鋼筋混凝土箱型柱低周反復荷載作用下的剪力滯試驗研究

鄭浩成，劉 凡

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011）

在土木工程中，因箱型截面構件具有抗彎承載力大、抗扭剛度大等特點，所以其結構性能很好，在施工中得到廣泛地應用[1]。但是由于箱型截面構件翼緣板的剪切變形，使近肋板處的縱向位移優先于翼緣板中間的縱向位移，從而使得沿截面橫向分布的受力相當復雜，這就產生了剪力滯效應。

為了研究剪力滯效應，需引入剪力滯系數λ，λ定義為考慮剪力滯效應求得的正應力與按彎曲梁初等梁理論求得的正應力之比，即（σ為考慮剪力滯所得的正應力，σ取彎曲平均應力）[2-4]。

結構設計時，忽視剪力滯效應將低估箱型構件實際的應力，導致結構不安全[5]。雖然國內外學者對剪力滯效應進行了許多模擬分析及理論研究[6-7]，但是針對剪力滯效應對箱型柱的影響的研究還相對較少。本文通過對鋼筋混凝土箱型柱進行低周反復荷載試驗，研究截面壁厚比變化對箱型壓彎構件的剪力滯的影響。

1 試驗模型設計

1.1 試件設計

為探究截面壁厚比對剪力滯的影響規律[8]，試驗設計了2個箱型柱試件（RCBC-1與RCBC-4）進行試驗。試件的截面尺寸與配筋如圖1所示，基本參數如表1所列。

圖1 截面尺寸與配筋

表1 試件基本參數

1.2 試驗方法及內容

通過測試箱型截面構件各截面在混凝土開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后（極限荷載之前）的縱向應力分布，研究壁厚比對箱型截面壓彎構件剪力滯的影響。

本試驗內容包括對各測點的應變及加載點位移測試，測量各個測點的應變及加載點的位移，并觀察構件裂縫的發展趨勢，記錄各階段所對應的數據。

1.3 測點布置

在試件固端截面位置的鋼筋表面粘貼應變片，用以記錄鋼筋應力變化情況，圖2所示為固端截面應變片位置分布圖；另外，在相應部位的肋板側布置4個位移計，將位移計固定在基座上，測量得到的數據為試驗的凈位移。

圖2 應變片分布圖

1.4 加載方案

單向擬靜力試驗所使用的設備為四連桿。水平荷載加載前，按設計軸壓比計算豎向恒載（2個設計試件均為0.1）；并按恒載的50%進行預加載，循環兩次后，對試件的豎直方向緩慢加載至豎向恒載的100%。水平荷載的加載采用荷載-位移控制的方法為：試件開裂前按20 kN/40 s逐級加載，開裂后按10 kN/20 s逐級加載，并循環三次直至屈服；屈服后按屈服位移的0.2倍逐級加載，當極限承載力下降10%～15%時，對試件停止加載。加載設備和加載制度如圖3-4所示。

圖3 加載設備正面圖

圖4 加載制度示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 確定荷載-位移關系曲線

為了研究構件在低周往復荷載下從屈服到破壞的剪力滯變化，繪制了試件RCBC-1、RCBC-4的荷載-位移曲線，見圖5。由圖5可知，RCBC-1荷載達到60 kN時出現裂縫，位移達到35 mm時鋼筋屈服；RCBC-4荷載達到80 kN時出現裂縫，位移達到40 mm時鋼筋屈服。

圖5 荷載-位移曲線

2.2 壁厚比對剪力滯系數的影響

將選取構件在峰值荷載點和極限位移點時產生的剪力滯效應進行分析，通過保持兩個箱型柱構件RCBC-1和RCBC-4的其他條件相同而改變壁厚比的大小，來分析不同階段軸壓比對各截面剪力滯的影響，各階段受壓區、受拉區不同壁厚比造成的剪力滯系數變化如圖6-11所示。

