宽肢异形柱受剪承载力研究

张学辉 高玲玲

所谓异形柱是指截面几何形状为L形、T形及十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱[1],采用异形柱结构可以避免房间边角因采用矩形柱时所产生的棱角凸出,使房间平整、布置灵活,具有良好的发展前景,国内专家学者对其进行了大量试验及理论研究,取得了丰富的成果[2,3]。研究表明,框架底层异形柱由于自身刚度较小、柱肢腹板较薄等原因,致使在遭受地震作用时底层柱脚破坏严重,降低了异形柱结构的整体承载能力,不利于结构抗震。当异形柱各肢的肢高肢厚比大于4而小于5时则属于宽肢异形柱的范畴,宽肢异形柱由于提高了肢高的长度,即增大了柱的抗侧移刚度,从而可以增强异形柱框架的整体抗震能力,国内对宽肢异形柱的受力性能也进行了一定的试验研究。本文归纳总结了国内宽肢异形柱的研究成果,结合宽肢异形柱斜截面受剪承载力试验,分析了宽肢异形柱的受力特性,并将宽肢异形柱斜截面受剪承载力试验结果与现行异形柱规程提出的受剪承载力计算方法进行比较,以检验异形柱规程斜截面受剪承载力计算公式对宽肢异形柱的适用性。

1 宽肢异形柱受力性能

文献[4]通过4根钢筋混凝土宽肢T形柱的试验数据,分析了不同尺寸和轴压比的宽肢T形柱沿工程轴方向受力时的强度、刚度及延性等抗震性能指标。研究表明,在低周反复荷载作用下,宽肢T形柱的强度、刚度、滞回耗能特性在正反两方向水平受力下有较大差异,滞回曲线不对称;高轴压比下,试件的滞回曲线破坏后期失稳,相同截面的试件,轴压比对耗能的影响可以忽略。

文献[5]通过完成12根L形、Z形柱几何缩尺为 1∶2模型的低周反复试验,对试验现象和试验结果进行综合分析,并得到以下结论:宽肢Z形截面柱易发生腹板剪切破坏。增加箍筋配筋率,能够比较有效地增加异形柱的抗剪承载力和增加延性。宽肢L形截面柱,由于其截面的不对称性,翼缘只是在处于受压状态下才对构件的抗弯强度有提高作用;而实际翼缘部分处于反复拉压状态,因此翼缘对宽肢L形截面柱破坏形态的影响不如Z形截面柱显著;其极限破坏形态与配箍率、混凝土强度、纵筋配筋率以及轴压比等因素有较大关系;异形柱端部和转角处设置暗柱可以大大地改善试件的延性;试验中异形柱发生的扭转变形比较小。

文献[6]通过两种混凝土异形柱框架低周反复荷载试验,对比研究了两种异形柱框架结构的破坏特征、承载能力、延性、滞回特性、出铰顺序及刚度退化等抗震性能,分析结果表明,底层采用宽肢异形柱后可避免普通异形柱框架结构底层刚度薄弱的不利现象,并能不同程度地改善普通异形柱框架结构的多项抗震性能,提高了异形柱框架结构整体的抗震能力。图1为底层采用宽肢异形柱的框架与普通异形柱框架底层柱脚的破坏照片。由图1可见,底层采用宽肢异形柱以及显著改善底层柱脚的破坏特征。由文献[6]的试验结果还可以看出,当异形柱框架底层采用宽肢异形柱后,框架底层柱侧移刚度显著增强,在遭受地震作用时,由于一二层异形柱侧移刚度相差较大,异形柱框架的薄弱层有可能向第二层柱脚转移,即二层柱脚发生较严重的破坏,仍不利于结构抗震,因此当异形柱底层采用宽肢异形柱时,可通过在二层柱脚一定高度范围内采用暗柱等方式避免一二层异形柱刚度突变带来的不利因素。

2 异形柱规程斜截面受剪承载力公式

JGJ 149-2006混凝土异形柱结构技术规程规定,在有地震作用组合时,异形柱斜截面受剪截面应符合下式要求:

其中,Vc为斜截面组合的剪力设计值;γRE为受剪承载力抗震调整系数,取0.85;bc为验算方向的柱肢截面厚度;hc0为验算方向的柱肢截面有效高度。

异形柱的斜截面受剪承载力应符合下式要求:

