钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础节点抗冲切性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 7 期 2013 年 4 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 7 Apr 2013 钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础节点 抗冲切性能试验研究 * 卜永红 1， 王毅红1， 张 耀 2， 李 皓 2 ( 1 长安大学建筑工程学院，西安 710061;2 西部建筑抗震勘察设计研究院，西安 710054) 摘要对埋入钢筋混凝土基础梁式钢管混凝土柱脚节点进行抗冲切性能试验研究， 设计了 8 个试件， 研究无加 强措施， 以及带栓钉、 带抗剪环与带外加强环板的三种埋入基础梁式钢管混凝土柱脚节点在竖向荷载作用下的受 力性能及其破坏形式， 并与不采取抗冲切措施的节点进行比较， 研究三种措施的抗冲切效果， 分析节点核心区域中 栓钉、 抗剪环与加强环板对柱脚节点承载能力及破坏形式的影响， 为钢管混凝土柱脚节点的设计及其工程应用提 供参考。 关键词钢管混凝土柱;柱脚节点;冲切;栓钉;抗剪环;加强环板 中图分类号: TU528. 571文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 07- 0094- 05 Experimental study on punching shear behavior of CFST column and RC foundation beam nodes Bu Yonghong1，Wang Yihong1，Zhang Yao2，Li Hao2 ( 1 School of Construction Engineering，Changan University，Xian 710061，China; 2 Western Construction Seismic Investigation，Design Research Institute，Xian 710054，China) Abstract:The punching shear behavior of column foot nodes of CFST columns embedded in RC foundation beams was studied Eight specimens were designed with toggle pin reinforcement，shear ring reinforcement，shear annular plate reinforcement and no reinforcementVertical loading was carried out on specimens to study their bearing performance and failure mode By comparing different kinds of node reinforcement，punching shear behavior was studied The influence of toggle pin，shear ring and shear annular plate in the node core area on the bearing performance and failure mode of CFST column foot nodes was analyzed The results provide a reference for the design and application of CFST column foot nodes Keywords: CFST column;column foot node;punching shear;toggle pin;shear ring;shear annular plate * 陕西省自然科学基金项目: 高层组合结构体系抗震关键技术研究 ( 2006E208) 。 