双向偏压钢骨混凝土T形柱的试验研究.pdf
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1、2 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 3期 2 0 1 1 年 6月 双向偏压钢骨混凝土 T形柱的试验研究 徐亚丰 , 李晓丽 , 郭 建 , 佟雪伟 , 段晓静。 ( 1 沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁 沈阳1 0 0 1 6 8 ; 2 辽宁城建集团有限公司, 辽宁 沈阳1 1 0 0 0 3 ; 3 锦州石化公司设计院, 辽宁 锦州1 2 1 0 0 1 ) 摘要: 为了了解钢骨混凝土 T形柱的双向偏心受压下的力学性能, 制作了6根含钢骨率不同的钢骨混凝土 T形柱的双向大 偏心及双向小偏心受压的
2、试件。在试验过程中, 观察了试验现象, 分析了试验数据 , 得出了相应关系的曲线, 并对各种曲线进 行了详细的分析 , 从而了解异形柱的受力性能及破坏机理。通过试验 , 明确了钢骨混凝土异形柱承载力的破坏特征、 影响因 素, 含钢率越大, 构件的承载能力提高越明显、 延性越好。钢骨与混凝土之间可以很好地共同工作 , 直至破坏。 关键词: 钢骨混凝土 T形柱; 受力性能; 破坏形态; 双向偏心; 含钢率 中图分类号: T U 3 9 8 9 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 2 0 0 6 Bi a x i a l e c c e n
3、 t r i c pr e s s u r e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n T- s h a p e d s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s X U Y a f e n g , L I X i a o l i , G U O j i a n , T O N G X u e w e i , D U A N X i a o j i n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g o f S
4、h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 , C h i n a ; 2 L i a o n i n g Ur b a n C o n s t r u c t i o n G r o u p C o ,L t d , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 3, Ch i n a ; 3 J i n z h o u P e t r o c h e m i c a l E n gin e e ri n g D e s i g n i n g I n s t i t u t
5、 e , J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o k n o w t h e me c h a n i c al p r o p e rt y o f T s h a p e d s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r b i a x i al e c c e n t r i c p r e s s u r e,t h e 6 s p e c i me n s o Gs h a p e d
6、 s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s t h a t s t e e l r a t i o i s n o t s a me h a s b e e n ma d e W e o b s e r v e d t h e e x p e rime n t p h e n o me n o n, a n a l y z e d t h e r e s u l t s o f t h e e x p e ri me n t ,a n d o b t a i n e d t h e i n t e r r e l a
7、t e d c u rve s b e t w e e n s b e a ri n g c a p a c i t y a n d t h e a f f e c t e d f a c t o r s , a n d l e a rne d me c h a n i c a l p r o pe r t y a n d t h e f a i l u r e mo d e l s T h r o u g h t h e e x p e ri me n t , we c a n k n o w t h e d a ma g e c h a r a c t e r a n d a ffe c
