配栓釘的鋼筋混凝土雙向板受力性能試驗研究

金玉，易偉建，胡嵐，馬克儉,3

(1.湖南大學 土木工程學院 長沙410082；2.嘉興學院 建筑工程學院，浙江 嘉興314001;3.貴州大學 空間結構研究中心，貴陽 550003)

鋼筋混凝土板柱結構在連接處往往因承受較大剪力和彎矩而發生脆性沖切破壞，已有研究表明，配置抗沖切鋼筋能顯著提高和改善板柱節點處的抗沖切承載能力和變形性能。板柱沖切問題一直是工程界較為關心的經典問題之一，學者們對采用沖切鋼筋的板柱連接性能進行了大量研究[1-4]，也嘗試研究過不同形式的抗沖切鋼筋，包括箍筋、彎曲鋼筋、型鋼剪力架、抗剪格柵、U形箍筋、雙頭錨箍筋、鋼筋連成的栓釘等。盡管抗沖切鋼筋形式多樣，但各國規范采用的抗沖切鋼筋形式卻不多，也不統一，如美國規范[5]推薦采用封閉箍筋和型鋼剪力架，中國規范[6]則推薦使用封閉箍筋和彎起鋼筋。為了安裝方便和提升抗沖切效果，學者們仍在對新型抗沖切鋼筋進行不斷嘗試和研究，如Yamada等[7]對帽式鋼筋和雙鉤鋼筋兩種新型抗沖切鋼筋進行試驗研究，發現帽式鋼筋安裝方便，但錨固不足，后者抗沖切性能尚可，但施工比較麻煩。

Ghali[8]最早提出栓釘雛形，并對工字形型鋼的小切段作為抗沖切鋼筋進行了較深入的試驗研究[9]，結果表明，這種抗沖切鋼筋可有效防止沖切破壞。由于栓釘具有易于安裝、利于實現工廠標準化生產和良好的經濟性，在歐美國家已得到廣泛應用。鑒于栓釘的獨特優勢，學者們[10-12]依據相關研究成果提出了設計建議。中國的研究相對較少，其中，舒兆發[13]、代偉明等[14]分別完成了配栓釘混凝土板的靜力和抗震試驗，結果表明，配置栓釘有利于改善試件的受力性能，但栓釘的試驗參數相對有限，另外，中國規范對栓釘設計尚未給出具體針對性條文。按照設計規范的指導思想，當有可靠依據時，可采用栓釘作為抗沖切鋼筋。為了給抗沖切栓釘在實際工程中的應用提供依據，對7個配栓釘的鋼筋混凝土雙向板柱節點進行多參數試驗研究，分析各參數對板柱節點的沖切性能的影響，進而結合有關規范對試驗結果進行評估，驗證試驗結果的可靠性。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件與加載柱尺寸分別為2 550 mm×2 550 mm×180 mm和250 mm×250 mm×300 mm，試件編號為SDB1～SDB7(即SDB系列)，栓釘由栓柱、栓帽和栓底板帶組成，栓柱按照設計間距焊接在底板帶上，對成組布置的栓柱起定位作用，試件配筋及栓釘構造見圖1(a)～(c)，栓釘布置形式為：正交布置1、正交布置2和放射布置，詳見圖1(d)～(f)。

圖1 試件構造Fig.1 Construction of specimen

表1給出了試件參數，板柱節點采用整體澆筑，栓釘預先埋置于混凝土中[15]，板下部縱向鋼筋采用HRB400級，fy=513 MPa，配筋率為1.28%。

1.2 加載方案

試驗在湖南大學結構工程實驗室完成，試驗裝置如圖2所示。試件放置于剛性反力鋼框架上，板體柱頭向上，通過試件上方反力橫梁將軸心荷載施加在柱頭上，試驗采用1 000 kN液壓千斤頂(KD4050-1000 kN荷載傳感器)加載。試驗過程分為3個階段：預加載、分級加載和破壞加載，分級加載過程中出現開裂之前每級荷載增量為25 kN，試件開裂后改為每級荷載增量為50 kN，在接近計算破壞荷載的80%時，每級荷載增量為10 kN，直至試件破壞。采集每級荷載加載完成后的數據，并觀察板底裂縫的開展。

表1 試件參數Table 1 parameters of Specimens

注：fcu為混凝土的抗壓強度；ft為混凝土的抗拉強度；fyv為箍筋的屈服強度。

圖2 試驗加載裝置

1.3 測試內容與測點布置

采用浙江黃巖測試儀器廠生產的BX120-1AA、BX120-2AA和BX120-80AA型應變片測定鋼筋和混凝土以及栓釘處的應變，應變片布置見圖3，應變數據通過日本東京測器TDS-530靜態電阻應變儀采集。撓度采用LVDT位移傳感器測量。觀察裂縫并及時初步繪制和標記加載值，以便后期準確描繪裂縫發展趨勢[16]。