作者简介: 卜永红， 博士研究生， 工程师，Email: byh956 126 com。 0引言 钢管混凝土结构因其优越的性能在工程中得到 广泛的应用， 但钢管混凝土柱脚节点的研究滞后于 工程应用， 问题较多 1- 3， 相关规范4- 7中没有明确 规定钢管混凝土柱脚节点的设计计算内容， 钢管混 凝土柱脚节点成为现今推广钢管混凝土在高层建筑 中应用的关键技术问题之一。钢管混凝土柱脚按其 与混凝土基础的连接形式， 可分为端承式柱脚和埋 入式柱脚。端承式柱脚施工简便， 与钢结构柱和基 础连接的方式相近 8， 9， 基础施工时只需将地脚螺 栓埋入承台中即可， 该节点抗弯能力较差， 曾出现过 地震中柱脚被拔出的情况 10。埋入式柱脚节点整 体性好， 传递弯矩可靠， 抗震性能好， 但节点构造的 研究较少， 有关钢管混凝土柱脚试验的参考资料也 很少， 对埋入式钢管混凝土柱脚的设计计算， 相关规 范中没有明确的构造规定， 也没有定量的计算方法。 在埋入式柱脚节点设计中， 如何保证节点不发生冲 切破坏， 是值得研究的问题。 本文从实际工程中选取试验模型， 通过试验确 定直接埋入钢筋混凝土基础梁的柱脚节点冲切破坏 的冲切面位置和冲切破坏的特点， 比较在钢管混凝 土柱脚上， 设置栓钉、 加强环板、 抗剪环等措施， 提高 柱脚抗冲切能力的实际效果， 为实际工程中钢管混 凝土的设计与应用提供参考。 1试验设计 1. 1 试件制作 试件按 1 6缩尺比例， 共设计 8 个钢管混凝土 埋入基础梁式柱脚节点试件， 其中 ZJ/J- 1 和 ZJ/J- 2 无抗冲切加强措施， ZJ/J- 3 和 ZJ/J- 4 采用栓钉加 强， ZJ/J- 5 和 ZJ/J- 6 采用钢筋环箍加强， ZJ/J- 7 和 ZJ/J- 8 采用外加强环板加强， 柱脚钢管上的加强措 施见图 1。试件的配筋形式及所用材料完全相同。 无加强措施节点模型 ZJ/J- 1 和 ZJ/J- 2 钢管混凝土 柱、 柱脚构造环板、 基础梁尺寸及配筋见图 2， 其余 各试件配筋、 试件尺寸与试件 ZJ/J- 1 和 ZJ/J- 2 相 同， 各试件在埋入段钢管上的加强措施及相关尺寸 见图 3。 第 43 卷 第 7 期卜永红， 等 钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础节点抗冲切性能试验研究 图 1钢管核心区加强措施 ( 从左至右分别为 ZJ/J- 1 ZJ/J- 8) 1. 2 试件材料性能 钢管、 外 加 强 环 板 和 柱 脚 下 环 板 的 钢 材 为 Q235， 钢材力学性能指标实测值见表 1， 混凝土立方 体抗压强度平均值为 34. 4 MPa， 根据混凝土结构 设计规范 ( GB 500102010) 第 4. 1. 3 条及其条文 说明， 可计算得到抗拉强度为 2. 72MPa。 1. 3 试验加载与测点布置 试件混凝土基础梁铰支， 在钢管混凝土柱顶端 用油压千斤顶施加竖向荷载， 传感器控制荷载大小， 钢材材料性能参数表 1 规格 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/MPa 8 3585092. 1 105 12 4166452. 1 105 22 4526192. 1 105 钢管( 厚 4mm)332439 2. 1 105 试验加载装置见图 4。分级施加竖向荷载， 每级荷 载增加 10kN， 持荷时间 2min， 持荷时记录位移计读 数。为了详细了解埋入式钢管混凝土柱脚节点各构 件的受力及传力机理， 在钢管柱壁、 梁底纵向钢筋、 箍筋及混凝土表面布置应变测点。试验测点位置如 图 5 所示。 