型鋼混凝土抗拉柱側(cè)向撓度研究

張友順

(濟南市道路和橋隧服務(wù)中心，山東 濟南 250000)

隨著工程材料的革新和力學(xué)理論的深化，土木工程呈現(xiàn)出勃勃生機[1]。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)正是在這種發(fā)展與革新中孕育出的一種有著旺盛生命力的結(jié)構(gòu)形式，具有承載力高、剛度大、構(gòu)件截面尺寸小、耐火耐腐蝕性好、延性好、耗能能力強等優(yōu)點，可以滿足多種場合的需求[2]。型鋼混凝土抗壓柱的研究已經(jīng)比較成熟，而國內(nèi)外對于抗拉柱的研究還比較少，受拉型鋼混凝土構(gòu)件破壞機理復(fù)雜，試驗實現(xiàn)方式困難，造成國內(nèi)外對型鋼混凝土構(gòu)件的受拉性能研究較少。少數(shù)日本學(xué)者開展了針對埋入式和非埋入式型鋼混凝土柱腳偏心受拉受力的試驗研究，唐錦蜀等[3]按照實際工程構(gòu)件，采用1∶0.55的縮尺比例完成了4個型鋼混凝土梁板試件在偏心受拉狀態(tài)下的單調(diào)靜力加載試驗，研究了試件的破壞模式，裂縫分布及開展寬度、承載能力等。目前，型鋼混凝土受拉構(gòu)件已有較多應(yīng)用，例如建筑物的角柱和邊柱、工業(yè)廠房雙肢柱中的偏心受拉柱、型鋼混凝土桁架中受拉的下弦桿[4]。型鋼混凝土構(gòu)件偏心受拉容易產(chǎn)生側(cè)向撓度，增大裂縫寬度，降低構(gòu)件承載力。

鑒于此，本試驗對型鋼混凝土受拉構(gòu)件的側(cè)向撓度進行研究，以期為型鋼混凝土受拉柱的使用提供理論和試驗的支撐，也可為現(xiàn)有型鋼混凝土抗拉柱規(guī)范制定提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

依據(jù)混凝土規(guī)范的規(guī)定，撓度的研究涉及到的只是構(gòu)件的第二階段[5]，也就是構(gòu)件的正常使用階段，即是從混凝土開裂到構(gòu)件屈服的階段。參照混凝土規(guī)范的這一規(guī)定，本文對于型鋼混凝土抗拉柱的側(cè)向撓度研究也設(shè)定在構(gòu)件的第二階段。

試驗共設(shè)計8根構(gòu)件，分為小偏心受拉和大偏心受拉兩種類型，構(gòu)件的總長度是2 040mm，上下端頭板厚度分別為20mm，凈長度為2 000mm，中部澆筑混凝土的長度為1 700mm，內(nèi)置H型鋼。型鋼的“高×寬”為100mm×100mm，翼緣與腹板之間為焊接，其焊腳尺寸為8mm，翼緣和腹板的厚度有6、8mm兩種；型鋼周圍配有箍筋和縱筋，箍筋均為C6.5@100，縱筋有4C6.5和4C12兩種(所用鋼筋符號“C”表示HRB400，下同)，均沿構(gòu)件縱向通長配置；沿型鋼翼緣外側(cè)縱向通長布置栓釘，栓釘分兩排布置，栓釘?shù)臋M向間距為50mm，縱向間距為100mm；在構(gòu)件中間布置3個位移計，用以測量構(gòu)件側(cè)向撓度。具體參數(shù)列于下表1中。偏心受拉構(gòu)件模型示意及位移計布置見下圖1。

1.2 試驗加載

采用自制的抗拉加載裝置結(jié)合500 t壓力機進行構(gòu)件的抗拉試驗，用螺栓將構(gòu)件和裝置固定到一起，并用吊車將裝置放到壓力機上，按50 kN一級進行加載，記錄各構(gòu)件屈服時的側(cè)向撓度值。試驗裝置如圖2所示。

表1 構(gòu)件設(shè)計參數(shù)

圖1 構(gòu)件模型示意及位移計布置(mm)

圖2 試驗裝置就位

1.3 試驗結(jié)果分析

構(gòu)件屈服時得到三個位移計的讀數(shù)，加上構(gòu)件的兩端，一共5個點，利用這5個點可以將構(gòu)件的側(cè)向撓度繪出來。將8根構(gòu)件的側(cè)向撓度圖列于下圖3中。