（1）混凝土開裂前（見圖6-7）。在固端截面受壓區，當壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交接處的剪力滯系數為1.151，且為最大正剪力滯系數；遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為0.829，為最小負剪力滯系數。當縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端邊緣剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大；與壁厚比為0.35時相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣剪力滯系數減小2.9%，翼板中間剪力滯系數增大4.6%，在混凝土開裂前，即整體工作截面下，壁厚比變化對翼板中間剪力滯系數影響較大。

在固端截面受拉區，當壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數為1.191，為最大正剪力滯系數；遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為0.752，為最小負剪力滯系數。當壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端邊緣剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大；與壁厚比0.35時相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣剪力滯系數減小5.9%，翼板中間剪力滯系數增大12%。與受壓區截面相比，翼板邊緣與翼板中間剪力滯系數變化相對較大。

圖6 箱型柱固端翼板（受壓）

圖7 箱型柱固端翼板（受拉）

（2）帶裂縫工作階段（見圖8-9）。在固端截面受壓區，當縱橋向壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數為1.240，且為最大正剪力滯系數；遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為0.780，為最小負剪力滯系數。由彈性階段進入非彈性階段，當縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端邊緣剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大，并且與彈性階段對比，翼板邊緣剪力滯系數都有所減小，翼板中間剪力滯系數有所增大。與壁厚比為0.35時相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣鋼筋剪力滯系數減小8%，翼板中間剪力滯系數增大9.9%。

圖8 箱型柱固端翼板（受壓）

圖9 箱型柱固端翼板（受拉）

在固端截面受拉區，當縱橋向壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數為1.261，為最大正剪力滯系數；遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為0.739，為最小負剪力滯系數。當縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大，與受壓區鋼筋相比，鋼筋的剪力滯系數略大；與壁厚比為0.35時相比，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數減小4.8%，翼板中間剪力滯系數增大為12%。

由此可知混凝土開裂后，壁厚比對剪力滯系數的影響更大，且壁厚的變化對翼板中間剪力滯系數（負剪力滯）影響較大。

（3）鋼筋屈服后（見圖10-11）。在固端截面受壓區，當壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數為1.210，且為最大正剪力滯系數；遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為0.781，為最小負剪力滯系數。當壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大，且與鋼筋屈服前相比，翼板邊緣剪力滯系數有所降低，翼板中間剪力滯系數有所增大。與壁厚比為0.35時相比，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數減小5%，翼板中間剪力滯系數增大11.4%。

在固端截面受拉區，鋼筋屈服后，翼板邊緣剪力滯由正剪力滯變為負剪力滯，翼板中間的剪力滯由負剪力滯變為正剪力滯，當縱橋向壁厚比為0.35時，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數為0.905，遠離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數為1.160。與壁厚比為0.35時相比時，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數增大13.8%，翼板中間剪力滯系數減小18%。

圖10 箱型柱固端翼板（受壓)

圖11 箱型柱固端翼板（受拉）

3 結論

以兩個試驗對象為基礎，分析了壁厚比對剪力滯的影響，進行了混凝土開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后的試驗研究，對比數據得出以下結論：

（1）在低周反復荷載的工作狀態下，混凝土箱型截面壓彎構件在未開裂、帶裂縫工作、鋼筋屈服三個階段均表現出當壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時，翼板兩端邊緣剪力滯系數越來越小，翼板中間的剪力滯系數（負剪力滯）越來越大的規律，且壁厚比變對箱型柱固端翼板受壓區與受拉區化對翼板中間剪力滯系數在試驗三個階段都影響較大。

（2）試驗結果表明：隨著荷載的增大，箱型截面壓彎構件在開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后三個階段受到剪力滯影響越來越大

（3）在鋼筋屈服后，固端截面受拉區翼板邊緣剪力滯由正剪力滯變為負剪力滯，翼板中間的剪力滯由負剪力滯變為正剪力滯。

因此，在實際工程中應考慮剪力滯效應對箱型壓彎構件的影響。