梁柱配筋对混凝土局部受压承载力影响研究

王 英，郑文忠，李二航

（哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

梁柱配筋对混凝土局部受压承载力影响研究

王 英，郑文忠，李二航

（哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨，zhengwenzhong@hit.edu.cn）

针对现行规范计算混凝土局部受压承载力时，未考虑预应力框架节点处箍筋和梁柱纵筋影响的问题，本文在计算混凝土局部受压承载力时，引入了预应力框架节点处梁柱配筋的影响，提出了框架节点处与锚垫板相交的箍筋和梁柱纵筋作为等效垫板的思想.研究结果表明:柱纵筋、梁纵筋和节点箍筋的等效新增的局部受压面积可取为3倍钢筋直径长度在垂直于预应力筋方向的投影面积.基于分析结果，给出了考虑梁柱配筋影响的局部受压面积和底面积的计算公式，提出了考虑梁柱纵筋和箍筋影响的混凝土局部受压承载力计算方法.

梁柱配筋;局部受压承载力;等效垫板

针对预应力锚具下混凝土的局部受压问题，国内外学者进行了大量的理论分析和试验研究［1－6］，但是，近些年的科学研究及工程实践表明，《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)［7］(以下简称现行规范)中有关混凝土局部受压承载力的计算方法存在一些问题，例如预应力混凝土框架节点区域，为满足局压承载力的要求，设计时需要在锚固区域配置大量的间接钢筋，使得节点区域配筋过于密集，混凝土难以浇筑密实，影响施工效率和工程质量.预应力混凝土框架节点外侧，与预应力混凝土梁相交的柱和梁中的纵筋以及节点箍筋对混凝土局部受压承载力有一定的提高作用，而在现行规范中未考虑梁柱纵筋和节点箍筋的影响.

本文研究了预应力混凝土框架节点处梁柱纵筋和节点箍筋对混凝土局压承载力的影响，提出了将位于锚垫板内侧的梁柱纵筋和节点箍筋作为等效垫板的思想.通过对文献［8］用柱纵筋和箍筋代替局压影响区网片增强局部承压承载力的试验结果的分析，提出了考虑梁柱配筋影响的局压面积和计算底面积的计算公式，建立了考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的局部受压承载力计算方法.

1 考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的混凝土局压承载力计算方法

在预应力混凝土框架节点区域，与预应力梁相交的柱和梁中配置了大量的纵筋和箍筋.文献［2］试验研究表明，采用柱中纵筋和箍筋代替局部受压钢筋网片实现局部承压是可行的，柱纵筋和箍筋对局部受压影响区域内混凝土的约束在受力变形时形成多轴受力状态，可以利用三轴应力状态下混凝土强度提高来解决局部受压强度不足的问题.以此结论为基础进行推广，预应力混凝土框架节点外侧，与预应力混凝土梁相交的梁柱纵筋和节点箍筋能够提高混凝土局部受压承载力.

为考虑梁柱纵筋和节点箍筋对混凝土局部受压承载力的影响，可以把梁柱纵筋和节点箍筋作为等效垫板的.位于锚垫板内侧的梁柱纵筋和箍筋的作用等效为垫板，当局部受压荷载通过梁柱纵筋和箍筋向预应力梁内部传递时，在一定长度L范围内，如图1所示，荷载通过钢筋按刚性角向预应力梁内传递.基于此，考虑梁柱纵筋和节点箍筋的影响后，局压面积Al增大，计算底面积Ab亦相应变化，使得现行规范中有关局部受压承载力公式的计算参数发生变化，但计算公式的形式不变.故依据下述确定局压面积Al和计算底面积Ab的计算方法，即可开展考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的混凝土局部受压承载力计算.

图1 考虑梁柱纵筋和箍筋影响的局部受压面积

2 Al和Ab的计算方法

依据文献［8］的试验数据，研究可视为等效垫板的纵筋和箍筋的长度L.文献［8］开展了12个柱节点锚固区的局部受压试验，其中5个试件为单向孔道，用来模拟单向预应力混凝土框架的边柱;7个试件为双向孔道.试件尺寸均为320 mm×320 mm×900 mm，试件概况见图2.

图2 局部受压试件(mm)

试件的混凝土立方体抗压强度实测值fcu=32.1 N/mm2，fc=0.76fcu=24.4 N/mm2，ft=2.20 N/mm2，Ec=3.064 ×104N/mm2.

试验采用2种加载方式:不加轴向压力，按等级施加局部受压荷载(每级施加荷载为0.2 t)至试件破坏;先施加轴向压力到设计值，维持轴向压力不变，按等级施加局部受压荷载(每级施加荷载为0.2 t)至试件破坏.试件的加载见图3.

图3 试件的加载

局压试件配筋与破坏荷载如表1所示.

表1 试件配筋与破坏荷载

试件中未设置钢筋网片，采用尺寸为140 mm×140 mm和120 mm×120 mm的垫板.以ZKD1为例，来确定可作为等效垫板的钢筋长度.

ZKD1设置尺寸为140 mm×140 mm的垫板，垫板在ZKD1中的位置见图4.2根纵筋和2根箍筋与垫板相交，直径分别为10 mm和6.5 mm.

