帶抗剪環(huán)的鋼管混凝土柱腳節(jié)點(diǎn)受力性能的試驗(yàn)研究

王毅紅，胡 靜，薛 源，卜永紅

(1.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710061;2.榆林市審計(jì)局，陜西榆林 719000)

鋼管混凝土工程應(yīng)用廣泛，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)性能是影響結(jié)構(gòu)總體性能的重要因素。近年來(lái)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究成果較多。但鋼管混凝土柱和鋼管混凝土基礎(chǔ)連接的柱腳節(jié)點(diǎn)方面的研究較少?，F(xiàn)行相關(guān)規(guī)程［1-3］關(guān)于柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造規(guī)定也較少。本文提出一種新型的柱腳節(jié)點(diǎn)，在鋼管混凝土柱外表面貼焊抗剪環(huán)。將貼焊抗剪環(huán)的鋼管柱腳直接固定在綁扎好鋼筋的基礎(chǔ)梁內(nèi)，鋼管柱腳管內(nèi)混凝土與基礎(chǔ)梁混凝土同時(shí)澆注，使柱腳和基礎(chǔ)形成一體。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)，研究鋼管混凝土柱埋入鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的柱腳節(jié)點(diǎn)受力性能。驗(yàn)證該柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性，研究設(shè)置抗剪環(huán)后，柱腳節(jié)點(diǎn)在豎向荷載作用下的破壞形態(tài)和極限承載力以及影響柱腳承載力的因素。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)［4］

共設(shè)計(jì)了2個(gè)相同的柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，試件編號(hào)分別為ZJ/J-5和ZJ/J-6，縮尺比例為1∶6，試件外觀見(jiàn)圖1。幾何尺寸和配筋見(jiàn)圖2，鋼管埋置深度為220 mm。試件ZJ/J-5和試件ZJ/J-6兩者不同之處在于試件ZJ/J-5在管壁上貼焊了3道φ8鋼筋抗剪環(huán)(圖3)，而試件ZJ/J-6貼焊了2道φ6鋼筋抗剪環(huán)(圖4)。

1.2 材料性能

試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其實(shí)測(cè)立方體強(qiáng)度f(wàn)cu，k=30.2 MPa，彈性模量 EC=3.0 ×104MPa;試件鋼材性能見(jiàn)表1。

圖1 試件外觀

圖2 試件幾何尺寸及配筋(單位:mm)

圖3 試件ZJ/J-5示意及柱腳構(gòu)造環(huán)板(單位:mm)

圖4 試件ZJ/J-6示意(單位:mm)

表1 鋼筋材料性能

1.3 試件測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)量?jī)?nèi)容

試件上布置了位移計(jì)、電阻應(yīng)變片等測(cè)點(diǎn)，試件應(yīng)變數(shù)據(jù)由DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。主要測(cè)量鋼管、縱筋、箍筋和混凝土的應(yīng)變，混凝土裂縫寬度，開(kāi)裂荷載和極限荷載，荷載—撓度曲線。試件應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖5～圖7所示。

圖5 鋼管應(yīng)變片的布置及編號(hào)示意(單位:mm)

圖6 基礎(chǔ)梁縱筋和箍筋應(yīng)變片位置及編號(hào)示意(單位:mm)

1.4 試件加載裝置及加載制度

采用反力架加載，在鋼管柱頭放置一臺(tái)200 t千斤頂。柱腳試件梁兩端簡(jiǎn)支。千斤頂對(duì)柱頭加集中荷載，加載裝置見(jiàn)圖8。加載采用分級(jí)加載，即以每級(jí)20 kN加載至試件開(kāi)裂，持荷2～5 min用以觀察、記錄及采集數(shù)據(jù);開(kāi)裂后每級(jí)50 kN，每級(jí)持荷2～5 min，直加至試件破壞。

圖7 基礎(chǔ)梁混凝土應(yīng)變片貼片位置及編號(hào)示意(單位:mm)

圖8 加載裝置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件ZJ/J-5:加載初期，試件梁處于彈性階段，跨中撓度較小。當(dāng)荷載加至開(kāi)裂荷載(150 kN)時(shí)，在兩支座附近首先出現(xiàn)與梁底約35°的斜向裂縫。隨著荷載的增加，斜裂縫逐漸沿45°方向向梁頂延伸，同時(shí)在梁底跨中和梁兩側(cè)中部出現(xiàn)多條垂直裂縫和斜裂縫。當(dāng)荷載加至極限荷載(590 kN)時(shí)，梁一端的一條斜裂縫貫穿整個(gè)梁高，且寬度急劇增大，達(dá)到1.0 mm，形成破壞主裂縫，試件破壞。梁中部其他相互連通形成類似錐形的細(xì)裂縫，跨中的垂直細(xì)裂縫也向上發(fā)展與類似錐形裂縫交在一起，這些裂縫的寬度都很小。試件的裂縫見(jiàn)圖9。

