空心板柱结构中柱节点受冲切承载力试验研究

龚启宏 朱 强,2 梁书亭 徐 澄 汪 杰

(1东南大学土木工程学院,南京210096)

(2江苏省建筑设计研究院有限公司,南京210019)

(3南京长江都市建筑设计股份有限公司,南京210002)

现浇空心板柱结构是在现浇实心板柱结构的基础上,通过埋芯成孔工艺制备而成的一种新型结构,施工中使用该结构可降低楼板自重[1-2].与实心板柱结构相比,空心板柱结构具有重量轻、刚度大、整体性能好[3]、施工方便、经济效益高等优点[4].目前,关于板柱结构的研究多集中于实心板柱节点抗冲切性能的研究[5-11],而对空心板柱节点的冲切性能涉及较少,其受力性能和设计理论还不明确.在空心板柱节点区域,空心部分与实心部分的连接处应力集中,发生局部冲切破坏的可能性较大.某一节点的冲切破坏可能会导致相邻节点因超载而发生连锁脆性冲切破坏,最终带来毁灭性的后果.

本文通过对空心板柱节点进行抗冲切试验,获得其冲切破坏形态,并研究了板厚、孔径、肋宽和配筋率对冲切性能的影响,进一步丰富了空心板柱结构节点冲切承载力的试验数据,为发展和完善空心板柱结构体系的设计理论、制定相关的规程提供比较可靠的数据支持.

1 试验

1.1 试件设计与材料力学性能

图1 试件的制作

表1 空心板柱节点试件参数

1.2 试验装置

试验中,通过在节点柱上施加竖向轴心荷载,模拟板所承受的竖向冲切荷载,约束条件为四边简支,固定装置采用钢板和钢管.液压千斤顶放置在加载柱头中心,为了防止加载柱局部受压破坏,在柱顶垫上钢板.利用反力架提供的反作用力施加竖向荷载于柱端,试验装置如图2所示.

图2 试验装置

1.3 试验方案

试验加载程序分为预加载和正式加载2个阶段.预加载分3级进行,每级取10 kN,然后分级卸载.正式加载时每级取10 kN,加载完后停歇10 min,一直加载直至试件破坏.停歇过程中,观测试件的裂缝开裂发展过程,并在板上相应位置进行标记.

在板底面4个角上各布置1个位移计,测量空心板4个角的翘曲变化.在板底面中心处布置1个位移计,测量板底中心位移的变化情况.板顶和板底受力钢筋应变采用应变片测量.在空心板顶面.柱周边布置混凝土应变片,应变片至柱边间距为板厚的1倍.

2 试验结果

2.1 破坏形态

所有试件均发生冲切破坏.在破坏之前,没有发生明显的竖向位移.临近破坏荷载时,突然发出一声脆响,承载力迅速降低,同时,板底面挠度迅速增大,由此判断板发生破坏.表2列出了各试件破坏时的荷载.

表2 试件的破坏荷载

2.2 裂缝发展

裂缝首先出现在板底.当荷载达到开裂荷载时,板底出现第一批裂缝,裂缝顺着管向从柱边延伸至板边(见图3(a)).随着竖向荷载的增加,板底开始出现斜裂缝,且裂缝与管向的夹角不断变大,最早出现的裂缝开始贯通(见图3(b)).达到破坏时,板底裂缝呈以柱为中心、向板四边发散的状况,且最初平行于管向的细裂缝演变为宽裂缝(见图3(c)).

图3 裂缝的发展过程

2.3 荷载-位移曲线

荷载的施加方式为逐级加载,每级荷载为10 kN.当荷载较小时,随着荷载的增加,位移呈近似线性增长,板基本处于弹性工作阶段;荷载较大时,位移增长开始呈现非线性变化,大部分试件的荷载-位移曲线明显向位移轴弯曲(见图4);施加到破坏荷载时,柱头突然下沉,并伴随着混凝土开裂声;此后,继续加载,位移明显增大,荷载则反而减小,至此,判断试件已经破坏.在破坏之前,竖向位移很小,而破坏时柱头突然冲下,属于脆性破坏.破坏形态与实心板的冲切破坏相似.

图4 荷载-位移曲线

2.4 冲切角

根据实测破坏后冲切锥、加载柱头的尺寸和板厚,可以计算出冲切角的大小,结果见表3.由表可知,绝大部分顺管向的冲切角度为50°～60°,而垂直管向的冲切角度大多为30°～45°,即顺管向的冲切范围大于垂直管向的冲切范围.

表3 试件的冲切范围

3 结果分析

3.1 板厚的影响

试件AX1,AX2,AX3的板厚分别为100,125,160 mm,上下层实心区域厚度、肋宽均为25 mm,空心率分别为26.2%,35.3%,44.0%.试验结果显示,AX1,AX2,AX3的承载能力分别为180,190,200 kN.按实心板冲切理论,增加板厚能够增大抗冲切承载力;但对于空心板而言,当厚度不变时,空心率的增大会减少冲切面内包含的实心混凝土面积,继而降低抗冲切承载力.为此,选取单位长度的空心板,冲切角取45°,计算有效冲切面面积,结果见表4.由表可知,冲切面面积呈近似线性增长,与之对应的承载力也呈线性增长,符合冲切公式规律.在肋宽、上下壁厚固定的情况下,增加板厚可提高冲切面内混凝土的有效受力面积,从而提高冲切承载力.

