梁柱配筋對(duì)混凝土局部受壓承載力影響研究

王 英，鄭文忠，李二航

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

梁柱配筋對(duì)混凝土局部受壓承載力影響研究

王 英，鄭文忠，李二航

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算混凝土局部受壓承載力時(shí)，未考慮預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)處箍筋和梁柱縱筋影響的問題，本文在計(jì)算混凝土局部受壓承載力時(shí)，引入了預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)處梁柱配筋的影響，提出了框架節(jié)點(diǎn)處與錨墊板相交的箍筋和梁柱縱筋作為等效墊板的思想.研究結(jié)果表明:柱縱筋、梁縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的等效新增的局部受壓面積可取為3倍鋼筋直徑長度在垂直于預(yù)應(yīng)力筋方向的投影面積.基于分析結(jié)果，給出了考慮梁柱配筋影響的局部受壓面積和底面積的計(jì)算公式，提出了考慮梁柱縱筋和箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計(jì)算方法.

梁柱配筋;局部受壓承載力;等效墊板

針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨具下混凝土的局部受壓問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究［1－6］，但是，近些年的科學(xué)研究及工程實(shí)踐表明，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)［7］(以下簡稱現(xiàn)行規(guī)范)中有關(guān)混凝土局部受壓承載力的計(jì)算方法存在一些問題，例如預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域，為滿足局壓承載力的要求，設(shè)計(jì)時(shí)需要在錨固區(qū)域配置大量的間接鋼筋，使得節(jié)點(diǎn)區(qū)域配筋過于密集，混凝土難以澆筑密實(shí)，影響施工效率和工程質(zhì)量.預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)外側(cè)，與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相交的柱和梁中的縱筋以及節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局部受壓承載力有一定的提高作用，而在現(xiàn)行規(guī)范中未考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的影響.

本文研究了預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)處梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局壓承載力的影響，提出了將位于錨墊板內(nèi)側(cè)的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋作為等效墊板的思想.通過對(duì)文獻(xiàn)［8］用柱縱筋和箍筋代替局壓影響區(qū)網(wǎng)片增強(qiáng)局部承壓承載力的試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了考慮梁柱配筋影響的局壓面積和計(jì)算底面積的計(jì)算公式，建立了考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的局部受壓承載力計(jì)算方法.

1 考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的混凝土局壓承載力計(jì)算方法

在預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域，與預(yù)應(yīng)力梁相交的柱和梁中配置了大量的縱筋和箍筋.文獻(xiàn)［2］試驗(yàn)研究表明，采用柱中縱筋和箍筋代替局部受壓鋼筋網(wǎng)片實(shí)現(xiàn)局部承壓是可行的，柱縱筋和箍筋對(duì)局部受壓影響區(qū)域內(nèi)混凝土的約束在受力變形時(shí)形成多軸受力狀態(tài)，可以利用三軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度提高來解決局部受壓強(qiáng)度不足的問題.以此結(jié)論為基礎(chǔ)進(jìn)行推廣，預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)外側(cè)，與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相交的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋能夠提高混凝土局部受壓承載力.

為考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局部受壓承載力的影響，可以把梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋作為等效墊板的.位于錨墊板內(nèi)側(cè)的梁柱縱筋和箍筋的作用等效為墊板，當(dāng)局部受壓荷載通過梁柱縱筋和箍筋向預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)部傳遞時(shí)，在一定長度L范圍內(nèi)，如圖1所示，荷載通過鋼筋按剛性角向預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)傳遞.基于此，考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的影響后，局壓面積Al增大，計(jì)算底面積Ab亦相應(yīng)變化，使得現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)局部受壓承載力公式的計(jì)算參數(shù)發(fā)生變化，但計(jì)算公式的形式不變.故依據(jù)下述確定局壓面積Al和計(jì)算底面積Ab的計(jì)算方法，即可開展考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計(jì)算.

圖1 考慮梁柱縱筋和箍筋影響的局部受壓面積

2 Al和Ab的計(jì)算方法

依據(jù)文獻(xiàn)［8］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究可視為等效墊板的縱筋和箍筋的長度L.文獻(xiàn)［8］開展了12個(gè)柱節(jié)點(diǎn)錨固區(qū)的局部受壓試驗(yàn)，其中5個(gè)試件為單向孔道，用來模擬單向預(yù)應(yīng)力混凝土框架的邊柱;7個(gè)試件為雙向孔道.試件尺寸均為320 mm×320 mm×900 mm，試件概況見圖2.

