型钢混凝土异形柱剪切开裂的试验与计算.pdf

第 3 6卷第 1期 2 0 1 0年 2月 四川建 筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 9 型钢混凝土异形柱剪切开裂的试验与计算 陈宗平 ， 薛建阳 ， 赵鸿铁 ( 1 广西大学土木建筑工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 ； 2 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 对 1 2个小剪跨比的型钢混凝土( S R C ) 异形柱试件采用“ 建研式” 加载装置进行低周反复荷载试验， 得到了型钢混凝 土异形柱的剪切开裂荷载值。分析了剪跨 比、 轴压比、 荷载加载方向对型钢混凝土异形柱剪切开裂荷载的影响； 并通过编写 计算机程序， 分析了型钢混凝土异形柱中翼缘对剪切开裂荷载的影响， 给出了翼缘对剪切开裂的提高系数表； 考虑了配钢的 影响， 给出了型钢混凝土异形柱的剪切开裂荷载计算公式， 计算结果与试验实测结果吻合较好。 关键词： 型钢混凝土； 异形柱； 剪切开裂； 翼缘影响 中图分类号： T U 3 9 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0) O 1 0 5 9 0 4 Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h a nd c a l c u l a t i o n a n a l y s i s o n s h e a r c r a c k l o a d i n g o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i a 1 s h a p e d c o l u m n s C HE N Z o n g p i n g ， XUE J i a n y a n g ， Z HA0 Ho n g t i e ( 1 C o l l e g e o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n gi n e e ri n g ， X i a n U n i v e rsi t y o f A r c h i t e c t u r e&T e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 5 5， C h i n a ) A b s t r a c t ： A c c o r d i n g t o t h e e x p e ri m e n t al r e s e a rc h o n 1 2 s m a l l s h e a r s p a n r a t i o s p e c i m e n s o f s t e e l rei n f o r c e d c o n c r e t e( S R C )s p e c i al s h a p e d c o l u mn s u n d e r r e v e r s e d l o a d i n g；t h e s h e a r c r a c k l o a din g o f t h e s p e c i me n s C an b e o b t a i n e d T h e i n fl u e n c e o f s h e a r s p a n r a t i o ， a x i al c o mp r e s s r a t i o a n d l o a din g d i r e c t i o n o n s h e a r c r a c k l o a d i n g a r e a n aly z e d T h r o u g h c o mp i l i n g t h e c o mp u t e r p r o g r a m，t h e i nfl u e n c e o f t h e fl a n g e o f S RC s p e c i al s h a p e d c o l u mn s o n t h e s h e a r c r a c k l o a d i n g a r e r e s e a r c h e d， a n d t h e e n h a n c e c o e ffi c i e n t o f flan g e t o t h e s h e ar c r a c k l o a d i n g i s gi v e n A c c o r d i n g t o t h e ana l y s i s r e s ult and c o n s i d e ri n g t o t h e s