8、t e d f a c t o r s o f s t e e l r e i nfo 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 An d t h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e l a r g e r t h e r a t i o o f s t e e l i s , t h e l a r g e r t h e b e a ri n g c a p a c i t y an d d u c t i l i t y are S t e e l an d r
9、e i nfo r c e d c o n c r e t e c a n k e e p w o r k i n g t o g e t h e r w e l l f r o m l o a d i n g u n t i l b r e a k i n g d o w n 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 a l s h a p e d c o l u mn s ; me c h a n i c al p r o p e r t y; f a i l u r e mo d e l
10、 ; b i a x i a l e c c e n t ri c ; r a ti o o f s t e e l 0 引 言 在地震作用 下, 受压柱 大都为双 向偏压构 件。 严格说来, 纯粹的单向偏压构件是不存在的, 只不过 在许多情况下可以忽略其中一个方 向的弯矩 , 而近 似按单 向偏心受压构件计算。可是在另外许多情况 下 , 由于两个方向的相对偏心距相差不大, 所 以不能 忽略其中任何一个 , 这时 , 就必须按照双向偏心受压 构件计算它的截面承载力 , 尤其是角部的柱。异形 截面柱在外力作用下一般会发生双向弯曲, 应按照 双向偏压构件来研究异形柱正截面承载力。天津大 收稿 日期
11、 : 2 0 0 9 - 0 4 -02 作者简介: 徐亚丰( 1 9 6 3一) , 男, 内蒙古赤峰人, 博士后, 教授, 国家 一 级注册结构工程师, 研究方向: 组合结构。 基金项目: 辽宁省教育厅科研计划资助项 目( 2 0 0 6 0 6 9 1 ) ; 沈阳市人 才资源开发专项资金资助项 目( 2 0 0 7 1 4 0 3 0 3 0 0 2 ) ; 沈阳建筑大学结 构 工程 省级重点实验室开放基金 ( J G一2 0 0 9 0 4 ) Ema i l : c e y f x u s j e d u c n ;e e y f x u 1 6 3 c o rn 学 1 9 9
12、8年完成 了 l 4根双 向偏心受压钢筋混凝土 T 形柱的正截面承载力试验 。试验表明 , T形截面混 凝土双 向压弯构件的破坏特征与单向压弯构件相类 似, 也可分为受压破坏和受拉破坏两类 J 。湖南大 学的何放龙教授 J , 北京航空航天大学 的叶英华 等 , 也分别对双向压弯荷载作用下 的 T形 、 L形 、 十 字形柱承载力进行 了实验研究 , 但均局限于钢筋混 凝土。由于型钢混凝土异形柱与普通钢筋混凝土异 形柱相 比, 内部包含有较多的钢材, 其截面承载力会 得到很大的提高, 并且具有吸收能量大和抗震性能 好的优点, 近年来得到了越来越广泛的应用。目 前, 国内外对空腹式 钢骨混凝 土
13、异形柱进行 了深入研 究_ 4 剖, 而对于实腹式钢 骨混凝 土异形 的研究 并不 多 , 许多人的研 究仅限于抗震性 能、 A N S Y S模拟方 面等 。 课题组在前人研究 的基础上 , 于 2 0 0 5年开始进 行了钢骨混凝土异形柱 的研究 , 分别进行了十字形、 L形、 T形 3种形式 的实腹 式钢骨混凝土柱 的轴心 徐亚丰, 等: 双向偏压钢骨混凝土 T形柱的试验研究 2 l 受压、 单 向偏压 、 双向偏压的研究 , 本文对含钢 率不同的6根钢骨混凝土T形柱进行了双向偏压试 验研究 。 1 试验概况 1 1 试件设计 本试验对两组共计6根试件分别进行双向大偏 表 1 试件主要参
14、数 Ta b l e 1 M a i n p a r a me t e r s o f s p e c i me n 心受压及双向小偏心受压试验 , 试件尺寸及配筋如 图 1 所示 , 加载如 图2所示。主要试验参数为 : 1 ) 钢 板 : Q 2 3 5钢板 , 厚度分别为 4 i n n , 6 m i 1 , 8 m m; 2 ) 钢 筋: H P B 2 3 5 6 4 , 咖 6圆钢, 其中 筋作为箍筋, 筋 作为纵筋 ; 3 ) 混凝 土 : 强度等级 为 C 6 0的商 品混凝 土。各试件详细参数见表 1 。 注: 1 试件编号T S X X P 及 T S X D P 中,
15、T S X X P 表示 T形柱双向小偏心, T S X D P表示T形柱双向大偏心, 表示钢骨厚度; 2 含钢骨率: 钢骨占柱截面面积的百分率 ; 3 配筋率 : 构件中纵向受力钢筋的面积与构件的有效面积之比; 4 本试验偏心距取法为自T形截面几何中心向腹板方向做 = 1 2 0 r ll m, Y = 1 2 0 m m及 = 2 0 I n r fl , , , = 2 0 m m偏心 图 1 柱中截面尺寸及配筋 F i g 1 Co l u mn s e c t i o n s i z e a n d r e i n f o r c e me n t I 一 ! 1 3 0 33 0
