梁柱配筋對混凝土局部受壓承載力影響研究

王 英，鄭文忠，李二航

（哈爾濱工業大學 土木工程學院，150090 哈爾濱，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

梁柱配筋對混凝土局部受壓承載力影響研究

王 英，鄭文忠，李二航

（哈爾濱工業大學 土木工程學院，150090 哈爾濱，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

針對現行規范計算混凝土局部受壓承載力時，未考慮預應力框架節點處箍筋和梁柱縱筋影響的問題，本文在計算混凝土局部受壓承載力時，引入了預應力框架節點處梁柱配筋的影響，提出了框架節點處與錨墊板相交的箍筋和梁柱縱筋作為等效墊板的思想.研究結果表明:柱縱筋、梁縱筋和節點箍筋的等效新增的局部受壓面積可取為3倍鋼筋直徑長度在垂直于預應力筋方向的投影面積.基于分析結果，給出了考慮梁柱配筋影響的局部受壓面積和底面積的計算公式，提出了考慮梁柱縱筋和箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計算方法.

梁柱配筋;局部受壓承載力;等效墊板

針對預應力錨具下混凝土的局部受壓問題，國內外學者進行了大量的理論分析和試驗研究［1－6］，但是，近些年的科學研究及工程實踐表明，《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)［7］(以下簡稱現行規范)中有關混凝土局部受壓承載力的計算方法存在一些問題，例如預應力混凝土框架節點區域，為滿足局壓承載力的要求，設計時需要在錨固區域配置大量的間接鋼筋，使得節點區域配筋過于密集，混凝土難以澆筑密實，影響施工效率和工程質量.預應力混凝土框架節點外側，與預應力混凝土梁相交的柱和梁中的縱筋以及節點箍筋對混凝土局部受壓承載力有一定的提高作用，而在現行規范中未考慮梁柱縱筋和節點箍筋的影響.

本文研究了預應力混凝土框架節點處梁柱縱筋和節點箍筋對混凝土局壓承載力的影響，提出了將位于錨墊板內側的梁柱縱筋和節點箍筋作為等效墊板的思想.通過對文獻［8］用柱縱筋和箍筋代替局壓影響區網片增強局部承壓承載力的試驗結果的分析，提出了考慮梁柱配筋影響的局壓面積和計算底面積的計算公式，建立了考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的局部受壓承載力計算方法.

1 考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的混凝土局壓承載力計算方法

在預應力混凝土框架節點區域，與預應力梁相交的柱和梁中配置了大量的縱筋和箍筋.文獻［2］試驗研究表明，采用柱中縱筋和箍筋代替局部受壓鋼筋網片實現局部承壓是可行的，柱縱筋和箍筋對局部受壓影響區域內混凝土的約束在受力變形時形成多軸受力狀態，可以利用三軸應力狀態下混凝土強度提高來解決局部受壓強度不足的問題.以此結論為基礎進行推廣，預應力混凝土框架節點外側，與預應力混凝土梁相交的梁柱縱筋和節點箍筋能夠提高混凝土局部受壓承載力.

為考慮梁柱縱筋和節點箍筋對混凝土局部受壓承載力的影響，可以把梁柱縱筋和節點箍筋作為等效墊板的.位于錨墊板內側的梁柱縱筋和箍筋的作用等效為墊板，當局部受壓荷載通過梁柱縱筋和箍筋向預應力梁內部傳遞時，在一定長度L范圍內，如圖1所示，荷載通過鋼筋按剛性角向預應力梁內傳遞.基于此，考慮梁柱縱筋和節點箍筋的影響后，局壓面積Al增大，計算底面積Ab亦相應變化，使得現行規范中有關局部受壓承載力公式的計算參數發生變化，但計算公式的形式不變.故依據下述確定局壓面積Al和計算底面積Ab的計算方法，即可開展考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計算.

圖1 考慮梁柱縱筋和箍筋影響的局部受壓面積

2 Al和Ab的計算方法

依據文獻［8］的試驗數據，研究可視為等效墊板的縱筋和箍筋的長度L.文獻［8］開展了12個柱節點錨固區的局部受壓試驗，其中5個試件為單向孔道，用來模擬單向預應力混凝土框架的邊柱;7個試件為雙向孔道.試件尺寸均為320 mm×320 mm×900 mm，試件概況見圖2.

