不同约束作用下混凝土构件局部受压的力学性能分析.pdf

2 0 1 5年 第 1 0期 1 O月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEM ENT PRODUCTS 2 0l 5 No 1 0 Oc t o be r 不 同约束作用下混凝土构件局部受压的 力学性能分析 尹新生 ， 曹展硕 ， 蔡婧娓 ( 吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究 中心 ， 长春 1 3 0 1 1 8 ) 摘 要 ： 采用对比分析的方 法， 分别讨论 了素混凝土构件 、 加 入铜筋 网片的混凝 土和加 入预应力钢绞 线的混凝土 局部 受压破坏 时裂缝 分布情 况以及极 限承载力。结果表明 ， 铜 筋网片试块 的用铜 量要远 高于预应 力筋 ， 而且预应力筋 试块在形成拉压杆体 系后 ， 极限承载力可 以大幅度提 高。 关 键 词 ： 预 应 力 ； 局 部 承 压 ； 裂 缝 分 布 ； 极 限 承 载 力 ； 混 凝 土 构 件 ； 力 学 性 能 Ab s t r a c t ：T h e d i s t rib u t i o n s o f c r a c k s i n c o n c r e t e a n d t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y u n d e r l o c a l c o mp r e s s i o n i n p l a i n c o n c r e t e me mb e r ，c o n c r e t e w i t h t h e me s h r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e wi t h p r e s t r e s s e d s t e e l s t r a n d a r e d i s c u s s e d u s i n g t h e c o mp a r a t i v e a n a l y s i s me t h o d T h e r e s u l t s s h o w t h a t s t e e l c o n s u mp t i o n i n t h e r e i n f o r c e d s p e c i me n b l o c k i s mu c h h i g h e r t h a n t h a t i n t h e p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t ， a n d p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t t e s t b l o c k i n t h e f o r ma t i o n o f t e n s i o n a n d c o mp r e s s i o n s t r u t s y s t e m， u l t i ma t e b e a ri n g c a p a c i t y c a n b e i n c r e a s e d g r e a t l y Ke y wo r d s ：P r e s t r e s s ；P a r t i a l p r e s s u r e ； Cr a c k d i s t r i b u t i o n ；U l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y ；C o n c r e t e e l e me ms ；Me c h a n i c a l p r o pe r t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 0 4 4 0 4 0前 言 局部承压是土建工程 中常见 的受力形式l l 1 。承 重结构的支座 、 预应 力结 构的锚 固区 、 装 配式柱子 接头 、 刚架或拱结构 的铰支承等均系局部承压。近 年来 ， 研究混凝土局部破坏的理论逐渐增多 ，“ 套箍 强化理论 ” 已经不能满足人们对于混凝土局部受压 问题研 究 的需要 目前 应 用最 广 泛 的理 论 是 拉 压杆 理论 ， 即把受局部压力 的混凝土构件 比作一个带多 根拉杆 的空间拱体 其 中拉压 的强度值就是混凝 土 的强度 ， 贴近受压面 的混凝土为拱顶 ， 下部一定距 离 的混 凝 土为拉 杆 ， 承受 拉力 作用 。美 国 AC I 3 1 8 0 5 混凝土结构设计规范 中就该采用理论来计算 混凝土试件的局部受压 。 目前 ， 已有许多学者进行了混凝土构件局部承 压方 面 的研究 ， 并 取得 了一 定 的成果 I2 1 。如 哈尔 滨工 业大学提出的局压作用下混凝土构件的三种破坏 形 式 ， 即 ： 涌 出 破 坏 、 开裂 即 破 坏 和先 开裂 后 破 坏 。 中国建研院提出了加入钢筋网片 的约束方法 ， 即现 阶段规范使用的研究方式。通过对配有钢筋网片的 素混凝 土柱进行 中心局部受压受力分析 ， 讨论了这 种方法下 的混凝土构件受力状态 ， 并与同素混凝土 构件进行对 比， 得 出结论 ： 配有钢筋 网片的素混凝 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 t 1 7 8 2 0 5 ) 。 一 4 4一 土构件与相应混凝土构件 的纵 向应力分布状态基 本 一致 ， 并 且纵 截 面上 横 向应 力 状 态分 布 也 基 本一 致 。局压构件布置钢筋网虽可减小峰值拉应力 ， 但 是 减 小 的幅 度 随局 压 面积 比的增 加 而 降低 局 部受 压承载力并无明显提高。在实际工程施工中 ， 通过 配置间接钢筋达到提高局部受压承载力 的目的。对 于混凝 土局压 问题 的处理一般采取在构件 局部 受 压端头设置螺旋箍筋或钢筋 网片 ， 增强混凝土局压 端头 的抗压强度 。 