鋼筋混凝土箱型截面壓彎構(gòu)件破壞形態(tài)試驗研究

丁紅艷，劉　凡，梁巧真

（蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011）

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鋼筋混凝土箱型截面壓彎構(gòu)件破壞形態(tài)試驗研究

丁紅艷，劉凡，梁巧真

（蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011）

摘要：通過對3個鋼筋混凝土箱型截面試件進(jìn)行水平單調(diào)加載試驗，得到其破壞過程和裂縫發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而分析了其破壞形態(tài)和受力機(jī)理，以及軸壓比對鋼筋混凝土箱型截面構(gòu)件壓彎破壞性能的影響。通過分析固端約束作用、剪力滯效應(yīng)和軸壓比的影響解釋了試驗現(xiàn)象發(fā)生的原因。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土箱型截面；壓彎破壞；軸壓比

鋼筋混凝土箱型截面構(gòu)件因具有良好的空間受力性能而被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中[1]。箱型高墩與基礎(chǔ)或橋梁的連接節(jié)點處相當(dāng)于固結(jié)，在梁上荷載和其他活荷載的共同作用下類似于壓彎狀態(tài)下的箱型截面構(gòu)件；框筒結(jié)構(gòu)可以看成是由腹板承擔(dān)水平剪力，翼板、腹板共同承擔(dān)截面彎矩的懸臂箱型截面構(gòu)件[2]。

但是，箱型截面構(gòu)件的受力分析比較復(fù)雜，而目前的相關(guān)研究工作還比較落后。試驗研究和分析大多是集中在箱梁方面，在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)廣泛采用空心截面橋墩和橋塔時，對箱型混凝土受壓構(gòu)件的研究卻是很少的[1]。設(shè)計時大都參考實心柱的研究成果，具有一定的局限性，世界各國的規(guī)范關(guān)于箱型截面構(gòu)件也沒有明確的規(guī)定，設(shè)計師們面臨著許多問題，例如怎樣控制構(gòu)件的長細(xì)比，最小容許寬厚比是多少，以及如何配筋最為合適等。為了解決這些問題，得到箱型截面構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下的破壞形態(tài)和理論分析，對其進(jìn)行試驗研究并分析其破壞過程和受力機(jī)理是很有必要的，文中主要對其進(jìn)行壓彎狀態(tài)下的礎(chǔ)性能進(jìn)行試驗研究，這對充實相關(guān)理論和完善規(guī)范是有一定價值的。

1　試驗概況

1.1試件設(shè)計

試驗考慮了工程中此類構(gòu)件的實際尺寸，結(jié)合實驗?zāi)康摹龅睾图虞d裝置的條件限制，設(shè)計了3個截面尺寸及配筋均相同的試件，具體參數(shù)如表1所示。懸臂長1 400 mm，橫截面尺寸600 mm×300 mm×70 mm，混凝土強(qiáng)度等級C20，鋼筋全部采用HPB300。試件尺寸及主要配筋圖如圖1所示。

表1　試件尺寸和配筋參數(shù)表

1.2測點布置

在試件的固端和距固端垂直距離600 mm截面（以下稱中間截面）位置處的鋼筋表面粘貼應(yīng)變片以得到鋼筋應(yīng)力變化情況，另外在相應(yīng)部位的肋板側(cè)布置4個位移計，將位移計固定在基座上以使測得的數(shù)據(jù)為試驗所需的凈位移，從而得到試件在壓彎狀態(tài)下的荷載-位移曲線。位移計、鋼筋應(yīng)變片布置如圖2所示。

1.3加載制度

首先按軸壓比標(biāo)準(zhǔn)值施加恒定軸向荷載，然后在距離固端1 200 mm處施加單調(diào)水平線荷載。水平荷載的加載采用荷載-位移雙控制的方法：試件屈服前按力分級（2 kN）加載，屈服后按位移加載，直至水平荷載下降到最大水平荷載的85%時終止加載。加載裝置如圖2所示。

圖1　試件尺寸及主要配筋圖

圖2　加載裝置和位移計、應(yīng)變片布置圖

2　試驗結(jié)果

2.1試驗現(xiàn)象描述

3個試件有著相似的破壞過程。首先出現(xiàn)的是中間截面附近的肋板上的斜裂縫；隨著荷載的增大，斜裂縫持續(xù)擴(kuò)散，數(shù)量增多，寬度增大，長度延伸；直到荷載達(dá)到一定等級，在受拉翼緣中間截面附近靠近肋板的位置出現(xiàn)了對稱的彎曲水平微裂縫，并逐漸發(fā)展到類似通縫；繼續(xù)加載，水平裂縫的數(shù)量和長度都在不斷增加，其中自中間截面向固端擴(kuò)散的數(shù)量較多；觀察受壓翼緣的破壞情況，只在試驗即將結(jié)束時，在距離固端10～30 mm之間出現(xiàn)了混凝土翹皮的現(xiàn)象；伴隨著試驗的進(jìn)行，在試件角部有鋼筋的位置出現(xiàn)了縱向裂縫；最終破壞形態(tài)都是受拉面和肋板分布縱筋屈服，肋板混凝土被壓潰。裂縫分布如圖3所示。但是由于軸壓比的不同，每個試件破壞過程中的特征荷載又有所不同，如表2所示。

