板柱节点的破坏形式及改进方法.pdf

第 15 卷?第 6 期?建 筑 科 学?BUILDING SCIENCE1999 年板柱节点的破坏形式及改进方法许清风?蒋永生?梁书亭?王安华(东南大学土木工程学院?南京 210096)?(南通市规划设计院)摘?要?本文通过对已有板柱节点试验结果的总结,得出了板柱节点的破坏形式包括冲切破坏、弯曲破坏和锚固破坏,分析了板柱节点发生各种破坏的条件,列举了几种改善后的节点形式,对研究和设计有一定的借鉴作用。关键词?板柱节点?冲切破坏?弯曲破坏?破坏条件1?前?言平板结构因其具有结构体系简单、传力路径简捷、节约净高等优点,近年来,得到了广泛的应用。但这类结构对冲切破坏比较敏感,而冲切破坏是发生在局限于集中力作用区域附近的剪切型破坏,对于板柱节点而言,冲切破坏发生在靠近柱边的板域内。冲切破坏是带有严重灾难性后果的无征兆的脆性破坏,在实际工程中应予避免。本文在已有文献1 6的基础上,分析了板柱节点发生弯曲破坏和冲切破坏的条件,并提出几种改进的节点形式。2?板柱节点的破坏形式板柱节点通常有三种破坏形式,即弯曲破坏、冲切破坏和锚固破坏。2?1?弯曲破坏弯曲破坏是因为塑性铰线的形成而导致的破坏。板柱节点的弯曲破坏表现为首先在受拉面出现水平裂缝,随着荷载的增加,水平裂缝沿板面贯通,裂缝处的钢筋开始屈服;随着荷载的继续增加,钢筋大范围屈服。板柱节点的弯曲破坏可用混凝土的初裂、钢筋初始屈服和钢筋普遍屈服三个特定状态作为界限。在加载初期,板柱节点处于弹性阶段,随着荷载的增加,在柱边出现裂缝且不断向板角和板边发展,应变和挠度的增长加速,钢筋开始屈服;随着荷载进一步的增加,虽然新裂缝较少出现,但原有裂缝的缝宽加大,变形集中加剧,柱边主裂缝处的钢筋率先达到流限,远离柱边的钢筋也达到屈服;当与主裂缝相交的钢筋普遍达到屈服,塑性铰线形成后,板柱节点发生弯曲破坏 7。板柱节点弯曲破坏的荷载?位移曲线的下降段较为平缓,荷载?位移曲线所包围的面积即节点的耗能能力相应较大,节点破坏时的变形也相应较大,节点的延性相对较好,为有预兆的延性破坏。2?2?冲切破坏与弯曲破坏相比,冲切破坏试件受拉面的裂缝均较细,径向裂缝较多,但没有明显的主裂缝。冲切破坏发生在屈服线形成以前,即在钢筋还未屈服时就已破坏,故挠度较小,破坏呈明显脆性。这种破坏表现为柱头连同截锥体突然从板中冲出,板的受拉面形成一圈撕开状裂痕,与此同时,荷载骤降,挠度猛增。相对于弯曲破坏,冲切破坏是一种近柱板域的局部破坏 5。冲切破坏的荷载?位移曲线的上升段,一般可用两段斜率不同的折线来表示,第 1 段斜率为板柱节点未开裂时的刚度;第 2 段大约从210?2Vf(Vf为板柱节点的破坏荷载)开始,其斜率约为第 1 段折线斜率的四分之一 5。冲切破坏的板柱节点的荷载?位移曲线的下降段较为陡峭,承载力下降幅度大,节点的耗能能力较小。破坏时节点的位移较小,为没有预兆的脆性破坏。根据冲切破坏耗能能力的大小,又可将其分为纯冲切破坏和延性冲切破坏 5。2?3?锚固破坏锚固破坏指在竖向荷载作用下,板柱节点中的钢筋发生滑移,导致钢筋和混凝土之间的粘结失效,严重时可导致钢筋从混凝土中拔出。锚固破坏可通过构造措施来加以避免,同时高强混凝土的应用也可克服这种破坏3。3?板柱节点发生冲切破坏和弯曲破坏的临界条件?通过试验研究 2可知,只有在节点核心区有较高的配筋率时,才会形成冲切锥体,同时配筋的位置对冲切锥体的形成也有较大影响。也就是说,当配筋不足时,冲切锥体将无法形成,板柱节点将只会发生弯曲破坏。即板柱节点发生冲切破坏的条件为板柱节点的冲切锥体内部强度 Vcone大于其冲切强度 Vp。板柱节点冲切锥体的内部强度可以通过拉压杆理论由力的矢量合成来求得,如图 1 所示。V=?i(2?0(Fbi!ri)d i sin(!i)(1)Ftsi=Fbi!cos(!i)(2)且 Vcone=?iFtsi!tan(!i)=4 2?iAsifsitan(!i)(3)式中?Asi?第 i 对钢筋的截面积;fsi?第 i 对钢筋的屈服强度;Ftsi?第 i 对钢筋的拉力;Fbi?对应于第 i 对钢筋的混凝土斜压杆的斜压力;!i?第 i 对钢筋与柱边所成的角度,!0#!i 90,大量试验结果表明,!0=30。图 1?板柱节点核心区力的分解示意图表 1?板柱节点破坏形式判别表板编号钢筋面积(mm2)钢筋屈服强度(MPa)!1(度)Vfail?Vcone(kN)?(kN)破坏形式HS37949034、53360 438?5冲切破坏HS1017749034、53645 136?9弯曲破坏HS137949034、53270 438?2冲切破坏?把由公式(3)计算所得的 Vcone与试验所得的破坏强度 Vfa进行比较,当 Vcone大于 Vfa时,板柱节点发生冲切破坏;当 Vcone小于 Vfa时,板柱节点发生弯曲破坏。必须指出的是,在使用22式(3)进行板柱节点破坏形式的判别时,应注意式(1)的限制条件,即当板柱节点的配筋较多或配筋与柱边所成的角度!较大,在不能保证拉压杆理论中斜压杆的压力时,对板柱节点的Vcone应进行折减。这也从另一个侧面说明了板柱节点的破坏形式和混凝土的强度有关。用文献 4 的试验数据验证式(3),结果见表 1。表 1 的结论与试验结果一致。由式(3)可知,板柱节点的配筋量和配筋位置对其破坏形式均起着重要作用,因为冲切斜裂缝与之密切相关。对于单肢钢筋而言,随着钢筋的位置越靠近柱的轴心,越易发生弯曲破坏。根据文献 2 的分析结果,板柱节点的破坏强度可由下式求得:Vfa=Vp+(Vfl-Vp)sin?-2!0(!-!0)1/2(4)而对于一般的板柱节点,其!0取为 30,则式(4)可简化为Vfa=Vp+(Vfl-Vp)sin(32!-?4)1/2(5)式中?Vfa?板柱节点的破坏强度;Vp?板柱节点的冲切破坏强度(可根据文献 6 给出的方法求得,作者将在另文对此进行专 门论述);Vfl?板柱节点的弯曲破坏强度,可参照求解双向板极限强度所使用的塑性铰线法求得。