圖2 局部受壓試件(mm)

試件的混凝土立方體抗壓強度實測值fcu=32.1 N/mm2，fc=0.76fcu=24.4 N/mm2，ft=2.20 N/mm2，Ec=3.064 ×104N/mm2.

試驗采用2種加載方式:不加軸向壓力，按等級施加局部受壓荷載(每級施加荷載為0.2 t)至試件破壞;先施加軸向壓力到設計值，維持軸向壓力不變，按等級施加局部受壓荷載(每級施加荷載為0.2 t)至試件破壞.試件的加載見圖3.

圖3 試件的加載

局壓試件配筋與破壞荷載如表1所示.

表1 試件配筋與破壞荷載

試件中未設置鋼筋網片，采用尺寸為140 mm×140 mm和120 mm×120 mm的墊板.以ZKD1為例，來確定可作為等效墊板的鋼筋長度.

ZKD1設置尺寸為140 mm×140 mm的墊板，墊板在ZKD1中的位置見圖4.2根縱筋和2根箍筋與墊板相交，直徑分別為10 mm和6.5 mm.

圖4 ZKD1中局部受壓墊板

按現行規范計算，Al=140×140=19 600 mm2.考慮箍筋和縱筋的影響，與墊板相交的一定長度內的箍筋和縱筋作為等效鋼板，增加了局部受壓面積.新增面積為4根鋼筋中可作為剛性傳遞局部受壓荷載的4段鋼筋的縱向截面面積.假設作為剛性傳遞局部受壓荷載的鋼筋長度L是鋼筋直徑的n倍，增加后的局部受壓總面積A'l的取值見圖5.

圖5 局部受壓面積A'l的取值

考慮箍筋和縱筋影響的局部受壓面積A'l=140×140+4×6.5×6.5n+4×10×10n.考慮箍筋和縱筋影響的計算底面積A'b可按照與局部受壓面積同心和對稱的原則確定.新增局壓面積ΔAl=d×nd，d為鋼筋直徑，計算底面積的增量ΔAb=3d × nd.對應于上述的 A'l，A'b=320 ×420+4×3×6.5×6.5n+4×3×10×10n，A'b的取值方法見圖6.

圖6 計算底面積A'b的取值

計算考慮箍筋和縱筋影響的混凝土局壓承載力時，首先要確定n的取值.經試算，當n=3時，計算得到混凝土局壓承載力與實驗值的吻合較好，見表2.

表2 試件局部受壓承載力計算值與實測值

將此思想進一步推廣，得出考慮預應力混凝土框架節點外側的梁柱縱筋和節點箍筋影響的局部受壓面積A'l和計算底面積A'b的計算方法.

1)理清預應力混凝土框架梁柱節點處的梁柱縱筋和節點箍筋的配置情況，確定與錨墊板相交的梁柱縱筋和節點箍筋的直徑以及數量.

圖7 試驗點、下包曲線

3 局部受壓承載力的計算

綜上所述，考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的局部受壓承載力計算公式為

若錨固區域內配置對提高局部受壓承載力有利的間接鋼筋，則局部受壓承載力計算公式中應引入間接鋼筋的貢獻量，即

φ為軸向壓力對混凝土局部受壓破壞荷載的提高系數，φ為開雙向孔洞時，另一方向孔洞對所計算方向局部受壓破壞荷載的降低系數.軸向壓力對局部受壓承載力有一定的提高作用，而開雙向空洞對局部受壓承載力有一定的削弱作用，但軸向壓力對局部受壓承載力的提高作用大于開雙向孔道的削弱作用［8］.故實際工程設計時可暫不考慮φ和φ對局部受壓承載力的影響，作為預應力混凝土局部受壓承載力的安全儲備.

