型钢混凝土T形柱受剪性能及承载力计算.pdf
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1、第 43 卷 第 1 期 2013 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 1 Jan 2013 型钢混凝土 T 形柱受剪性能及承载力计算 * 张向冈, 陈宗平, 郑述芳, 苏益声, 梁荣耀 (广西大学土木建筑工程学院,南宁 530004) 摘要为了研究型钢混凝土( SRC) T 形柱斜截面抗剪承载性能, 设计了 4 个试件进行静力单调加载试验, 考虑 了剪跨比、 轴压比、 配钢形式、 翼缘尺寸 4 个变化参数, 通过试验观察了试件的受力全过程和破坏形态。根据实测 数据, 给出了混凝土应变沿截面高度的分布情况以及荷载-应变、 荷载-挠度等重要关系曲线;
2、 并分析了各变化参数 对抗剪承载力的影响, 提出了承载力计算公式。研究结果表明: 型钢混凝土 T 形柱受力过程中截面应变基本符合 平截面假定; 剪跨比、 轴压比、 配钢形式、 翼缘尺寸等参数对其抗剪强度有显著影响; 基于叠加法的抗剪强度计算公 式可用于其斜截面极限承载力计算。 关键词型钢混凝土;T 形柱;受剪性能;强度计算 中图分类号: TU398文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 01- 0054- 05 Research on shear performance and bearing capacity calculation method of T- sha
3、ped steel reinforced concrete columns Zhang Xianggang,Chen Zongping,Zheng Shufang,Su Yisheng,Liang Rongyao ( College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China) Abstract: In order to study the shear bearing capacity of inclined section in T-shaped steel reinforced
4、concrete( SRC) columns,4 specimens with different shear span ratios,axial compression ratios,steel form and flange dimension were designed and produced to carry out monotonic static shear loading test The whole loading process and failure pattern were watched and the curves of concrete strain distri
5、bution along cross section height,load-strain and load-deflection were drawn based on the measured data The impact of parameters on the shear capacity was analyzed,and the formula for calculating capacity was proposed It is shown that average strain of T-shaped section conforms to plane section assu
6、mption Shear span ratios,axial compression ratios,steel form and flange dimension have significant effect on the shear strengthThe calculation formula of shear strength can be used to calculate ultimate bearing capacity of inclined section Keywords: steel reinforced concrete;T-shaped column;shear pe
7、rformance;strength calculation * 国家自然科学基金( 50908057) , 广西科学基金( 桂科青 0832004) 。 通讯作者: 陈宗平, 博士, 教授, Email: zpchen gxu edu cn。 0引言 SRC 异形柱是指在截面中主要配置型钢, 并且 配有适量的纵向钢筋和箍筋, 浇筑混凝土后把型钢 包裹在里面所形成的 L 形、 T 形、 十字形等异形截面 柱 1。由于 SRC 结构配置了较多的钢材, 大大提高 了柱承载力和抗震性能, 在高层建筑以及高烈度地 震设防区的建筑中有较好的应用前景。一般来说, 角柱为 L 形柱, 边柱为 T 形柱, 中
8、柱为十字形柱, 柱 肢与填充墙等厚, 房间的实际使用面积大, 使家庭装 修和布置时灵活方便, 且可节约使用面积, 受到广大 用户和开发商的好评 2, 3。研究 SRC 异形柱, 对推 广异形柱结构体系的应用和扩大异形柱的使用范围 具有重要的理论价值和工程意义。目前, 国内外对 SRC 异形柱的研究主要集中在正截面承载能力、 混 凝土保护层厚度、 抗震性能 4- 6等方面, 但关于 SRC 异形柱的静力单调受剪承载力的研究却不多。在前 人的研究基础之上, 完成了 4 根试件静力单调试验, 研究 SRC 异形柱的斜截面受力性能和破坏机理, 以 期丰富 SRC 异形柱研究内容, 并为其工程应用提供
9、参考和依据。 1试验概况 1. 1 试验设计与制作 设计了 4 个型钢混凝土 T 形柱试件, 主要考虑 了轴压比、 剪跨比、 配钢形式、 翼缘尺寸 4 个变化参 数, 混凝土设计强度等级为 C35, 型钢骨架为空腹 式, 各试件高度均为2 300mm, 设计参数具体见表 1。 轴压比 n = N/( fcAc+ fsAss) , 其中, N 为轴向压力设 计值, fc为混凝土轴心抗压强度, Ac为混凝土截面面 积, fs为型钢的屈服强度, A ss为型钢截面面积。剪跨 比 = a/h0, 其中, a 为邻近加载点到支座中心的距 离, h0为截面的有效高度。截面形式及配钢示意图 见图 1, T
10、形钢桁架实拍照片见图 2。 1. 2 材料性能试验 依标准试验方法实测试件用型钢、 角钢、 钢筋的 力学性 能 指 标 具 体 见 表 2。预 留 混 凝 土 标 准 试 第 43 卷 第 1 期张向冈, 等 型钢混凝土 T 形柱受剪性能及承载力计算 设计参数及部分试验结果表 1 试件 编号 轴压比 n剪跨比 型钢配置形式 T 形钢纵筋 箍筋角钢 开裂荷载 Pcr/kN 极限荷载 Pu/kN 破坏形态 T10. 121. 60半 I14 126 200 L25 3165240剪压破坏 T20. 232. 18半 I14 126 200 L25 3150285剪压破坏 T30. 231. 60半
11、 I14 126 200 L25 3190420剪压破坏 T40. 231. 60半 I14 128 100 240370剪压破坏 图 1截面形式及配钢示意图 图 2 T 形钢桁架实拍照片 图 3加载装置实拍照片 图 4加载装置示意图 型钢、 角钢、 钢筋的实测力学性能表 2 钢材 种类 规格 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/ 105MPa 翼缘I14299. 64394. 591. 84 腹板I14268. 40369. 801. 69 角钢L25 3272. 20316. 001. 96 钢筋 12 382. 00595. 002. 07 钢筋 8 355.
