钢筋混凝土箱型截面压弯构件破坏形态试验研究

丁红艳，刘　凡，梁巧真

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）



钢筋混凝土箱型截面压弯构件破坏形态试验研究

丁红艳，刘凡，梁巧真

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）

摘要：通过对3个钢筋混凝土箱型截面试件进行水平单调加载试验，得到其破坏过程和裂缝发展规律，进而分析了其破坏形态和受力机理，以及轴压比对钢筋混凝土箱型截面构件压弯破坏性能的影响。通过分析固端约束作用、剪力滞效应和轴压比的影响解释了试验现象发生的原因。

关键词：钢筋混凝土箱型截面；压弯破坏；轴压比

钢筋混凝土箱型截面构件因具有良好的空间受力性能而被广泛应用于工程建设中[1]。箱型高墩与基础或桥梁的连接节点处相当于固结，在梁上荷载和其他活荷载的共同作用下类似于压弯状态下的箱型截面构件；框筒结构可以看成是由腹板承担水平剪力，翼板、腹板共同承担截面弯矩的悬臂箱型截面构件[2]。

但是，箱型截面构件的受力分析比较复杂，而目前的相关研究工作还比较落后。试验研究和分析大多是集中在箱梁方面，在大跨度桥梁结构广泛采用空心截面桥墩和桥塔时，对箱型混凝土受压构件的研究却是很少的[1]。设计时大都参考实心柱的研究成果，具有一定的局限性，世界各国的规范关于箱型截面构件也没有明确的规定，设计师们面临着许多问题，例如怎样控制构件的长细比，最小容许宽厚比是多少，以及如何配筋最为合适等。为了解决这些问题，得到箱型截面构件在复杂受力状态下的破坏形态和理论分析，对其进行试验研究并分析其破坏过程和受力机理是很有必要的，文中主要对其进行压弯状态下的础性能进行试验研究，这对充实相关理论和完善规范是有一定价值的。

1　试验概况

1.1试件设计

试验考虑了工程中此类构件的实际尺寸，结合实验目的、场地和加载装置的条件限制，设计了3个截面尺寸及配筋均相同的试件，具体参数如表1所示。悬臂长1 400 mm，横截面尺寸600 mm×300 mm×70 mm，混凝土强度等级C20，钢筋全部采用HPB300。试件尺寸及主要配筋图如图1所示。

表1　试件尺寸和配筋参数表

1.2测点布置

在试件的固端和距固端垂直距离600 mm截面（以下称中间截面）位置处的钢筋表面粘贴应变片以得到钢筋应力变化情况，另外在相应部位的肋板侧布置4个位移计，将位移计固定在基座上以使测得的数据为试验所需的净位移，从而得到试件在压弯状态下的荷载-位移曲线。位移计、钢筋应变片布置如图2所示。

1.3加载制度

首先按轴压比标准值施加恒定轴向荷载，然后在距离固端1 200 mm处施加单调水平线荷载。水平荷载的加载采用荷载-位移双控制的方法：试件屈服前按力分级（2 kN）加载，屈服后按位移加载，直至水平荷载下降到最大水平荷载的85%时终止加载。加载装置如图2所示。

图1　试件尺寸及主要配筋图

图2　加载装置和位移计、应变片布置图

2　试验结果

2.1试验现象描述

3个试件有着相似的破坏过程。首先出现的是中间截面附近的肋板上的斜裂缝；随着荷载的增大，斜裂缝持续扩散，数量增多，宽度增大，长度延伸；直到荷载达到一定等级，在受拉翼缘中间截面附近靠近肋板的位置出现了对称的弯曲水平微裂缝，并逐渐发展到类似通缝；继续加载，水平裂缝的数量和长度都在不断增加，其中自中间截面向固端扩散的数量较多；观察受压翼缘的破坏情况，只在试验即将结束时，在距离固端10～30 mm之间出现了混凝土翘皮的现象；伴随着试验的进行，在试件角部有钢筋的位置出现了纵向裂缝；最终破坏形态都是受拉面和肋板分布纵筋屈服，肋板混凝土被压溃。裂缝分布如图3所示。但是由于轴压比的不同，每个试件破坏过程中的特征荷载又有所不同，如表2所示。

图3　裂缝分布图

表2　试件破坏特征荷载一览表

2.2荷载-位移关系分析

与普通钢筋混凝土压弯构件的荷载-位移曲线[3]进行对比（见图4），箱型截面压弯构件的荷载-位移曲线没有波动即受拉钢筋屈服的影响不大；相同的是在弹性阶段变形均较小，当截面出现塑性铰后，构件的承载力还有30%左右的增长，再达到峰值，之后构件的位移迅速增长，而承载力不再增加，最后由受压混凝土压碎破坏，承载力下降导致试件破坏。

图4　荷载-位移关系曲线

3　破坏形态分析

3.1固端约束

如图5所示，试件与基座的连接相当于固端的边界条件，对试件壁的变形有约束作用。在试验荷载作用下，要阻止试件壁向外扩张变形，同时还要保持转角为零，这相当于在自由扩张变形的箱型截面构件的端部作用着水平附加剪力H和弯矩M，从而使横向变位ω和角变位θ都为零。

图5　试件与基座的连接

在中心受压和横向荷载作用下，固端在箱型截面构件中会产生纵向局部弯矩和环向局部应力（微小，可忽略），使得外壁压应力增大，内壁压应力减小。已得到理论和试验验证[4]。根据弹性力学圣维南原理，不难得出固端所产生的干扰力只在构件的一定高度范围内起作用。

对于空心高墩，固端区域干扰高度在中心受压、横力弯曲和纯弯曲状态下相差不大，一般按下式确定，即Si=。式中，t为墩壁厚度，mm；R为墩壁轴线半径活验算方向墩壁轴距之半，mm。