其中,λ为剪跨比,当λ＜1.0时,取λ=1.0,当 λ＞3.0时,取λ=3.0;N为轴向压力设计值;s为沿柱高度方向的箍筋间距;Asv为验算方向的柱肢截面厚度bc范围内同一截面箍筋各肢总截面面积。

3 T形截面柱斜截面承载力试验

试验选择小高层住宅结构底层T形柱作为研究对象,如图2所示,采用低周往复加载方式,轴向压力加载至预定值后保持恒定,在柱顶采用双向油压千斤顶施加水平反复荷载。

试件为1∶2缩尺模型,柱净高 H0=1 400 mm,肢宽 b=100 mm;框架柱混凝土强度等级为 C20,混凝土保护层厚度为15 mm;主筋采用直径为16 mm的HRB335级钢筋,箍筋采用直径为4 mm的8号铁丝,间距为220 mm。T形柱截面尺寸及配筋情况如图3所示,由图3可知,该异形柱模型肢高肢厚比在4～5之间,属于宽肢异形柱的范畴。相关试验材料强度及构件截面面积如表1所示。

表1 材料强度及截面面积

各试件所施加的柱顶轴向力及受剪承载力试验值如表2所示,上述试验为低周往复加载试验,由于往复试验中混凝土累积损伤及钢筋滑移等原因,试验测得的T形截面柱受剪承载力要略低于单向承载力,研究表明,往复试验值比单向试验值下降约为7%,因此应将换算后的试验值与计算值比较。表2也列出了根据各试件实际截面尺寸及材料强度及《混凝土异形柱结构技术规程》提出的异形柱斜截面受剪承载力计算公式(3)计算得到各试件受剪承载力的计算值。

表2 T形截面宽肢异形柱受剪承载力试验值与计算值的比较

对比表2中各试件的受剪承载力试验换算值与规程计算值可知,规程计算值均小于试验换算值,当T形柱肢高肢厚比为4时,即属于普通异形柱,试验换算值为规程计算值的1.20倍;当T形截面柱肢高肢厚比为4.5时,试验换算值为规程计算值的1.39倍;当T形柱肢高肢厚比为5.0时,试验换算值为规程计算值的1.37倍。由此可见,应用规程提出的异形柱斜截面受剪承载力公式预估普通异形柱的受剪承载力是合理的,且有一定的保证率,但仍用该承载力公式计算宽肢异形柱的受剪承载力,其计算值与试验值相差35%以上。可见若宽肢异形柱仍采用规程提出的异形柱斜截面受剪承载力公式计算,其结果过于保守,与其实际情况相差较大,因此对于宽肢异形柱受剪承载力应做进一步研究,提出符合其自身受力特性的受剪承载力计算公式,而不能简单套用规程提出的受剪承载力公式。

4 结语

本文通过对宽肢异形柱受剪承载力的研究,得出以下主要结论:1)采用宽肢异形柱,可以避免普通异形柱框架底层抗震薄弱的不利现象,增加异形柱的轴压比限值及抗侧移刚度,从而可以增加异形柱框架的房屋高度,扩大异形柱框架的使用范围。2)当异形柱肢高厚比加大,即当异形柱属于宽肢范畴时,异形柱规程提出的受剪承载力计算公式计算结果偏保守,其计算值与试验值相差35%以上,不适应宽肢异形柱的受剪承载力计算分析。3)目前虽然对宽肢异形柱进行了一些研究,但对其斜截面受力性能仍不是很明确,对翼缘的抗剪作用估计不足,提出的异形柱斜截面受剪承载力公式不能满足研究的需要,因此对于宽肢异形柱的受力性能仍需做进一步的研究。

[1] JGJ 149-2006,混凝土异形柱结构技术规程[S].

[2] 黄 珏,肖建庄,葛亚杰,等.异形柱框架节点受力性能研究进展与评述[J].结构工程师,2002(1):52-57.

[3] 郑汉兵,曹万林,马景春,等.底部矩形柱上部异形柱边框架抗震研究[J].世界地震工程,2002,18(4):106-110.

[4] 郭 棣,吴敏哲,谢异同.宽肢T形柱的滞回特性及耗能分析[J].世界地震工程,2002,18(2):146-149.

[5] 李 杰,吴建营,周德源,等.L形和Z形宽肢异形柱低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报,2002,23(1):9-15.

[6] 王铁成,张学辉,康谷贻.两种混凝土异形柱框架抗震性能试验对比[J].天津大学学报,2007,40(7):791-798.