t e e l s h a p e S i nfl u e n c e ， t h e f o r mu l a o f s h e a r c r a c k l o a d i n g i s e s t a b l i s h e d Th e f o rm u l a S c o mp u t a t i o n r e s ult s a r e s a t i s f a c t o r y we l l w i t h t h e e x p e ri me n t a l r e s ult s Al l t his ma y b e h e l p f u l t o t h e d e s i g n a t i o n o f S RC s p e c i a l - s h a p e d c o l u mn s Ke y wo r d s ： s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e； s p e c i al s h a p e d c o l u mn s ； s h e ar c r a c k l o a d i n g ； fl an g e i nfl u e n c e 0 引 言 型钢混凝土异形柱不但具有普通钢筋混凝土异 形柱房间不露出柱楞 、 美观适用 、 减少结构 占用的建 筑面积等优点 ， 同时也克服 了普通钢筋混凝土异形 柱承载力不足、 抗震性能差和轴压 比限值过低等缺 点 ； 对进一步推广异形柱 的应用具有重要 意义 。 为了探讨这种构件的力学性能 ， 本文就剪切开裂 荷 载问题进行研究。 1 试 验简介 1 1 试件设计 共设计 1 2个小剪跨 比的 S R C异形 柱试件 ， 各 收稿 日期 ： 2 o o 8 - 0 6 1 1 作者简介： 陈宗平( 1 9 7 5一) ， 男 ， 广西玉林人， 博士， 副教授 ， 硕士生 导师， 主要从事钢一混凝土组合结构、 异形柱结构体系与工程抗震研 究。 基金项目： 国家自然科学基金资助项 目( 5 0 4 7 8 0 4 4 ) ； 广西青年科学 基金( 桂科青 0 8 3 2 0 0 4 ) ； 陕西 省教育厅 自然科学专项计划 项 目 ( 0 7 j k 3 0 1 ) ； 广西大学科研 基金( X 0 7 1 0 4 2) E ma i l ： z p c h e n g x u e d u a n 试件 的具体形式和截面尺寸如图 1 所示 。试件编号 及其设计参 数见表 1 。混凝 土强度等级按 C 3 0配 置 ， 型钢采用 Q 2 3 5钢。 表 1 试件参数 Tab l e 1 Exp er i me nt a l pa r a m e t e r s o f s pe c i m e n s 注 ： 轴压 比 n=N f c A， N为轴 向压力 ， A为截 面面积 ； 剪跨 比 A= 2 H， L为试件高度， 为截面高度； 为纵向型钢含钢率； P 为腹 杆体积配钢率， 包括水平腹杆和斜腹杆。 四川建筑科学研究 第 3 6卷 I ! 鲤 Q I l 螋 ( a ) S RC - T1 ， S RC - T 2 I ! Q Q ( b ) S R C T3 ， S RC T 4 盟 一 I鲤 ! l ( c ) S R C- T 5 ， S R C T 6 I Q l Q Q I ( e ) S RC - L 3 ， S R C- L 4 图 1 试件的截面及配钢形式 Fi g 1 Ge o m e t r y a nd s t e e l s i t ua t i o n o f s pe c i me ns ! ( f ) S RC - + l 1 2 加载装置 采用“ 建研式” 加载装置， 本试验在苏州科技学 院江苏省结构工程重点实验室 固端平移式 四连杆试 验装置上完成 ， 如图2所示。 三z z 匕 广厂 1 l I 图 2 加载装置示意 Fi g 2 T e s t s e t u p 1 3 加载制度 试验时 ， 先在柱顶 由油压千斤顶施加竖向荷载 至指定值 ， 并在试验过 程中保持恒定不变。水平荷 载采用荷载和位移混合控制方法。在试件达到屈服 荷载前 ， 采用荷载增量控 制方法 ， 2 0 k N为 级， 每 级荷载循环一次。试件屈服后 ， 以等幅位移增量控 制 ， 以屈服时水平位移的倍数控制 ， 每一级位移下循 环三次 ， 直到受压型钢屈服、 水平荷载下降到最大值 的7 O 为止。 1 4 试验结果 试验实测的结果见表 2 。 2 剪切开裂的影响因素分析 影响 S R C异形柱 剪切开裂 的 因素很 多 ， 剪 跨 比、 轴压 比、 荷 载加 载方 向均对S R C 异形柱 的剪切 艘 z 嫂 ( d 】 S RC - L1 ， S RC L 2 5 槽钢 表 2 试验实测结果 Ta bl e 2 Expe r i me nt al r esu l t s o f s pe c i m e ns 注 ： 开裂荷载是指试件 首次开裂对应 的荷载。 