考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計算公式為

近年來，哈爾濱工業大學預應力與防護結構研究中心在許多預應力混凝土框架的工程實踐中，包括綏芬河青云市場套(擴)建工程、哈醫大第一臨床醫院實驗樓套建增層改造工程、哈工大動力樓增層套建工程、設疊層游泳池的哈工大游泳館、長春解放大路體育館預應力混凝土框架以及七臺河體育館等，均應用了梁柱縱筋和節點箍筋作為等效墊板的思想，以考慮梁柱縱筋和節點箍筋對混凝土局壓承載力的影響.工程實踐證明，考慮梁柱縱筋和節點箍筋對混凝土局部受壓承載力的影響，可減少間接鋼筋的配置和工程造價，有利于節點處混凝土澆筑密實，提高了施工效率，保證了施工質量.

4 結論

1)為考慮預應力框架節點處梁柱縱筋和節點箍筋對混凝土局部受壓承載力的影響，提出了將與錨墊板相交的梁柱縱筋和節點箍筋視為等效墊板的思想.通過對相關試驗數據分析得出:視為等效墊板的梁柱縱筋和節點箍筋的長度可取為3倍其鋼筋直徑，新增局部受壓面積取為3倍鋼筋直徑長度范圍內的縱向鋼筋截面面積.

2)提出了考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的局部受壓面積和計算底面積的計算方法，給出了考慮梁柱縱筋和節點箍筋影響的局部受壓承載力計算公式.

3)本文研究成果暫限用于非抗震設防區工程預應力錨下局壓承載力計算.

［1］YETTRAM A L，ROBBINS K.Anchorage zone stresses in axially post-tensioned I-section members with endblocks［J］.Magazine of Concrete Research，1971，23(74):37－42.

［2］IBELL T J，BURGOYNE C J.Experimental investigation of behaviour of anchorage zones［J］.Magazine of Concrete Research，1993，45(165):281－291.

［3］GALE L，IBELL T J，WILLIAMS C.Analysis of doubly loaded end blocks in FRP-prestressed concrete［J］.Magazine of Concrete Research，2006，58(8):547－563.

［4］鄭文忠，張吉柱.密布預應力束錨具下混凝土局部受壓承載力計算方法［J］.建筑結構學報，2004，25(4):60－65.

［5］趙軍衛，鄭文忠.預應力混凝土局壓承載力計算及端部間接鋼筋的配置問題［J］.工業建筑，2007，37(11):47－52.

［6］鄭文忠，趙軍衛.考慮孔道及核心面積影響的混凝土局壓承載力試驗研究［J］.建筑結構學報，2008，29(5):85－93.

［7］GB 50010-2002混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［8］張大長，呂志濤.用柱中縱筋和箍筋代替錨固區網片局部承壓的研究［J］.建筑結構，1999，29(8):3－6.

Influence of reinforcement in columns and beams on local compression bearing capacity of concrete

WANG Ying，ZHENG Wen-zhong，LI Er-hang

(School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090，Harbin，China，zhengwenzhong@hit.edu.cn)

To perfect the calculation formula of concrete local compression bearing capacity for the current code，which has no considering the influence of longitudinal-steel in beam，longitudinal-steel in column and stirrup，the positive influence of steel in beams and columns in the local compression bearing capacity calculation，and the thought that reinforcement intersected with anchor plate in beams and columns can be regarded as equivalent plate are put forward.The analysis result shows that the equivalent new added local compression area of reinforcement in beams and columns in node can be taken as the projected area of 3 times of the diameter of steel bars in the direction of prestressed bars.Based on the analysis，the calculation formula of local compression area and calculated bottom area，and the calculation method of local compression bearing capacity considering the effect of longitudinal-steel in beam，longitudinal-steel in column and stirrup are put forward.

reinforcement in beams and columns;local compression bearing capacity;equivalent plate

TU378.1

A

0367－6234(2012)04－0007－05

2011－06－05.

國家教育部長江學者獎勵計劃資助項目(2009-37);教育部博士點基金資助項目(20092302110046);哈爾濱工業大學“985工程”優秀科技創新團隊建設項目(2011).

王 英(1968—)，女，博士，副教授;

鄭文忠(1965—)，男，博士生導師，長江學者特聘教授.

(編輯 趙麗瑩)