圖3 應變片布置Fig.3 Arrangement of strain

2 試驗現象

由于配置栓釘的鋼筋混凝土雙向板在豎向荷載作用下裂縫開展過程基本一致，限于文章篇幅，不作逐一贅述。SDB系列試件在荷載約為150～200 kN(0.16Fu～0.24Fu)出現初始裂縫，且裂縫主要集中于柱頭附近徑向和環向，以徑向裂縫為主；增大荷載，試件徑向裂縫逐漸向板邊快速延伸，試件環向裂縫以柱頭為中心向板邊擴大，當荷載為450～550 kN(0.45Fu～0.65Fu)時，試件徑向裂縫基本延伸至板邊；隨著荷載的提高，主要以環向裂縫發展為主；當達到破壞荷載時，SDB系列試件均出現瞬間脆性斷裂聲，試件發生沖切破壞，但各試件延性表現差異較大。為了更好地研究試件失效模式，沿柱邊將鋼筋切斷，可以看到完整的失效剖切斷面，如圖4所示。依據剖切斷面測算沖切破壞錐體平均傾角，如表2所示。除試件SDB3平均傾角較大(33°)外，其他試件沖切錐體平均傾角在10°～19°之間，說明斜裂縫均不同程度地穿過栓釘，有利于改善試件的抗沖切性能；沖切錐體平均傾角較小的試件(如試件SDB1、試件SDB4和試件SDB5)，板邊均出現不同程度的鋼筋與混凝土的撕裂破壞，鋼筋與混凝土之間產生較大的滑移，從而使試件的破壞增加額外的延性，降低了破壞脆性程度；對于試件SDB3，由于增大栓釘間距，削弱了栓釘性能充分發揮，試件破壞嚴重，說明限制栓釘間距對于改善板柱節點破壞形態、提高承載能力很有必要。圖5給出了典型板平面裂縫圖，從圖5可清晰看出裂縫發展的全過程及沖切錐體外輪廓線。

圖4 SDB系列試件剖切圖Fig.4 Cuttings figure of SDB series specimens

試件編號f/mmFcr/kNFu/kN平均傾角α/(°)SDB132.0620089110SDB227.1915083918SDB323.120082033SDB432.1120090312SDB543.7517594611SDB632.1815090717SDB732.1215090519

注：f為極限荷載對應為的跨中撓度；Fcr為開裂荷載；Fu為極限荷載。

圖5 典型板(試件SDB6)平面裂縫圖Fig.5 Typical slab (specimen SDB6) plane fracture

3 試驗結果分析

3.1 承載力及變形性能分析

分析結果表明，栓釘參數的合理性選擇是影響試件抗沖切性能的重要因素。通過栓釘有效抑制板柱節點斜裂縫的形成和發展，使斜裂縫穿過栓釘，栓釘參與抵抗沖切荷載，能提高板柱結構的承載力和變形能力。

圖6 荷載撓度曲線

3.2 混凝土和縱筋應變

圖7 混凝土的應變荷載曲線Fig.7 Strain-Load curves of

表3 試件沖切破壞時典型測點應變值Table 3 Strain values of specimens’ typical measuring points when punching shear failure

圖8 鋼筋的應變荷載曲線Fig.8 Strain-Load curves of

3.3 栓釘應變

為了測出各試件栓釘的受力性能，按距柱頭由近至遠布置了編號為1～5的應變測點，如圖3(c)所示，并同時布置相應的校核測點，以防部分測點結果失效，實際布置見圖9。

圖9 栓釘測點布置Fig.9 Measuring points of

圖10 測點應變荷載曲線Fig.10 Strain-Load curves of measuring

試件編號σmax/MPa距柱面距離/mmSDB1282.0125SDB2148.5350SDB3111.7050SDB4148.5050SDB5394.4200SDB6443.1050SDB7161.7350

4 規范驗證

表5給出了規范計算值與實測值的比較，從表中不難看出，各國規范計算具有一定的離散性，這與不同規范在制訂時考慮的因素差異有關。中國規范[6]及美國規范ACI[5]公式中未考慮配筋率ρ對抗沖切承載力影響，而歐洲規范MC2010[17]和英國BS8110[18]均予以考慮。為彌補考慮參數影響不充分，中國規范公式對這一問題的處理方法是，計算公式取試驗結果的偏下限，以得到在同樣荷載分項系數和材料強度分項系數條件下沖切破壞失效概率小于彎曲破壞失效概率的結果。美國規范的抗沖切計算公式過于保守，這已在很多文獻[19-23]中有過討論。分析美英及歐洲規范中抗沖切強度計算公式的可靠度可知，在這些規范中普遍采用較高的可靠指標。由表5可知，除試件SDB5外，試驗值均大于規范計算值，從均值上看，中國規范GB 50010—2010和歐洲規范EN 1992-1-1:2007更接近試驗值，分別為1.19和1.12，而美國規范ACI318-14相對偏于安全，從變異系數看，英國規范BS8110為0.06，說明該規范計算較為穩定。總體來說，根據規范計算配栓釘的鋼筋混凝土板抗沖切承載力，安全儲備足夠，但對于反映試驗結果的實質不夠充分，特別是栓釘對板的抗沖切承載力的貢獻有所低估。

表5 計算值與實測值比較Tabl 5 Comparing calculated values and measured values

5 結論

通過在柱頭施加荷載來模擬配栓釘雙向板柱節點受力性能，對中柱節點進行沖切破壞試驗研究，并將其試驗結果與相關規范進行了對比，得到以下結論：

1)提高栓釘強度和增大栓釘直徑均有利于改善試件的抗沖切性能。在實際工程中，要滿足沖切破壞時栓釘達到屈服較為困難，因此，通過提高栓釘強度來增大試件承載力效果相對有限；對配置增大栓釘直徑的試件，其撓度提高幅度達36%，同時，抗沖切栓釘達到屈服，改善效果尤為明顯。

2)加大栓釘間距和減小栓釘高度均不利于試件的抗沖切性能，其栓釘峰值應變分別出現在距柱面第1排和第5排，其他排栓釘破壞過程中處于低應變水平，說明栓釘材料性能尚未充分發揮。

3)對比3種不同栓釘布置形式發現，采用相同數量栓釘放射布置和增加每圈栓釘數量的正交布置，均有利于提高試件抗沖切能力，但兩種布置方式對試件抗沖切性能改善有限。

4)采用規范計算配栓釘的鋼筋混凝土板抗沖切承載力安全儲備足夠，但對于反映試驗結果的實質不夠充分，特別是栓釘對板的抗沖切承載力的貢獻有所低估。