开裂荷载有影响。 2 1 剪跨比的影响 剪跨 比实质上是反映截面上正应力与剪应力 的 相对 比值 ， 在一定程度上也反映 了截 面上弯矩与剪 力的相对 比值 。剪跨 比越大， 则正应力相对剪应力 越大。试件的开裂主要由截面上的主拉应力决定。 厂_ j 一 = 等+ + r ( 1 ) tp 了+ + r _ Y _ 当截面的主拉应力达到混凝土的极限抗拉强度 时， 试件开裂。由公式( 1 ) 可见， 对于相同的主拉 应力 。 时， 随着 的增大， 所需的r就会越小。试 验实测的剪切开裂荷载与剪跨比的关系如图 3所 示。由图 3可见 ， 随着剪跨 比的增大 ， 试件的剪切开 裂荷载变小 ， 这与上述理论分析一致 。 陈宗平， 等 ： 型钢混凝土异形柱剪切开裂的试验与计算 6 1 图3 剪切开裂荷载与剪跨比的关系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p o f s h e a r c r a c k l o a d i n g a n d s h e a r s pan r a t i o 2 2轴压 比的影响 轴压 比是影响剪切开裂荷载 的主要 因素之一， 在一定的范围内， 随着轴压比的增大， 竖 向的轴向压 力会抑制斜裂缝 的开展 ， 试验实测 的剪切开裂荷载 与轴压比的关系如 图 4所示。由图 4可见 ， 随着轴 压比的增大 ， 试件的剪切开裂荷载变大。 图 4 剪切开裂荷载与轴压 匕 的关 系 Fi g 4 Re l at i o ns hi p of s he a r c r a c k l oa d i ng and a xi al c ompr e s s i o n r a t i o 2 3加载方向的影响 S R C异形柱 由于截面不规则 ， 在不 同的加载方 向， 在力学性能上存在很大的差异， 其剪切开裂荷载 的计算更 为复杂 。以 T形柱 为例 ， 由于翼缘 的存 在， 假如只取与荷载作用方向平行的柱肢计算， 由于 垂直方向柱肢 的存在 ， 会有一定的影响， 但影响的程 度不 同， 沿翼缘方 向加载时， 腹板在截面 的中部 ， 能 明显地改变截面最大剪应力 的位置 ， 同时也使单位 荷载作用下的最大剪应力减小 ， 从 而提高 了剪切开 裂荷载； 同理 ， 当荷载作用 于腹板方 向时 ， 翼缘的存 在同样会影响截面 的剪应力分布情况 ， 但 由于翼缘 在腹板 的边缘 位置 ， 影 响的程度 要较 前 者小。当 4 5 。 方向加载时， 由于截面上存在两个柱肢截面能够 抵抗横向力， 因此， 其抗剪能力更大。图5表示了试 验实测不同加载方向与剪切开裂荷载的关系。由图 5 可见： 对于T形柱而言， 4 5 。 加载时， 剪切开裂荷载 最大， 沿翼缘方向加载次之 ， 沿腹板方 向加载最小。 图5 剪切开裂荷载与加载方向的关系 Fi g 5 Re l a t i o ns hi p of s he ar c r ac k l o a di n g a nd l o adi ng di r ec t i o n 3 S R C异形柱剪切开裂荷载的计算 研究表 明， S R C结构配置型钢可使柱 的开裂荷 载有所提高， 引进一个提高系数 来考虑。 = ( 1+ ) ( 2 ) 式中 为钢筋混凝土部分的剪切开裂荷载 ； 为 型钢的提高系数。 参照文献 6 对于实腹式配钢 ： =0 8 9 8O r _p 宴 ( 3 ) 参照文献 7 对于空腹式配钢 ： = 2 3 E c o s O s i n 6 I 9 搴 ( 4 ) 式 中P 实为实腹式配 钢腹板 的含钢率 ， P 实= t h b h ； 0为空腹式 配钢斜腹杆 与水平 轴 的倾角 ； P 空为空腹式配钢型钢腹杆的含钢率 ， P 空= A 。 b h ； t ， h 分别为与加载方 向平行的柱肢截面内实腹 钢板的厚度与高度； A 为 同一柱肢截面内斜腹杆截 面积 的总和 ； b ， h分别为 S R C异形柱 中与加载方 向 平行的柱肢的宽度和高度 ； 为型钢和混凝土的弹 性模量比值。 对钢筋混凝土柱 的剪切开裂荷载 ， 国内外进行 了大量 的试验 ， 得到了大量的数据 ， 文献 7 对 已有 数据进行回归得出了钢筋混凝土柱在反复荷载作用 下的开裂荷载计算公式 ， 即 = 6 五 。 + 0 0 5 6 N( 5 ) 代人( 2 ) 式并考虑翼缘影响的提高系数 k 得 ： = ( 1 + ) ( k f b h 。 + 0 _ 0 5 6 N)( 6 ) 3 1 翼缘影响的提高系数 k的取值 异形柱 与矩形柱相 比， 凸出的翼缘可 以改变截 面的中性轴位置和剪应力的分布情况 。本文从剪应 力的分布人手 ， 分析翼缘 对剪切开裂荷 载的影响。 