圖3　裂縫分布圖

表2　試件破壞特征荷載一覽表

2.2荷載-位移關(guān)系分析

與普通鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的荷載-位移曲線[3]進(jìn)行對比（見圖4），箱型截面壓彎構(gòu)件的荷載-位移曲線沒有波動即受拉鋼筋屈服的影響不大；相同的是在彈性階段變形均較小，當(dāng)截面出現(xiàn)塑性鉸后，構(gòu)件的承載力還有30%左右的增長，再達(dá)到峰值，之后構(gòu)件的位移迅速增長，而承載力不再增加，最后由受壓混凝土壓碎破壞，承載力下降導(dǎo)致試件破壞。

圖4　荷載-位移關(guān)系曲線

3　破壞形態(tài)分析

3.1固端約束

如圖5所示，試件與基座的連接相當(dāng)于固端的邊界條件，對試件壁的變形有約束作用。在試驗荷載作用下，要阻止試件壁向外擴(kuò)張變形，同時還要保持轉(zhuǎn)角為零，這相當(dāng)于在自由擴(kuò)張變形的箱型截面構(gòu)件的端部作用著水平附加剪力H和彎矩M，從而使橫向變位ω和角變位θ都為零。

圖5　試件與基座的連接

在中心受壓和橫向荷載作用下，固端在箱型截面構(gòu)件中會產(chǎn)生縱向局部彎矩和環(huán)向局部應(yīng)力（微小，可忽略），使得外壁壓應(yīng)力增大，內(nèi)壁壓應(yīng)力減小。已得到理論和試驗驗證[4]。根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理，不難得出固端所產(chǎn)生的干擾力只在構(gòu)件的一定高度范圍內(nèi)起作用。

對于空心高墩，固端區(qū)域干擾高度在中心受壓、橫力彎曲和純彎曲狀態(tài)下相差不大，一般按下式確定，即Si=。式中，t為墩壁厚度，mm；R為墩壁軸線半徑活驗算方向墩壁軸距之半，mm。

驗算試件弱軸方向（見圖5），t=70 mm，R=150 mm，得出Si=358 mm。

試件在軸力和水平荷載作用下，固端彎矩最大，考慮了固端干擾力在外壁產(chǎn)生的縱向局部應(yīng)力后，最大拉應(yīng)力應(yīng)該在中間某個截面，試驗時第一批水平裂縫出現(xiàn)在距離固端500 mm左右的截面，最終破壞是該處的鋼筋彎曲，中截面到固端之間均勻分布著水平裂縫，基本符合以上論述。

3.2剪力滯效應(yīng)

試驗過程中受拉側(cè)翼板同一截面靠近肋板的位置出現(xiàn)彎曲水平裂縫的時間較遠(yuǎn)離肋板的要早，這一現(xiàn)象可以用薄壁箱型截面構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)來解釋，在側(cè)向水平荷載的作用下，構(gòu)件的腹板承受了大部分的剪力，翼板則主要承受彎矩，由于剪切變形在翼板中分布不均勻?qū)е乱戆逯锌拷拱逦恢玫目v向拉應(yīng)力大于遠(yuǎn)離腹板的，這是正剪力滯的現(xiàn)象[5]。圖5是試驗測得的三個試件的中間截面受拉和受壓翼板的縱向受力鋼筋在混凝土開裂前的應(yīng)變分布情況。

另外，試驗過程中第一批裂縫出現(xiàn)在肋板上，且最終破壞肋板已經(jīng)出現(xiàn)大面積斜拉裂縫和爆皮現(xiàn)象而翼板的破壞卻不明顯，只是在固端和中截面之間分布著一些水平微裂縫，圖6是考慮剪力滯后效應(yīng)的箱型構(gòu)件的橫截面縱向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，從圖6可以看出，腹板的拉應(yīng)力水平是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于翼板的，所以僅僅考慮拉應(yīng)力腹板的破壞不應(yīng)比翼板快和明顯，只能是腹板承受的剪力比翼板大得多，導(dǎo)致在同一時刻腹板的主拉應(yīng)力大于翼板，這正是剪力滯效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