圖2 局部受壓試件(mm)

試件的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值fcu=32.1 N/mm2，fc=0.76fcu=24.4 N/mm2，ft=2.20 N/mm2，Ec=3.064 ×104N/mm2.

試驗(yàn)采用2種加載方式:不加軸向壓力，按等級(jí)施加局部受壓荷載(每級(jí)施加荷載為0.2 t)至試件破壞;先施加軸向壓力到設(shè)計(jì)值，維持軸向壓力不變，按等級(jí)施加局部受壓荷載(每級(jí)施加荷載為0.2 t)至試件破壞.試件的加載見圖3.

圖3 試件的加載

局壓試件配筋與破壞荷載如表1所示.

表1 試件配筋與破壞荷載

試件中未設(shè)置鋼筋網(wǎng)片，采用尺寸為140 mm×140 mm和120 mm×120 mm的墊板.以ZKD1為例，來確定可作為等效墊板的鋼筋長度.

ZKD1設(shè)置尺寸為140 mm×140 mm的墊板，墊板在ZKD1中的位置見圖4.2根縱筋和2根箍筋與墊板相交，直徑分別為10 mm和6.5 mm.

圖4 ZKD1中局部受壓墊板

按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算，Al=140×140=19 600 mm2.考慮箍筋和縱筋的影響，與墊板相交的一定長度內(nèi)的箍筋和縱筋作為等效鋼板，增加了局部受壓面積.新增面積為4根鋼筋中可作為剛性傳遞局部受壓荷載的4段鋼筋的縱向截面面積.假設(shè)作為剛性傳遞局部受壓荷載的鋼筋長度L是鋼筋直徑的n倍，增加后的局部受壓總面積A'l的取值見圖5.

圖5 局部受壓面積A'l的取值

考慮箍筋和縱筋影響的局部受壓面積A'l=140×140+4×6.5×6.5n+4×10×10n.考慮箍筋和縱筋影響的計(jì)算底面積A'b可按照與局部受壓面積同心和對(duì)稱的原則確定.新增局壓面積ΔAl=d×nd，d為鋼筋直徑，計(jì)算底面積的增量ΔAb=3d × nd.對(duì)應(yīng)于上述的 A'l，A'b=320 ×420+4×3×6.5×6.5n+4×3×10×10n，A'b的取值方法見圖6.

圖6 計(jì)算底面積A'b的取值

計(jì)算考慮箍筋和縱筋影響的混凝土局壓承載力時(shí)，首先要確定n的取值.經(jīng)試算，當(dāng)n=3時(shí)，計(jì)算得到混凝土局壓承載力與實(shí)驗(yàn)值的吻合較好，見表2.

表2 試件局部受壓承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

將此思想進(jìn)一步推廣，得出考慮預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)外側(cè)的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的局部受壓面積A'l和計(jì)算底面積A'b的計(jì)算方法.

1)理清預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)處的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的配置情況，確定與錨墊板相交的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的直徑以及數(shù)量.

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)、下包曲線

3 局部受壓承載力的計(jì)算

綜上所述，考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的局部受壓承載力計(jì)算公式為

若錨固區(qū)域內(nèi)配置對(duì)提高局部受壓承載力有利的間接鋼筋，則局部受壓承載力計(jì)算公式中應(yīng)引入間接鋼筋的貢獻(xiàn)量，即

φ為軸向壓力對(duì)混凝土局部受壓破壞荷載的提高系數(shù)，φ為開雙向孔洞時(shí)，另一方向孔洞對(duì)所計(jì)算方向局部受壓破壞荷載的降低系數(shù).軸向壓力對(duì)局部受壓承載力有一定的提高作用，而開雙向空洞對(duì)局部受壓承載力有一定的削弱作用，但軸向壓力對(duì)局部受壓承載力的提高作用大于開雙向孔道的削弱作用［8］.故實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮φ和φ對(duì)局部受壓承載力的影響，作為預(yù)應(yīng)力混凝土局部受壓承載力的安全儲(chǔ)備.