根据剪应力的求解公式， 自编程序分别计算沿腹板 方向加载 和沿翼缘方 向加载 时的 T形柱 以及沿工 程轴加载的 L形和十形柱 ， 在考虑翼缘与不考虑翼 ， 、 铽挺 6 2 四川建筑科学研究 第3 6卷 缘时的截面剪应力分布情况 ， 并求 出截面的最大剪 应力。为了便于计算 ， 在程序中作了以下假定 ： 中性 轴的位置与形心轴的位置重合并且中性轴垂直于水 平荷载的方向； 剪应力 平行于水平荷载 并沿肢 宽均匀分布。研究结果表明： 考虑翼缘时， 计算得到 的最大剪应力均小于不考虑翼缘 时的最大剪应力 ， 也就是说 ， 翼缘的存在会使截面的抗剪承载力提高 ； 肢的长厚比的变化对翼缘 的影响程度有影响， 但在 肢的长厚比一定的前提下 ， 改变柱肢厚度对剪应力 的分布没有影 响。不同加 载方 向作用下 ， T形柱 中 翼缘对抗剪承载力 的影响不 同。不 同 S R C异形柱 对应各种不同加载方向的 k 取值见表 3 。 表 3 不同截面不同加载方向的k值 Ta b l e 3 Th e f l a n g e e n h a n c e c o e ffi c i e n t i n d i ffe r e n t l o a d i n g d i r e c t i o n 肢 的长 厚 比 T形柱 L形柱 十形柱 沿腹板加 载沿翼缘加载 沿工程 轴加载 沿工程轴加载 3 2 斜向荷载的分解处理 斜向荷载作用下 ， 由于截面不规则 ， 两个柱肢均 与荷载方向斜交， 为简化计算 ， 将斜向荷载分解成平 行于两个柱肢方向的分荷载， 然后分别计算各柱肢 的抗剪强度。由于异形柱两个柱肢存在相交部分 ， 只能在一个方 向的计算 中考 虑这部分的作用 ， 如 L 形柱 ， 假如已经有一个方 向取柱肢的全长 ， 则另一个 方向只能取去掉共同部分后的肢长。对于斜向荷载 作用下， 由于已经单独计算了两个柱肢的作用， 此时 不能再考虑翼缘影响的提高系数 k 。 3 3 计算结果与试验结果的比较 利用( 6 ) 式试件的开裂荷载并与试验实测值进 行比较， 见表 4 。表中试验值与计算值比值的平均 值 =0 9 6 1 9 ， 均方 差 =0 1 3 8 2 ， 变 异 系数 = 0 1 4 3 6 。可见， 利用公 式 ( 6 ) 计算 S R C异形柱 的剪 切开裂荷载是可行的。 4 结论 ( 1 ) 试验研究表明： 小剪跨 比的 S R C异形柱一 般首先发生剪切开裂 。试件的剪切开裂荷载与剪跨 比、 轴压比以及荷载的加载方向有关。 剪跨比越大， 表 4 剪切开裂荷载的试验 值与计算值 比较 Ta bl e 4 Co m p ar i s i o n be t we e n t e s t a nd c o m p ut a t i o n 剪切开裂荷 载越小 ， 轴压 比越 大， 剪切开裂荷载越 大 。斜 向加载时 ， S R C异形柱的剪切开裂荷载较正 向加载时大。 ( 2 ) S R C异形柱的型钢含量对剪切开裂荷载也 有影响， 含钢量越大， 剪切开裂荷载越大。 ( 3 ) S R C异形柱中翼缘对剪切开裂荷载有提高 作用 ， 不同的加载方向 ， 提高的程度不同， 文中给 出 了翼缘影响的提高系数表 ， 可供 科学研究和工程应 用参考。 ( 4 ) 分别推 导了实腹式 配钢 和空腹式 配钢 的 S R C异形柱的剪切开裂荷载计算公式 ， 公式计算结 果与试验结果吻合较好。 参 考 文 献 ： 1 陈宗平， 张喜德， 苏益声， 等 一种新型混凝土异形柱一型钢混 凝 土异形柱的概念体系初探 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 )： 2 5 -2 8 2 陈宗平， 张喜德 ， 苏益声， 等 型钢混凝土异形柱正截面承载力 的理论研究 J 西 安建 筑科技 大学 学 报 ， 2 0 0 5， 3 7( 3 ) ： 3 4 5 3 49 3 陈宗平 ，薛建阳 ， 赵鸿铁 ， 等 低周反复荷 载作用下型钢混凝土 异形柱 的抗剪承载力 分析 J 土木工 程学 报 ， 2 0 0 7 ， 4 0( 7 ) ： 3 O_3 7 4 陈宗平， 薛建阳， 赵鸿铁， 等 型钢混凝土异形柱抗震性能试验 研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 3 - 6 1 5 邵永健， 陈宗平， 薛建阳， 等 型钢混凝土异形柱轴压力系数限 值的试验与理论分析 J 建筑结构学报， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 5 3 1 5 9 6 王连广 钢与混凝土组合结构理论与计算 M 北京 ： 科学出 版社 ， 2 0 0 4 7 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M j E 京： 科学出版社， 2 0 0 1 ” 3 2 1 1 3 2 1 l 3 4