2试验过程及破坏形态 图 6( a) 为试件 ZJ/J- 1 裂缝分布图和破坏后照 片， 其试验现象特征为: 梁端两侧在试验中形成与竖 直方向成略大于 45裂缝向梁内侧延伸， 侧面较宽 的 2 条斜裂缝相交贯通， 形成上下两条倒抛物线形 裂缝， 随荷载加大， 试件跨中部位出现裂缝， 梁跨中 挠度急剧增加， 下边抛物线裂缝急剧变宽， 梁底混凝 图 2试件 ZJ/J- 1 和 ZJ/J- 2 基础梁尺寸及配筋 图 3各试件在埋入段钢管上的加强措施及相关尺寸 59 建筑结构2013 年 图 4加载装置 土劈裂， 开始脱落。最后钢管下部混凝土成锥形冲 出， 钢管下沉， 梁上表面无明显破坏。试件 ZJ/J- 2 破坏过程和形态与试件 ZJ/J- 1 相似。 图 6( b) 为试件 ZJ/J- 3 与 ZJ/J- 4 裂缝分布图和 破坏后照片。试件 ZJ/J- 3 试验现象特征为: 试件的 最初裂缝出现在梁中底部; 裂缝集中出现时， 具有较 为明显的层次， 层数与栓钉排数相一致; 主裂缝是所 有裂缝中最上部的裂缝， 主裂缝呈现倒抛物线形， 裂 缝大致沿斜 45方向开展; 试件破坏是以混凝土梁 的主裂缝明显加大、 试件不能持荷、 梁中挠度过大宣 告破坏的， 试件压溃时侧面第二根箍筋发生断裂。 试件 ZJ/J- 4 破坏过程和形态与试件 ZJ/J- 3 相似， 和 最上层栓钉位置相同处为主裂缝， 主裂缝与梁底间 混凝土体积较小。 图 6( c) 为试件 ZJ/J- 5 与 ZJ/J- 6 裂缝分布图和 破坏后照片， 其中 ZJ/J- 5 主裂缝发生在最上层钢筋 环箍位置， 裂缝较 ZJ/J- 3 少， 大致分为两层， 梁顶混 凝土压碎; ZJ/J- 6 裂缝也大致分两层， 高度与环箍位 置相同， 但最终从底层裂缝下部冲切破坏， 梁上部混 凝土没有破坏。 图 6( d) 为试件 ZJ/J- 7 与 ZJ/J- 8 裂缝分布图和 破坏后照片。ZJ/J- 7 与 ZJ/J- 8 试验中大致只有一 层裂缝， 在各自最上层环板处， 最终破坏时， 都是梁 一侧斜剪裂缝斜向贯通破坏。 3试验结果分析 根据试验现象并结合图 6 分析可得: ZJ/J- 1 与 ZJ/J- 2 主裂缝在下环板处， 破坏形状为小锥形， 属于 冲切破坏; ZJ/J- 3 主裂缝最上端在上排栓钉处， 破坏 形状为抛物线形且下端延伸至支座处， 属于剪切破 坏; ZJ/J- 4 主裂缝最上端在上排栓钉处， 破坏形状为 倒 V 字形， 下端延伸未到支座处， 破坏形式介于剪 切破坏和冲切破坏之间; ZJ/J- 5 主裂缝最上端在上 排抗剪环处， 破坏形状为抛物线形且裂缝延伸至梁 上表面， 曲线范围内混凝土体积较大， 属于剪切破 坏; ZJ/J- 6 主裂缝最上端在上排抗剪环处， 最终破坏 时下 部 混 凝 土 被 冲 出， 发 生 冲 切 破 坏; ZJ/J- 7 与 ZJ/J- 8 试验中大致只有一层裂缝，在各自最上层环 图 5试验测点位置 图 6各试件破坏形态 69 第 43 卷 第 7 期卜永红， 等 钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础节点抗冲切性能试验研究 板处， 最终破坏时， 都是梁一侧斜剪裂缝斜向贯通破 坏， 属于剪切( 压) 破坏。 表 2 列出了各试件的开裂荷载、 极限荷载及极 限荷载对应梁底跨中的位移。图 7 是试件竖向加载 时， 梁底跨中的荷载-位移曲线。从图中可以看到几 种构造措施对节点承载能力都有显著的提高。其中 外加强 环 板 对 节 点 极 限 承 载 力 的 提 高 最 大， 如 ZJ/J- 8比 ZJ/J- 2 提高约 56% ， 另外两种措施提高也 达 20% 49% 。三种构造措施对节点基础梁竖向 变形能力的提高也较明显， 提高约 19% 311% 。 试件开裂荷载、 极限荷载及对应的位移表 2 试件编号开裂荷载 /kN极限荷载 /kN 极限荷载对应梁底 跨中的位移 /mm ZJ/J- 11104102. 01 ZJ/J- 21203903. 44 ZJ/J- 31705756. 57 ZJ/J- 41404907. 