验算试件弱轴方向（见图5），t=70 mm，R=150 mm，得出Si=358 mm。

试件在轴力和水平荷载作用下，固端弯矩最大，考虑了固端干扰力在外壁产生的纵向局部应力后，最大拉应力应该在中间某个截面，试验时第一批水平裂缝出现在距离固端500 mm左右的截面，最终破坏是该处的钢筋弯曲，中截面到固端之间均匀分布着水平裂缝，基本符合以上论述。

3.2剪力滞效应

试验过程中受拉侧翼板同一截面靠近肋板的位置出现弯曲水平裂缝的时间较远离肋板的要早，这一现象可以用薄壁箱型截面构件的剪力滞效应来解释，在侧向水平荷载的作用下，构件的腹板承受了大部分的剪力，翼板则主要承受弯矩，由于剪切变形在翼板中分布不均匀导致翼板中靠近腹板位置的纵向拉应力大于远离腹板的，这是正剪力滞的现象[5]。图5是试验测得的三个试件的中间截面受拉和受压翼板的纵向受力钢筋在混凝土开裂前的应变分布情况。

另外，试验过程中第一批裂缝出现在肋板上，且最终破坏肋板已经出现大面积斜拉裂缝和爆皮现象而翼板的破坏却不明显，只是在固端和中截面之间分布着一些水平微裂缝，图6是考虑剪力滞后效应的箱型构件的横截面纵向拉应力和剪应力，从图6可以看出，腹板的拉应力水平是远远低于翼板的，所以仅仅考虑拉应力腹板的破坏不应比翼板快和明显，只能是腹板承受的剪力比翼板大得多，导致在同一时刻腹板的主拉应力大于翼板，这正是剪力滞效应产生的原因。

图5　试件开裂前中间截面钢筋应变

图6　横截面纵向拉应力和剪应力

3.3轴压比

3.3.1轴压比对承载力的影响

得到轴压比分别为0.2、0.3、0.4的试件的破坏形态，由荷载-位移曲线不难看出，提高轴压比对箱型截面压弯构件的水平极限承载力影响不大，这可能是和受拉筋与受压筋面积的比值有关，由于拉压配筋比大，导致箱型截面受压区混凝土作用不明显，破坏主要受受拉区钢筋的影响，在同一水平荷载等级下，一旦受拉区纵向钢筋屈服，试件即破坏，从而影响了其极限承载力。

3.3.2轴压比对变形性能的影响

规范通过限制轴压比，主要是为了保证其延性，从而保证框架柱有足够的变形能力，因此本文主要通过试件的位移延性比μδ（又称位移延性系数）[6]来反映轴压比对箱型截面压弯构件变形性能的影响。其中μδ=δu/δy。式中，δy是构件的屈服位移，取构件控制截面在受拉钢筋屈服时对应的位移；δu是构件的极限位移，取构件控制截面在最大荷载下降15%时对应的位移。

从表3和荷载-位移曲线可以看出轴压比对箱型截面压弯构件的变形性能影响是很明显的。当轴压比较小时，荷载-位移曲线的下降段较平缓，位移延性比大，承载力下降的速度较慢，构件承受变形的能力较大；当轴压比较大时，荷载位移曲线的下降段较陡，位移延性比小，承载力下降的速度较快，构件抵抗变形的能力较小。这可能由于轴压比增大使构件的刚度也变大，导致其极限位移变小所致。

表3　试件位移延性比

4　结语

（1）试件破坏主要裂缝是分布在受拉翼板中截面和固端之间的弯曲水平裂缝和两侧肋板上的剪切斜裂缝，最终破坏时受拉面钢筋屈服和肋板混凝土压碎。

（2）根据肋板裂缝的分布情况得出肋板发生的是剪切斜拉破坏，属于脆性破坏，原因可能是腹板宽厚比较大、配箍率较少以及剪力滞效应等。

（3）最终破坏时受拉钢筋断裂处在试件中截面附近而不是弯矩最大的固端，是因为箱型截面压弯构件在固端刚接的情况下存在固端干扰力，而固端干扰的影响是有范围的。

（4）剪力滞效应较明显，肋板承受较大剪力，翼板两侧位置的钢筋纵向拉应力大于中间处，导致肋板剪切破坏严重且翼板靠近肋板的位置较早出现水平裂缝。

（5）轴压比对箱型截面压弯构件的承载力无明显影响，但是对构件的塑性变形阶段影响较大，轴压比越大，延性越小，这是因为轴压比变大，截面相对受压区高度变大，受拉钢筋屈服的可能性变小。

截面尺寸、配筋、混凝土等级等也可能对箱型截面压弯构件破坏形态产生影响。

参考文献：

[1]赵牡珍.薄壁箱型桥墩与桥塔设计的建议[J].国外桥梁，1996（2）：26-29.

[2]高雁.筒体结构剪力滞后效应研究及其简化分析[D].重庆：重庆大学，2006.

[3]李荣年.钢筋混凝土压弯构件变形性能分析[J].辽宁学院学报，2009，16（2）：158-161.

[4]王慧东.桥梁墩台与基础工程[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]张永健.考虑剪力滞效应的薄壁结构特性分析[D].西安：长安大学，2007.

[6]王庆华，张敏，王晓东.钢筋混凝土压弯构件荷载-挠度全过程分析[J].华东交通大学学报，2007，24（5）：17-20.

（责任编辑：秦中悦）

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

中图分类号：TU317+.2

文献标识码：A

文章编号：1672-0679（2016）01-0038-04

[收稿日期]2015－07－10

[作者简介]丁红艳（1989-），女，安徽合肥人，硕士研究生。