4?改善节点的形式为了满足抗震设计中%强柱弱梁、加强核心区&的原则,同时板柱体系必须考虑适当降低板厚以节约空间和建材,可以采用经过改善的节点形式,如在节点处加设抗剪连接件、在节点处加设型钢或采用 CRC 以及在节点处施加预应力等。4?1?在板柱节点处加设受冲切锚栓国外通常是在板柱节点区域加设发散型的受冲切锚栓 8 9。这种锚栓一端镦成直径扩大的半球型,另一端锚固在钢条上以固定锚栓在结构中应处的准确位置。受冲切锚栓可明显提高板柱节点的受力性能,其示意图如图 2 所示。现国内已开始进行类似的试验研究 10。图 2?加设受冲切锚栓示意图4?2?在板柱节点处加设型钢或采用 CRC在板柱节点的核心区加设型钢,可以提高节点的受力性能和抗震性能。型钢采用经过加工的双向工字钢,其长度由计算确定,如图 3 所示。图 3?加设型钢的板柱节点示意图CRC 是 80 年代由丹麦研制的一种在混凝土中加置双向密布变形钢筋的%密筋混凝土&(Compact Reinforced Concrete)。在板柱节点处23采用 CRC 可提高节点的受力性能。由于板柱节点的截面较小,应同时考虑结构的可施工性,并必须注意钢筋的位置布置。4?3?在板柱节点处施加预应力在板柱结构体系中对板全长施加预应力的技术已较成熟,考虑到经济有效性,可通过曲线预应力筋对板柱节点核心区施加预应力来提高板柱节点的受力性能,如图 4 所示。图 4?施加预应力的板柱节点示意图5?结?语本文在已有试验研究的基础上,分析了板柱节点的三种破坏形式,得出了板柱节点发生弯曲破坏和冲切破坏的临界条件,同时提出了几种板柱节点的改善形式。通过对板柱节点的改善,使板柱结构在板厚降低的情况下,板柱节点的受力性能却不降低。采用板柱节点的改善形式,可使板柱结构的应用前景更加广阔。参考文献?1?Marzouk,H.,Emam,M.,Hilal,M.,Effect of High-Strength Concrete Column on the Behavior of SlabColumnConnections,ACI Structure Journal,Sep.-Oct.1996(pp.545 554)?2?Menetrey,P.,Relationships between Flexural and Punch?ing Failure,ACI Structure Journal,Jul.-Aug.1998(pp.412 419)?3?Marzouk,H.,Emam,M.,Hilal,M.,Effect of High-Strength Concrete Slab on the Behavior of Slab-ColumnConnections,ACI Structure Journal,May.-Jun.1998(pp.227 237)?4?Marzouk,H.,Hussein,A.,Experimental Investigation onthe Behavior of High-Strength Concrete Slabs,ACIStructure Journal,Nov-Dec.1991(pp.701 713)?5?Gardner,N.,Xiao-yun Shao.,Punching Shear of Contin?uous Flat Reinforced Concrete Slabs,ACI Structural Jour?nal,Mar-Apr.1996(pp.218 228)?6?Menetrey,P.,Analytical Computation of the PunchingStrength of Reinforced Concrete,ACI Structure Journal,Sep-Oct.1996(pp.503 511)?7?周朝阳,冲切与弯曲和剪切的比较分析,工程力学增刊,1997(pp.391 394)?8?Hammill,N.,Ghali,A.,Punching Shear Resistance of Cor?ner Slab-Column Connections,ACI Structure Journal,Nov-Dec.1994(pp.697 707)?9?M egally,S.,Ghali,A.,Design Considerations for Slab-Column Connections in Seismic Zones,ACI Structure Jour?nal,May-Jun.1994(pp.303 314)?10?舒兆发,配置受冲切锚栓的混凝土板柱连接的试验研究,建筑结构学报,1999?1(pp.50 58)Failure Types and Improvement Methods of Slab-Column ConnectionsXu Qingfeng?Jiang Yongsheng?Liang Shuting(College of Civil Engineering,Southeast University)Wang Anhua(Nantong Institute of City Planning Design)Abstract?Based on the available references,three types of failures(flexural failure,punching failure and bond failure)are described in the paper.The conditions for each failure are analysed and several improvement methods of slab?columnconnections also listed.Keywords?slab?column connection;punching failure;flexural failure;failure condition24