33 ZJ/J- 51505804. 11 ZJ/J- 61405405. 10 ZJ/J- 71506057. 91 ZJ/J- 81806108. 27 图 7ZJ/J- 1 ZJ/J- 8 混凝土梁梁底跨中荷载-位移曲线 8 个试件的配筋形式相同， 分析各个试件的箍 筋荷载-应变图， 都有相似的规律， 图 8 是试件ZJ/J- 3 的核心区箍筋荷载-应变曲线图( 基础梁箍筋由靠近 柱脚到远离柱脚分别命名为 G1 G5) ， 靠近钢管混 凝土柱的混凝土最早开裂， 箍筋最早受力， 随着荷载 的增加， 混凝土裂缝向四周延伸， 与裂缝相交的箍筋 开始受力。这也说明柱脚试件的冲切破坏是从钢管 混凝土柱边缘开始的， 位置在加强措施的开始高度 周围。柱脚试件冲切锥体内的箍筋应变值都比箍筋 材性试验屈服应变值大很多， 这表明基础梁配置的 箍筋对柱脚抗冲切有很大贡献， 所以应当在钢管混 凝土柱周围进行箍筋加密， 加密区范围为从钢管混 凝土柱加强措施高度沿 45线与底梁相交范围。 图 9 为 ZJ/J- 1， ZJ/J- 3， ZJ/J- 6 和 ZJ/J- 7 混凝土 梁底部中间纵向钢筋荷载-应变曲线， 基础梁中纵筋 图 8ZJ/J- 3 混凝土梁核心区箍筋荷载-应变曲线 在各节点达到最大荷载时均屈服， 这表明纵筋在节 点的抗冲切和抗剪过程中均承受了较大的荷载， 且 纵筋承担的荷载相差不大。 图 9ZJ/J- 1， ZJ/J- 3， ZJ/J- 6， ZJ/J- 7 混凝土梁 底部纵筋荷载-应变曲线 图 6 表明试件冲切破坏的主要破坏位置在钢管 混凝土柱底端向下 45范围左右。在试验过程中， 钢管的实测应变值都随荷载呈线性增长， 但均未达 到材性试验时的屈服应变值， 表明钢管混凝土柱还 处于弹性状态。 未加抗冲切措施的节点， 其在竖向荷载作用下 的情况与钢筋混凝土梁在集中荷载作用时类似， 荷 载施加的位置移到钢管最下端， 大大缩小了承担荷 载作用的混凝土和钢筋范围， 使得发生了在较小荷 载作用下的冲切破坏; 而采取了抗冲切措施的节点， 其荷载作用的范围变大， 节点极限承载力提高。所 以， 要保证抗冲切承载力， 使抗剪承载力较大， 需要 扩大钢筋混凝土梁受力范围， 在钢管外部采取措施， 如增加栓钉、 抗剪环、 加强环板等， 通过抗冲切计算 确定其在钢管上设置的高度、 大小、 数量等。同时， 在冲切范围内( 比沿竖向荷载 45作用范围稍大) 通 过计算设置箍筋加密区， 保证钢筋混凝土梁的抗剪。 钢管混凝土柱脚节点区别于钢筋混凝土柱脚节 点的是钢管将柱内的混凝土与柱外基础梁的混凝土 分割开， 使得基础梁的受力点发生了下移， 所以要增 79 建筑结构2013 年 加钢管与混凝土的粘结性能， 尤其是钢管和其外部 混凝土之间的粘结， 可通过设置足够的栓钉、 抗剪 环、 加强环板等措施来改善其粘结性能， 增强粘结面 的抗剪能力， 从而改善钢管混凝土柱脚节点的受力 性能。 分析表明， 钢管混凝土柱的埋深、 钢管和其外部 混凝土的粘结性能、 抗冲切面的大小、 箍筋和纵筋的 设置、 钢管和混凝土的强度等因素都影响钢管混凝 土柱脚节点破坏性质和极限承载力。 4钢管混凝土柱脚节点设计建议和基本构造 ( 1) 试验表明， 该类节点影响其抗冲切承载能 力的主要因素是冲切面的高度， 由于钢管混凝土柱 使得钢管内外的混凝土分隔开， 钢管伸入基础梁内 越深， 节点的抗冲切承载力越低， 但节点同时要满足 抗震性能的需要， 能够承受一定的水平力， 这就要求 钢管混凝土柱在基础梁内有足够的埋深。所以， 需 要采取和文中类似的措施来提高钢管混凝土柱与混 凝土基础梁之间的粘结性能， 以提高此类节点的抗 冲切能力。 ( 2) 钢管混凝土柱在基础梁内的埋深确定后， 柱上抗冲切构件在基础梁内的布置应尽量高， 以扩 大梁内抗冲切范围， 提高节点抗冲切能力。 ( 3) 当冲切面高度一定时， 要求钢管混凝土柱 上的抗冲切构件具有足够的强度， 使接触面的抗剪 承载力得到保证。