限制集 中力在局压垫板下部 区域 裂缝 的发展 。但是从理论分析的角度 ， 螺旋箍筋和 钢 筋 网 片 在混 凝 土 内部 产 生 的 约束 均属 于 被 动 约 束 只能小幅度提高构件承载力 ， 并无显著效果。并 且若钢筋网片用量过多 ， 会导致局压作用面两端混 凝土被压碎。而预应力结构相 比传统的混凝土结构 则大幅度提高了结构的强度 。本文采用对 比分析的 方法 。 分别讨论 了素混凝 土构 件 、 加入钢筋 网片的 混 凝 土 和 加 入 预 应 力 钢 绞 线 的 混 凝 土 局 部 受 压 破 坏 时裂 缝 的分布 情况 以及 极 限承 载力 。 1 有 限元建 模及 加载 方案 1 1 有限元建模 出于对结构安全施工 以及合理设计 的考虑 ， 本 文 主要模拟 了素混凝土试件 、 不 同位置加入钢筋网 片 的 混凝 土试 件 和 加 入 预应 力 钢 绞 线后 的 混 凝 土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 尹新生 ， 曹展硕 ， 蔡婧娓 不同约束作用下混凝土构件局部受压的力学性能分析 础 蓦 辐 瞄 瞪 爨 图 1 0加 入 不 同数 量 预应 力 筋 的混 凝 土 与钢 筋 l网片距 局 部 受压 面积不 同距离 时的极 限承载力 的极限承载力。由图可知 ： 施加预应力筋也可以极 大地提高极限承载力大小 。 提高幅度接近2 5 左右 。 施加预应力筋以后 ， 预应力筋 的布置位置对极限承 载力 的影响并不大 ， 受力较为一致。 2 3 预应力构件的优势 经过上述分析可知 ： 预应力筋在试块中提升极 限承载力主要原因就是的在试块 中形成了 “ 楔体 拉压杆 3 。“ 楔体” 拉压杆理论是假设试块在受局部 压力 时， 周 围的混凝土受压 ， 下部混凝 土受拉 ， 基于 这种受力情况而演化的一种理论嗍 受力形式可 以 简化为 图 1 1 。 ， 图 1 1 预应力筋试块 的拉压杆示意 图 其 中，上部受压 的压杆为试块中的混凝土 ， 下 部的受拉拉杆为预应力筋 ， 当拉压杆 形成后 ， 混凝 土与预应力筋就组成了一个拱形受力体 系， 再加上 预应力筋抗裂性的优点 ， 这使得这个体系可以稳定 存在 ， 持续抵抗外界 的局部压力。分析处于“ 楔体 ” 拉杆位置预应力试块。采用相 同条件的试块进行对 比分 析 ， 见 表 1 。 表 1 三种试块 的极 限承载力 通过分析可知 ： 素混凝土试块的极限承载力 远低于钢筋网片与预应力筋试块； 钢筋网片试块 的极 限 承 载力 与 预应 力 筋 的极 限 承载 力 大 致相 同 ： 钢筋网片试块的用钢量要远高于预应力筋， 预应 力筋试块在形成拉压杆体系后 ，承载力 大幅度提 高 ， 钢材利用率高于钢筋网片。 3结 语 ( 1 ) 素混凝 土进行局部受压 时 ， 根据 “ 楔体 ” 理 论可 以得 出在楔体 顶端混凝土的抗拉极 限承载力 达到极限 。 混凝 土就会开裂 。 而混凝土 内部没有可 以分担这种“ 拉杆 ” 的能力 当楔体顶端混凝土劈裂 破坏后 ， 由局压部分产生 的裂缝快速开展 到下部混 凝土 ， 最终导致混凝土试件的破坏 。 ( 2 ) 素混凝土在偏心情况下 ， 由于一直存 在于 局部受压过程中三面围压 的混凝土强度 随着偏心 而被削弱 ， 使得混凝土在偏心局部受压作用下强度 降低 ， 外 围靠近局压面积 的混凝土被压裂 。其 中单 向偏心造成 的混凝土削弱最为明显 ， 双向偏心 由于 两侧混凝土强度相似 ， 使得三面 围压的情况可以短 暂维持 。 所以在偏心过程 中双 向偏心的局部受压承 载力要优于单向偏心 。 ( 3 ) 加入 了钢筋 网片的素混凝土承载力有 了显 著的提高 ， 但在偏心受压时承载力明显 降低 。钢筋 网片对裂缝的阻挡能力不够 裂缝经常穿透钢筋 网 片作用到下部混凝土 ， 导致试块被压坏嘲， 这种破坏 形式在偏心受压时尤其明显。如果在工程 中使用钢 筋 网片对 抗 局压 破 坏 ， 一 定要 自上 而下 布 置 多组 钢 筋网片， 以达到限制裂缝开展的作用。 ( 4 ) “ 楔体” 拉压杆理论在局部受压过程 中的作 用 明显 ， 当发生偏心受压时 ， 由于裂缝的开展 ， 钢筋 网片的作用并不 明显 ，预应力筋 的性能开始凸显 ， 尤其是在 当预应力筋布置在拉杆位置时， 试块 的承 载力得到了大幅度提高。 参考 文献 ： 【 1 】 杨熙坤， 杨 冰， 孟凡石 混凝 土及钢筋混凝 土局部承压若 干 问题 J 低温建筑技术， 1 9 9 9 ， 1 9 ( 1 ) ： 8 1 0 2 蔡绍怀 混凝 土及配筋 混凝 土的局部 承压强度 【 J J 土木 工 程学报， 1 9 6 3 ， 9 ( 6 ) ： 8 - 1 0 【 3 】 杨熙 坤， 杨冰， 刘丽娜 混凝土及 钢筋混凝 土局部承压楔 劈 理论( 上) J 】 低温建筑技术， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 1 0 1 2 4 杨熙坤， 杨 冰， 刘丽娜 混凝 土及钢筋混凝 土局部承压楔 劈 理论( 下) J 低温建筑 技术， 2 o 0 o ( 1 ) ： 1 8 1 9 5 1 Ha w k u n s N MT h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e l o a d e d t h r o u g h r i g i d p l a t e s J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 6 8 ， 2 0 f 6 2 ) ： 3 1 4 0 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 2 6 作者 简介： 尹新生 ( 1 9 5 6 一 ) ， 男 ， 教授 、 博导 。 通讯 地址 ： 吉林省长春市净月开发区新城大街 5 0 8 8 号 联系电话 ： 1 8 6 4 3 9 0 8 4 6 4 ( 曹展硕 ) 一 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m