16、2 0 0妇 二 二 2 4 0 图 2 加载示意 n 舀 2 Lo a d d i a g r a m 1 2试件制作 试件中的 T形钢骨采用双面电弧焊加工而成。 将成形的钢骨骨架放于剪裁好尺寸的8 m m厚的钢 板上。此钢板作为试件的底板。在焊接前, 要求钢 骨骨架端部应磨平, 并确保钢骨骨架几何中心与底 板中心严格对中。将下好料的纵筋电焊于钢底板 上, 并于箍筋焊接。由于箍筋不能穿过钢板而形成 封闭状, 故箍筋的一端与钢骨点焊在一起。 在指定位置打磨光滑, 并粘贴应变片, 并用环氧 树脂封固, 而后按设计尺寸在钢骨外支模板, 应变片 力学性能见表 2 。 表 2 钢材实测力学指标 I l
17、a b l e 2 S t e e l me c h a n i c a l i n d e x m e a s u r e d 标准条件下养护的混凝土试块 2 8 d强度为 C 5 7 。 1 4 试验装置与加载制度 本试验采用 5 0 0 0 k N液压试验机加载, 竖向荷 载采用传感器测量。在试件上设一个刀铰 , 下设一 个球铰。试验时 , 通过竖 向设置直接支顶于压力机 顶板和底板的位移计来测量柱的整体位移, 以获得 试件全高范围内的纵向压缩变形; 而侧向变形则通 过表架上的位移计 ( 沿柱高 1 2布置) 来测量。各 位移计的布置如图 3所示。试验加载采取分级加 载, 每级加载为预计
18、极限荷载的 1 0 左右。于每级 加载后持荷 3 5 m i n 后, 再进行下一级加载。当荷 载达到大约 6 0 极限荷载以后, 每级加荷减为极限 件 振 于 块 的 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 2 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 荷载的 1 1 51 2 0 。在临近极限荷载 以前 , 级差荷 载更小, 最后缓 缓连 续加 载。当荷载达 到最 大值 ( 极限值) , 试验机压力表指针开始回转以后, 此时, 仍继续向千斤顶油缸送油, 并记录仪表读数和相应 的荷载值, 直至试件变形已达相当大, 荷载一变形曲 线呈现明显的下降段, 试件破坏。 图 3 位移计布 置示意
19、Fi g 3 S c h e ma t i c l a y o u t o f t h e d i s p l a c e me n t me t e r 2 试验现象及分析 2 1 试验现象简述 无论双 向大偏心还是双 向小偏心试件 , 加载初 期均处于线弹性工作状态。随着荷载增大, 远离加 载点的翼缘角部出现微小的横向水平裂缝, 如图4 所示, 随着荷载增大, 裂缝开展缓慢, 但逐渐向角部 两侧水平延伸。对于双向小偏心试件, 约达到极限 荷载的 7 0 时, 受压区腹板 中部出现纵向裂缝。荷 载继续增加 , 纵 向裂缝亦随之增加 , 并逐渐形成间距 近似相等的几条主裂缝, 即将达到极限承载
20、力时, 受 压区混凝土开裂速度越来越快, 开裂高度逐渐增大, 当受压 区混凝土大面积压碎时 , 压力机无法继续加 载, 故认为是破坏荷载 。对于双向大偏心试件 , 加载 到极限荷载的 8 0 左右时, 受拉区水平裂缝急剧发 展 , 受压区腹板中部出现纵 向裂缝。荷载继续增加, 纵 向裂缝逐渐贯通 , 并有局部混凝土压碎 , 侧 向变形 明显增大。达到极限承载力时 , 拉区翼缘混凝土 已 经全部开裂 , 腹板处混凝土保护层压碎脱落 , 钢筋压 曲外凸。 图4 远离加载点处裂缝 F i g 4 Cr a c k s a wa y f r o m t he l o a d i n g p o i n
21、 t 达到极限荷载时 , 双 向小偏心试件中, 拉区混凝 土水平裂缝开展不大 , 压 区腹板处混凝土 已被压碎 并且大片剥落, 压区钢筋、 型钢压曲外凸, 为典型的 小偏心破坏。对于双向大偏心试件, 拉区混凝土已 全部开裂, 内部钢筋、 型钢均已外露, 压区混凝土仅 保护层略有剥落, 为典型的大偏心破坏。试件破坏 形态如图 5所示 , 极限及屈服荷载见表 3 。 图 5 试 件破 坏形态 Fi g 5 S pe c i m e n f a i l u r e mo d e s 表 3 构件极限荷载及钢材屈服荷载 Ta b l e 3 S p e c i me n u l t im a t e
22、l o a d a n d y i e l d l o a d o f s t e e l 试件名称 极限荷载 k N 钢筋屈服荷载 k N 钢骨屈服荷载 k N 2 2 荷载一位移曲线分析 由图6纵向荷载一纵向位移 曲线可知, 无 论承 受双向大偏心荷载还是双向小偏心荷载 , 加载初期 , 混凝土和钢骨、 钢筋都处于弹性工作阶段, 试件压缩 变形的增加与荷载 的增加成 正 比。随着荷载 的增 加 , 逐渐进入弹塑性阶段 , 曲线呈现出明显的非线性 变化 , 远离加载点 的翼缘角部开始出现微小的横 向 位移 f n 图6 荷载一纵向位移曲线 Fi g 6 Lo a d v e r t i c
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