表4 板厚与冲切承载力的关系

3.2 孔径的影响

试件AX3,AX8,AX9均为厚160 mm的空心板,其布管直径分别为100,75,50 mm,孔径与板厚之比(管厚比)分别为5/8,15/32,5/16.从图5中可以看出,当管厚比小于0.5时,随着孔径的不断增大,承载力明显降低;当管厚比为0.5～0.6时,随着孔径的不断增大,承载力缓慢下降.在不大幅度削弱冲切承载力的前提下,为了降低造价,可将孔径设计得大一些,以节约混凝土用量.

图5 冲切承载力-管厚比曲线

3.3 肋宽的影响

试件AX2,AX4,AX5均为厚125 mm的空心板,其肋宽分别为25,50,75 mm,承载力分别为190,200,220 kN.抗冲切承载力随着肋宽的增加而增加,且呈非线性增长的特点.试件AX2,AX4以及试件AX4,AX5的肋宽差均为25 mm,但其承载力之差分别为10和20 kN.由此可知,当肋宽较大时,增加肋宽能够有效地提高抗冲切承载力.因此,在实际设计中,建议采用大尺寸肋宽.

3.4 板配筋率的影响

试件AX2,AX6,AX7的板厚、肋宽、上下壁厚均相同,仅配筋率不同.试件AX6与试件AX2相比,板面钢筋增加了1倍;而试件AX7相比试件AX6,板底钢筋增加了1倍.从表5可以看出,增加板顶钢筋后,试件的承载力提升了10.5%;而增加板底钢筋后,试件承载能力提高了36.8%.因此,在板底加密钢筋比在板顶加密钢筋效果好,承载力提高更明显.

表5 配筋率与冲切承载力的关系

造成此现象的原因主要有:① 配筋率变化时,板顶和板底冲切范围内增加的有效受力钢筋数量不同.以板顶和板底配筋率同时增加1倍为例,当钢筋未加密时,在板顶和板底冲切线范围内存在2根有效受力钢筋(见图6(a)).当钢筋加密后,板顶冲切线范围内依然只有2根受力钢筋,增加的有效钢筋数量为0,对承载力变化影响较小,而板底冲切线范围内受力钢筋数量增长为6根,图6(b)中虚线1,2,3,4分别表示增加的4根有效受力钢筋,故而承载力得到明显提高.② 类似于简支梁理论,板上层受力形态主要为混凝土受压,以混凝土受压破坏为临界点,增加钢筋用量对上层混凝土受压作用不明显.而板下层受力形态为钢筋承受拉力,增加钢筋用量能够有效提升下部受拉承载力,继而充分发挥上部混凝土受压性能,提高冲切承载力.

图6 钢筋加密对冲切承载力的影响

3.5 抗冲切承载力的计算公式

综合上述影响空心板柱节点抗冲切承载力的因素和相关规范规程,假定半经验空心板柱节点的抗冲切承载力公式为

(1)

式中,d为空心管直径;ρ为板抗拉钢筋的配筋率;η为空心板柱抗冲切承载力的修正系数;l为空心部分长度;h为板厚;um为冲切临界净截面周长,且um=2(c1+h0)+2(c2+h0),其中c1,c2分别为柱子截面的高度和厚度,h0为板的有效高度.

根据试验数据,利用最小二乘法可得η=1.9.则式(1)可变为

(2)

将式(2)的计算结果Fl与冲切承载力试验结果Fl1进行对比,结果见表6.

表6 冲切承载力计算值与试验值的对比

由表6可知,大部分计算值与试验值相近.考虑到试验的离散型以及局限性,还需获取更多的试验数据来验证公式的准确性.

4 结论

1) 空心板柱结构节点的冲切破坏形式为脆性破坏.破坏之前,柱子竖向位移较小;破坏时,柱子突然下坠而丧失承载力.其破坏形态和实心板柱结构的破坏形态相似.

2) 板底柱边缘首先产生裂缝,沿着顺管向延伸至板边.破坏前,板底密布顺管向裂缝和垂直管向裂缝;板底冲切破坏时呈现矩形冲切环.顺管向的冲切角度为50°～60°,而垂直管向的冲切角度为30°～45°.

3) 增加肋宽和板厚,可以提高空心板的极限冲切承载力.相对于增加板面钢筋而言,增加板底钢筋对冲切承载力的提高更明显.

4) 以实心板柱的抗冲切承载力计算公式为基础,分析了空心板柱抗冲切影响因子,提出了空心板柱节点的抗冲切承载力计算公式,且计算结果与试验数据相近.

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