图4 ZKD1中局部受压垫板

按现行规范计算，Al=140×140=19 600 mm2.考虑箍筋和纵筋的影响，与垫板相交的一定长度内的箍筋和纵筋作为等效钢板，增加了局部受压面积.新增面积为4根钢筋中可作为刚性传递局部受压荷载的4段钢筋的纵向截面面积.假设作为刚性传递局部受压荷载的钢筋长度L是钢筋直径的n倍，增加后的局部受压总面积A'l的取值见图5.

图5 局部受压面积A'l的取值

考虑箍筋和纵筋影响的局部受压面积A'l=140×140+4×6.5×6.5n+4×10×10n.考虑箍筋和纵筋影响的计算底面积A'b可按照与局部受压面积同心和对称的原则确定.新增局压面积ΔAl=d×nd，d为钢筋直径，计算底面积的增量ΔAb=3d × nd.对应于上述的 A'l，A'b=320 ×420+4×3×6.5×6.5n+4×3×10×10n，A'b的取值方法见图6.

图6 计算底面积A'b的取值

计算考虑箍筋和纵筋影响的混凝土局压承载力时，首先要确定n的取值.经试算，当n=3时，计算得到混凝土局压承载力与实验值的吻合较好，见表2.

表2 试件局部受压承载力计算值与实测值

将此思想进一步推广，得出考虑预应力混凝土框架节点外侧的梁柱纵筋和节点箍筋影响的局部受压面积A'l和计算底面积A'b的计算方法.

1)理清预应力混凝土框架梁柱节点处的梁柱纵筋和节点箍筋的配置情况，确定与锚垫板相交的梁柱纵筋和节点箍筋的直径以及数量.

图7 试验点、下包曲线

3 局部受压承载力的计算

综上所述，考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的局部受压承载力计算公式为

若锚固区域内配置对提高局部受压承载力有利的间接钢筋，则局部受压承载力计算公式中应引入间接钢筋的贡献量，即

φ为轴向压力对混凝土局部受压破坏荷载的提高系数，φ为开双向孔洞时，另一方向孔洞对所计算方向局部受压破坏荷载的降低系数.轴向压力对局部受压承载力有一定的提高作用，而开双向空洞对局部受压承载力有一定的削弱作用，但轴向压力对局部受压承载力的提高作用大于开双向孔道的削弱作用［8］.故实际工程设计时可暂不考虑φ和φ对局部受压承载力的影响，作为预应力混凝土局部受压承载力的安全储备.

考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的混凝土局部受压承载力计算公式为

近年来，哈尔滨工业大学预应力与防护结构研究中心在许多预应力混凝土框架的工程实践中，包括绥芬河青云市场套(扩)建工程、哈医大第一临床医院实验楼套建增层改造工程、哈工大动力楼增层套建工程、设叠层游泳池的哈工大游泳馆、长春解放大路体育馆预应力混凝土框架以及七台河体育馆等，均应用了梁柱纵筋和节点箍筋作为等效垫板的思想，以考虑梁柱纵筋和节点箍筋对混凝土局压承载力的影响.工程实践证明，考虑梁柱纵筋和节点箍筋对混凝土局部受压承载力的影响，可减少间接钢筋的配置和工程造价，有利于节点处混凝土浇筑密实，提高了施工效率，保证了施工质量.

4 结论

1)为考虑预应力框架节点处梁柱纵筋和节点箍筋对混凝土局部受压承载力的影响，提出了将与锚垫板相交的梁柱纵筋和节点箍筋视为等效垫板的思想.通过对相关试验数据分析得出:视为等效垫板的梁柱纵筋和节点箍筋的长度可取为3倍其钢筋直径，新增局部受压面积取为3倍钢筋直径长度范围内的纵向钢筋截面面积.

2)提出了考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的局部受压面积和计算底面积的计算方法，给出了考虑梁柱纵筋和节点箍筋影响的局部受压承载力计算公式.

3)本文研究成果暂限用于非抗震设防区工程预应力锚下局压承载力计算.

［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］郑文忠，张吉柱.密布预应力束锚具下混凝土局部受压承载力计算方法［J］.建筑结构学报，2004，25(4):60－65.

［5］赵军卫，郑文忠.预应力混凝土局压承载力计算及端部间接钢筋的配置问题［J］.工业建筑，2007，37(11):47－52.

［6］郑文忠，赵军卫.考虑孔道及核心面积影响的混凝土局压承载力试验研究［J］.建筑结构学报，2008，29(5):85－93.

［7］GB 50010-2002混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［8］张大长，吕志涛.用柱中纵筋和箍筋代替锚固区网片局部承压的研究［J］.建筑结构，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.

国家教育部长江学者奖励计划资助项目(2009-37);教育部博士点基金资助项目(20092302110046);哈尔滨工业大学“985工程”优秀科技创新团队建设项目(2011).

王 英(1968—)，女，博士，副教授;

郑文忠(1965—)，男，博士生导师，长江学者特聘教授.

(编辑 赵丽莹)