比如可通过增加栓钉个数和增大 栓钉直径、 增大钢筋抗剪环层数和增大抗剪环钢筋 直径、 增大加强环板的厚度、 面积以及个数等措施来 实现。 ( 4) 在钢管混凝土柱周围， 从冲切面沿 45冲切 角范围内混凝土底梁箍筋需要加密。由于冲切的空 间性， 当柱子尺寸和基础梁宽相比较小时， 可在柱子 两侧配置箍筋， 以提高抗冲切性能。 ( 5) 相关资料 11表明， 梁底纵向钢筋对节点抗 冲切承载力有一定影响， 在确定基础梁的抗弯承载 力时， 应考虑它对节点抗冲切性能的提高作用。 ( 6) 试验表明， 加强环板由于其对混凝土的作 用面积较大， 对混凝土的竖向约束较强， 其抗冲切性 能较好， 且对节点的抗剪能力也有较大提高; 栓钉和 钢筋抗剪环对混凝土的竖向约束相对较弱， 但设计 合理也可满足节点抗冲切设计要求。 ( 7) 节点构造还可采用增加基础梁高度或柱底 加腋的方法及配置腹筋提高节点抗冲切能力。按计 算所需的箍筋及相应的架立钢筋应配置在与 45冲 切破坏锥面相交的范围内， 且从集中荷载作用面或 柱截面边缘向外的分布长度不应小于 1. 5h0( h0为 基础梁有效高度) ; 箍筋应做成封闭式， 并箍住架立 钢筋， 直径不应小于 8mm， 间距不应大于 h0/3; 按计 算所需弯起钢筋的弯起角度可根据基础梁的厚度在 30 45之间选取; 弯起钢筋的倾斜段应与冲切破 坏锥面相交; 其交点应在集中荷载作用面或柱截面 边缘向外 ( 1 /3 1 /2) h 的范围内 ( h 为基础梁高 度) 。弯起钢筋的直径不宜小于 12mm， 且每一方向 不宜少于 3 根。 5结论 通过对钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础梁节点 抗冲切措施试验研究结果的分析， 可以得到以下几 条结论: ( 1) 带栓钉、 带抗剪环与带外加强环板三种措 施均增强了钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础梁的粘 结， 有效提高了节点的竖向承载力。三种措施合理 布置均能有效防止节点冲切破坏的发生。 ( 2) 给出了三种措施节点的设计建议和基本构 造要求， 为此类节点的设计和工程应用提供了参考。 ( 3) 三种措施节点有待进一步研究以给出该类 节点准确的抗冲切计算公式， 文中结论有待更多的 试验研究和数值计算验证。 参考文献 1 黄庆辉， 梁启智 钢管混凝土柱新型柱脚节点的试验 研究J 建筑结构， 2003， 33( 9) : 63- 65 2 王秀丽， 刘明路， 师伟 新型方钢管混凝土柱与混凝土 梁的节点破坏机理J 兰州理工大学学报， 2006， 32 ( 6) : 131- 135 3 柏宇 分层钢管混凝土芯柱及其节点的试验研究D 北京: 清华大学， 2004 4 CECS 28: 90 钢管混凝土结构设计与施工规程S 北 京: 中国计划出版社， 1990 5 JGJ 9998 高层民用建筑钢结构技术规程S 北京: 中国建筑工业出版社， 1998 6 CECS 188: 2005 钢管混凝土叠合柱结构技术规程S 北京: 中国计划出版社， 2005 7 JGJ 1382001 型钢混凝土组合结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2002 8 BALLIO G， MAZZOLANI F M Theory and design of steel structuresM London: Chapman and Hall， 1983 9 KUZMANOVIC B O，WILLIAMS NSteel design for structural engineersM Prentic-hall，Inc，Englewood， Cliffs，New Jersey，1977 10 汤鹏 型钢混凝土柱脚性能的研究D 西安: 西安建 筑科技大学， 2006 11 周朝阳， 连晓庄 欧洲规范 EC2 抗冲切设计方法评介 J 建筑结构， 2000，30( 10) : 34- 37 89