空心板柱結構中柱節(jié)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(yōu)點[4].目前,關于板柱結構的研究多集中于實心板柱節(jié)點抗沖切性能的研究[5-11],而對空心板柱節(jié)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(jié)點區(qū)域,空心部分與實心部分的連接處應力集中,發(fā)生局部沖切破壞的可能性較大.某一節(jié)點的沖切破壞可能會導致相鄰節(jié)點因超載而發(fā)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(jié)點進行抗沖切試驗,獲得其沖切破壞形態(tài),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(jié)點沖切承載力的試驗數據,為發(fā)展和完善空心板柱結構體系的設計理論、制定相關的規(guī)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(jié)點試件參數

1.2 試驗裝置

試驗中,通過在節(jié)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(fā)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(tài)

所有試件均發(fā)生沖切破壞.在破壞之前,沒有發(fā)生明顯的豎向位移.臨近破壞荷載時,突然發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)散的狀況,且最初平行于管向的細裂縫演變?yōu)閷捔芽p(見圖3(c)).

圖3 裂縫的發(fā)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(xù)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(tài)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(qū)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(guī)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(jié)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(tài)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(tài)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(fā)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(jié)點抗沖切承載力的因素和相關規(guī)范規(guī)程,假定半經驗空心板柱節(jié)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?yōu)?/p>

(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(jié)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(tài)和實心板柱結構的破壞形態(tài)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(huán).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(jié)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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