12、 00482. 002. 37 钢筋 6 343. 00468. 002. 43 块的实测立方体抗压强度 fcu为 38. 76MPa。 1. 3 加载装置 试验采用了自平衡框架作为施加轴力的反力加 载装置, 实拍照片见图 3, 示意图见图 4。试件几何 对中后, 用量程为1 500kN 的油压千斤顶在端头沿 轴向进行加载, 施加到试验轴向压力并保持该轴力 不变, 由横向加载至试件破坏。 2试验主要结果及分析 2. 1 受力全过程及破坏形态 T1 T4 试件均发生了剪压破坏。加载初期, 试 件处于弹性阶段, 剪弯段没有出现裂缝, 当荷载平均 达到 52. 15% Pu( Pu为极限荷载) 时,
13、 在构件剪弯段 的腹板部 分 开 始出 现腹剪斜裂缝, 倾角为 40 45, 随后 1 2 级荷载之内, 在构件中间纯弯段开始 出现细小的弯曲垂直裂缝。在剪弯段出现的垂直裂 缝从柱腹板底部向中部发展, 并且指向集中加载点, 逐渐形成弯剪斜裂缝。 随着荷载的增加, 腹剪斜裂缝和弯剪斜裂缝增 多变密, 而纯弯段弯曲垂直裂缝上升到腹板高度的 1 /4 1 /2 后, 几乎处于停滞发展状态。当加载达到 约 77. 8% Pu之后, 不再出现新的斜裂缝, 原有腹剪 斜裂缝继续向两端伸展。斜裂缝往上延伸到 T 形 截面翼缘与腹板交接处后停止, 往下则朝支座方向 或腹板底部延伸。此时, 斜向角钢腹杆已达到屈
14、服 应变, 竖向角钢腹杆应变也接近屈服应变值。当荷 载达到 Pu时, 支座、 加载点连线上的斜裂缝最大宽 度达到 0. 45mm, 形成主裂缝, 同时剪压段混凝土被 压碎, 试验宣告结束。T1 T4 试件均属于剪压破 坏, 破坏形态见图 5。 2. 2 型钢混凝土 T 形柱破坏特点 4 根型钢混凝土 T 形柱破坏主要发生在剪弯区 段内靠近加载点位置以及加载点和支座连线的方向 55 建筑结构2013 年 图 5试件 T1 T4 破坏形态 上, 各构件破坏特征明显, 破坏形态相似: 1) 在剪弯 区段的斜裂缝发展较快、 较充分, 纯弯区段的垂直裂 缝发展较慢、 延伸较早停滞; 2) 在加载点附近,
15、 4 个 试件剪压区顶部混凝土均被压碎; 3) 在加载末期, 构件发生破坏, 柱内型钢骨架尚能对破坏后的混凝 土形成一定程度的约束与支撑, 使得构件损而不坏, 外观上基本保持原来的形状; 4) 在接近破坏时, 翼 缘中产生破坏斜裂缝, 裂缝从加载点压碎区斜向往 下延伸, 然后在翼缘下排纵筋的高度处形成水平撕 裂裂缝; 5) 试件破坏时, 在腹板中部截面附近大多 出现 1 2 条主裂缝, 且宽度较大, 一般延伸至截面 翼缘下侧和支座处。 2. 3 混凝土截面的应变分布 截面应变的分布情况如图 6 9 所示, 其中 1- 1 横截面、 2- 2 横截面位置见图 4。从加载开始至构件 破坏, 型钢混
16、凝土 T 形柱截面平均应变分布基本符 合平截面假定, 无论在剪弯段还是纯弯段, 构件截面 平均应变均受到了翼缘的影响, 在剪弯段特别明显。 由于翼缘部分面积较大, 降低了混凝土的应力, 所以 翼缘部分截面平均应变大大减小。 2. 4 型钢、 角钢 /箍筋- 应变关系曲线 从图 10 中可以看出, 型钢混凝土 T 形柱的破坏 过程大致可以分为三个阶段: 第一阶段为加载至斜裂缝出现之前。由于此阶 段的剪力较小, 构件箍筋、 角钢和型钢的剪应变都很 小, 剪力主要由混凝土承担。 第二阶段为斜裂缝出现至构件开始屈服。斜裂 缝出现以后, 截面上的剪应力发生重分布, 裂缝处的 混凝土退出工作并将其承担的剪
17、应力转移给与之相 交的角钢 /箍筋和型钢, 此时型钢部分的应变发展迅 图 6 T1 截面应变分布情况 速, 特别是角钢 /箍筋的应变都产生比较明显的突 变, 表明构件所受的剪力由逐渐形成的混凝土斜柱 体、 型钢、 角钢 /箍筋等共同承担; 随着荷载的进一步 增加, 混凝土进入塑性变形阶段, 应力增加速度开始 减缓, 新增加的荷载主要由角钢 /箍筋和型钢承担。 同时, 由图 10 还可以看出, 与型钢应变的增长相比, 缀件角钢 /箍筋应变增长速度更快, 继续增加荷载, 角钢 /箍筋在弯矩和剪力的共同作用下发生屈服。 第三阶段为破坏阶段, 缀件角钢 /箍筋屈服后, 随着荷载继续增大, 腹部混凝土斜
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