圖5　試件開裂前中間截面鋼筋應(yīng)變

圖6　橫截面縱向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

3.3軸壓比

3.3.1軸壓比對承載力的影響

得到軸壓比分別為0.2、0.3、0.4的試件的破壞形態(tài)，由荷載-位移曲線不難看出，提高軸壓比對箱型截面壓彎構(gòu)件的水平極限承載力影響不大，這可能是和受拉筋與受壓筋面積的比值有關(guān)，由于拉壓配筋比大，導(dǎo)致箱型截面受壓區(qū)混凝土作用不明顯，破壞主要受受拉區(qū)鋼筋的影響，在同一水平荷載等級下，一旦受拉區(qū)縱向鋼筋屈服，試件即破壞，從而影響了其極限承載力。

3.3.2軸壓比對變形性能的影響

規(guī)范通過限制軸壓比，主要是為了保證其延性，從而保證框架柱有足夠的變形能力，因此本文主要通過試件的位移延性比μδ（又稱位移延性系數(shù)）[6]來反映軸壓比對箱型截面壓彎構(gòu)件變形性能的影響。其中μδ=δu/δy。式中，δy是構(gòu)件的屈服位移，取構(gòu)件控制截面在受拉鋼筋屈服時對應(yīng)的位移；δu是構(gòu)件的極限位移，取構(gòu)件控制截面在最大荷載下降15%時對應(yīng)的位移。

從表3和荷載-位移曲線可以看出軸壓比對箱型截面壓彎構(gòu)件的變形性能影響是很明顯的。當(dāng)軸壓比較小時，荷載-位移曲線的下降段較平緩，位移延性比大，承載力下降的速度較慢，構(gòu)件承受變形的能力較大；當(dāng)軸壓比較大時，荷載位移曲線的下降段較陡，位移延性比小，承載力下降的速度較快，構(gòu)件抵抗變形的能力較小。這可能由于軸壓比增大使構(gòu)件的剛度也變大，導(dǎo)致其極限位移變小所致。

表3　試件位移延性比

4　結(jié)語

（1）試件破壞主要裂縫是分布在受拉翼板中截面和固端之間的彎曲水平裂縫和兩側(cè)肋板上的剪切斜裂縫，最終破壞時受拉面鋼筋屈服和肋板混凝土壓碎。

（2）根據(jù)肋板裂縫的分布情況得出肋板發(fā)生的是剪切斜拉破壞，屬于脆性破壞，原因可能是腹板寬厚比較大、配箍率較少以及剪力滯效應(yīng)等。

（3）最終破壞時受拉鋼筋斷裂處在試件中截面附近而不是彎矩最大的固端，是因為箱型截面壓彎構(gòu)件在固端剛接的情況下存在固端干擾力，而固端干擾的影響是有范圍的。

（4）剪力滯效應(yīng)較明顯，肋板承受較大剪力，翼板兩側(cè)位置的鋼筋縱向拉應(yīng)力大于中間處，導(dǎo)致肋板剪切破壞嚴(yán)重且翼板靠近肋板的位置較早出現(xiàn)水平裂縫。

（5）軸壓比對箱型截面壓彎構(gòu)件的承載力無明顯影響，但是對構(gòu)件的塑性變形階段影響較大，軸壓比越大，延性越小，這是因為軸壓比變大，截面相對受壓區(qū)高度變大，受拉鋼筋屈服的可能性變小。

截面尺寸、配筋、混凝土等級等也可能對箱型截面壓彎構(gòu)件破壞形態(tài)產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙牡珍.薄壁箱型橋墩與橋塔設(shè)計的建議[J].國外橋梁，1996（2）：26-29.

[2]高雁.筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)研究及其簡化分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[3]李榮年.鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件變形性能分析[J].遼寧學(xué)院學(xué)報，2009，16（2）：158-161.

[4]王慧東.橋梁墩臺與基礎(chǔ)工程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]張永健.考慮剪力滯效應(yīng)的薄壁結(jié)構(gòu)特性分析[D].西安：長安大學(xué)，2007.

[6]王慶華，張敏，王曉東.鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件荷載-撓度全過程分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2007，24（5）：17-20.

（責(zé)任編輯：秦中悅）

Experimental study on failure performance of reinforced concrete box-section members in the compression and bending state

DING Hongyan, LIU Fan, LIANG Qiaozhen
（School of Civil Engineering, SUST, Suzhou 215011, China）

Abstract：Taking the axial compression ratio as the test parameter, the paper obtained the destruction process and crack development law of RC box section members with flexure by a monotonic horizontal loading test on three different RC box section members, and then the failure modes and their stress mechanism including the influence of the axial compression were analyzed.The analyzing of the fixed end restraints, the shear lag effect and influence of axial compression ratio was used to explain why the experimental phenomena occurred.

Key words：RC box-section; compression-flexure failure; axial compression ratio

中圖分類號：TU317+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-0679（2016）01-0038-04

[收稿日期]2015－07－10

[作者簡介]丁紅艷（1989-），女，安徽合肥人，碩士研究生。