考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的混凝土局部受壓承載力計(jì)算公式為

近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)預(yù)應(yīng)力與防護(hù)結(jié)構(gòu)研究中心在許多預(yù)應(yīng)力混凝土框架的工程實(shí)踐中，包括綏芬河青云市場(chǎng)套(擴(kuò))建工程、哈醫(yī)大第一臨床醫(yī)院實(shí)驗(yàn)樓套建增層改造工程、哈工大動(dòng)力樓增層套建工程、設(shè)疊層游泳池的哈工大游泳館、長春解放大路體育館預(yù)應(yīng)力混凝土框架以及七臺(tái)河體育館等，均應(yīng)用了梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋作為等效墊板的思想，以考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局壓承載力的影響.工程實(shí)踐證明，考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局部受壓承載力的影響，可減少間接鋼筋的配置和工程造價(jià)，有利于節(jié)點(diǎn)處混凝土澆筑密實(shí)，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量.

4 結(jié)論

1)為考慮預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)處梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋對(duì)混凝土局部受壓承載力的影響，提出了將與錨墊板相交的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋視為等效墊板的思想.通過對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出:視為等效墊板的梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋的長度可取為3倍其鋼筋直徑，新增局部受壓面積取為3倍鋼筋直徑長度范圍內(nèi)的縱向鋼筋截面面積.

2)提出了考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的局部受壓面積和計(jì)算底面積的計(jì)算方法，給出了考慮梁柱縱筋和節(jié)點(diǎn)箍筋影響的局部受壓承載力計(jì)算公式.

3)本文研究成果暫限用于非抗震設(shè)防區(qū)工程預(yù)應(yīng)力錨下局壓承載力計(jì)算.

［1］YETTRAM A L，ROBBINS K.Anchorage zone stresses in axially post-tensioned I-section members with endblocks［J］.Magazine of Concrete Research，1971，23(74):37－42.

［2］IBELL T J，BURGOYNE C J.Experimental investigation of behaviour of anchorage zones［J］.Magazine of Concrete Research，1993，45(165):281－291.

［3］GALE L，IBELL T J，WILLIAMS C.Analysis of doubly loaded end blocks in FRP-prestressed concrete［J］.Magazine of Concrete Research，2006，58(8):547－563.

［4］鄭文忠，張吉柱.密布預(yù)應(yīng)力束錨具下混凝土局部受壓承載力計(jì)算方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(4):60－65.

［5］趙軍衛(wèi)，鄭文忠.預(yù)應(yīng)力混凝土局壓承載力計(jì)算及端部間接鋼筋的配置問題［J］.工業(yè)建筑，2007，37(11):47－52.

［6］鄭文忠，趙軍衛(wèi).考慮孔道及核心面積影響的混凝土局壓承載力試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29(5):85－93.

［7］GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［8］張大長，呂志濤.用柱中縱筋和箍筋代替錨固區(qū)網(wǎng)片局部承壓的研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1999，29(8):3－6.

Influence of reinforcement in columns and beams on local compression bearing capacity of concrete

WANG Ying，ZHENG Wen-zhong，LI Er-hang

(School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090，Harbin，China，zhengwenzhong@hit.edu.cn)

To perfect the calculation formula of concrete local compression bearing capacity for the current code，which has no considering the influence of longitudinal-steel in beam，longitudinal-steel in column and stirrup，the positive influence of steel in beams and columns in the local compression bearing capacity calculation，and the thought that reinforcement intersected with anchor plate in beams and columns can be regarded as equivalent plate are put forward.The analysis result shows that the equivalent new added local compression area of reinforcement in beams and columns in node can be taken as the projected area of 3 times of the diameter of steel bars in the direction of prestressed bars.Based on the analysis，the calculation formula of local compression area and calculated bottom area，and the calculation method of local compression bearing capacity considering the effect of longitudinal-steel in beam，longitudinal-steel in column and stirrup are put forward.

reinforcement in beams and columns;local compression bearing capacity;equivalent plate

TU378.1

A

0367－6234(2012)04－0007－05

2011－06－05.

國家教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009-37);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20092302110046);哈爾濱工業(yè)大學(xué)“985工程”優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(2011).

王 英(1968—)，女，博士，副教授;

鄭文忠(1965—)，男，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授.

(編輯 趙麗瑩)