從圖3可以看出：偏心距越大，側(cè)向撓度越大；所用縱向鋼筋直徑越小，側(cè)向撓度越大；型鋼翼緣越薄，側(cè)向撓度越大；腹板厚度對側(cè)向撓度的影響不明顯；偏心距和型鋼翼緣厚度對側(cè)向撓度的影響較大。

2 側(cè)向撓度計算方法

型鋼混凝土抗拉柱的受力不同于一般的受彎構(gòu)件，它除了承受彎矩還承受軸向拉力，本文在計算的時候不考慮軸向拉力對構(gòu)件側(cè)向撓度的影響，認(rèn)為軸向拉力只會對構(gòu)件的軸向產(chǎn)生影響。基于以上原則并參考文獻[5-7]中的撓度公式給出了計算偏心受拉柱側(cè)向撓度的公式。

(1)

(2)

ρr=Ar1/(bh0)

(3)

式中：f為偏心受拉柱的側(cè)向撓度，mm；S為與荷載形式、支承條件有關(guān)的撓度系數(shù)，本文中S取1/8；Mk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的彎矩值，N·mm；l0為偏心受拉柱的計算長度，mm；Bs為構(gòu)件在短期荷載作用下的短期剛度，N·mm2；Er、Ec、Es分別為鋼筋的彈性模量、混凝土的彈性模量、型鋼的彈性模量，N/mm2；Ic、Is分別為混凝土的截面慣性矩(按構(gòu)件全截面計算)、型鋼的截面慣性矩，mm4；ρr為靠近軸向拉力一側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率；Ar1為靠近軸向拉力一側(cè)的鋼筋面積之和，mm2；b為構(gòu)件截面寬度，mm；h0為靠近軸向拉力一側(cè)的鋼筋合力點到遠(yuǎn)離軸向拉力一側(cè)構(gòu)件邊緣的距離，mm。

構(gòu)件側(cè)向撓度計算所需要的參數(shù)求得如下：HRB400級鋼筋Er、Q235型鋼Es、混凝土Ec分別為2×105MPa、2.06×105MPa、3.25×104MPa，混凝土Ic、100×100×6×8型鋼Is、100×100×8×8型鋼Is、100×100×6×6型鋼Is分別為1.3×108mm4、369.04×104mm4、378.92×104mm4、299.51×104mm4，C6.5、C12鋼筋的ρr分別為0.2%、0.69%。

根據(jù)側(cè)向撓度計算公式以及上面求得的參數(shù)，即可計算出構(gòu)件屈服時的側(cè)向撓度。在做抗拉柱的試驗時，構(gòu)件的端頭鋼板會發(fā)生變形；端板與加載裝置是通過螺栓連接到一塊的，在用螺栓固定構(gòu)件時，構(gòu)件與加載裝置之間難免會存空隙；構(gòu)件端部沒有澆筑混凝土造成構(gòu)件端部的剛度比中部的剛度小。以上這些原因會使構(gòu)件屈服時的側(cè)向撓度試驗值加大，經(jīng)過8根試件的試驗值與計算值的對比，增量約為2mm，故而將撓度的計算值進行修正。試驗值與計算值的對比分析結(jié)果列于下表2中。

圖3 構(gòu)件側(cè)向撓度

表2 構(gòu)件側(cè)向撓度的試驗值與計算值對比

從表2中可以看出，側(cè)向撓度計算值與試驗值非常接近，其平均誤差為0.02，這說明本文所列出的側(cè)向撓度公式適用性較好。

3 結(jié) 論

通過研究型鋼混凝土抗拉柱的側(cè)向撓度，對現(xiàn)有公式提出新的假設(shè)并作出部分修改，使其能夠適用于抗拉柱的計算。通過對比試驗值與計算值，發(fā)現(xiàn)新公式具有較好的適用性，此外，本文還得出如下結(jié)論：(1)偏心距和型鋼翼緣厚度對側(cè)向撓度的影響較大，偏心距越大、型鋼翼緣越薄，側(cè)向撓度越大；(2)通過8根構(gòu)件來驗證側(cè)向撓度的計算公式，樣本數(shù)量較小，其準(zhǔn)確性還需要進一步驗證；(3)通過內(nèi)置H型鋼的混凝土柱來驗證側(cè)向撓度的計算公式，對于內(nèi)置其它截面形式型鋼的混凝土柱的適用性還需作進一步研究。