中,d為空心管直徑;ρ為板抗拉鋼筋的配筋率;η為空心板柱抗沖切承載力的修正系數;l為空心部分長度;h為板厚;um為沖切臨界凈截面周長,且um=2(c1+h0)+2(c2+h0),其中c1,c2分別為柱子截面的高度和厚度,h0為板的有效高度.

根據試驗數據,利用最小二乘法可得η=1.9.則式(1)可變為

(2)

將式(2)的計算結果Fl與沖切承載力試驗結果Fl1進行對比,結果見表6.

表6 沖切承載力計算值與試驗值的對比

由表6可知,大部分計算值與試驗值相近.考慮到試驗的離散型以及局限性,還需獲取更多的試驗數據來驗證公式的準確性.

4 結論

1) 空心板柱結構節點的沖切破壞形式為脆性破壞.破壞之前,柱子豎向位移較小;破壞時,柱子突然下墜而喪失承載力.其破壞形態和實心板柱結構的破壞形態相似.

2) 板底柱邊緣首先產生裂縫,沿著順管向延伸至板邊.破壞前,板底密布順管向裂縫和垂直管向裂縫;板底沖切破壞時呈現矩形沖切環.順管向的沖切角度為50°～60°,而垂直管向的沖切角度為30°～45°.

3) 增加肋寬和板厚,可以提高空心板的極限沖切承載力.相對于增加板面鋼筋而言,增加板底鋼筋對沖切承載力的提高更明顯.

4) 以實心板柱的抗沖切承載力計算公式為基礎,分析了空心板柱抗沖切影響因子,提出了空心板柱節點的抗沖切承載力計算公式,且計算結果與試驗數據相近.

)

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