試件ZJ/J-6:加載初期，與ZJ/J-5表現(xiàn)基本相同。當(dāng)荷載加至開(kāi)裂荷載(120 kN)時(shí)，在梁兩側(cè)中部首先出現(xiàn)兩條呈“八”字形的對(duì)稱斜裂縫。隨著荷載的增加，在兩支座附近出現(xiàn)了與梁底約30°的斜向裂縫，在梁底跨中出現(xiàn)了幾條細(xì)微的垂直裂縫。隨著荷載進(jìn)一步增加，兩條八字形斜裂縫逐漸沿45°方向向梁中部和梁底延伸，支座附近的斜裂縫和跨中的垂直裂縫也緩慢地向梁中部延伸。當(dāng)荷載加至極限荷載(540 kN)時(shí)，最初出現(xiàn)的兩條八字形斜裂縫在梁下半部形成一條完整的錐形裂縫，寬度達(dá)到1.5 mm，形成破壞主裂縫，試件破壞。支座附近的兩條斜裂縫在梁中部相連形成了一條人字形裂縫，跨中垂直微裂縫也發(fā)展到了中和軸附近，但它們的寬度都很細(xì)小。試件ZJ/J-6的裂縫見(jiàn)圖10。

圖9 試件ZJ/J-5正反面裂縫

圖10 試件ZJ/J-6正反面裂縫圖

為了進(jìn)一步觀察柱腳試件的破壞形態(tài)，撤掉儀表，對(duì)試件ZJ/J-5繼續(xù)加載。在加載過(guò)程中，鋼管柱沒(méi)有明顯的下滑，梁內(nèi)發(fā)出了啪啪的響聲，梁沿破壞斜裂縫也發(fā)生了明顯的錯(cuò)動(dòng)，梁頂面和主裂縫周邊部分混凝土脫落，試件ZJ/J-5的破壞照片見(jiàn)圖11。

試件ZJ/J-6在加載過(guò)程中，鋼管柱明顯下滑，梁下半部被沖出一個(gè)錐形體，而且錐形體內(nèi)的部分混凝土已被壓出梁側(cè)面，其破壞照片如圖12所示。

待試驗(yàn)結(jié)束后，將殘件鑿開(kāi)發(fā)現(xiàn)，ZJ/J-5梁內(nèi)鋼管柱和抗剪環(huán)沒(méi)有發(fā)生任何變形，與破壞斜裂縫相交的部分箍筋已被拉斷。ZJ/J-6試件的沖切破壞面就是從柱端最上一道抗剪環(huán)附近開(kāi)始的，梁內(nèi)柱段和抗剪環(huán)沒(méi)有發(fā)生任何變形，試件鑿開(kāi)的實(shí)況見(jiàn)圖13。

圖11 試件ZJ/J-5破壞實(shí)況

圖12 試件ZJ/J-6破壞實(shí)況

圖13 試件ZJ/J-6被鑿開(kāi)實(shí)況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件破壞形態(tài)分析

由試件的試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出:ZJ/J-5的破壞具有明顯的剪切破壞特征，裂縫從梁底部開(kāi)始發(fā)展，最終剪壓區(qū)混凝土壓碎破壞;ZJ/J-6的破壞具有沖切破壞特征［5］，兩側(cè)斜裂縫從梁中部開(kāi)始向上下斜向延伸，最終破壞時(shí)鋼管下沉，梁下半部斜錐體形成并沖出，梁頂面區(qū)域未形成剪壓破壞區(qū)。

3.2 試件荷載—撓度關(guān)系曲線分析

試件的荷載—撓度曲線見(jiàn)圖14，曲線呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。試件ZJ/J-5的承載力和變形性能均比ZJ/J-6好，說(shuō)明沖切破壞比剪壓破壞有更大的脆性。

3.3 荷載應(yīng)變曲線分析

3.3.1 箍筋應(yīng)變

圖14 試件跨中荷載—撓度曲線

本次試驗(yàn)由于操作失誤，丟失了測(cè)驗(yàn)中ZJ/J-5的部分?jǐn)?shù)據(jù)，故只對(duì)ZJ/J-6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。遠(yuǎn)離沖切面的⑦和○14箍筋直到試件破壞，應(yīng)變值很小，約為150×10－6。其它箍筋的荷載—應(yīng)變曲線見(jiàn)圖15。圖中可以看出距集中荷載越近的箍筋應(yīng)變值越大。從數(shù)值上分析，除8點(diǎn)外，其他箍筋均達(dá)屈服強(qiáng)度。說(shuō)明配置的箍筋對(duì)柱腳抗沖切有很大貢獻(xiàn)。

3.3.2 試件梁混凝土應(yīng)變

觀察試件ZJ/J-6的破壞裂縫，可以看到當(dāng)應(yīng)變測(cè)試值出現(xiàn)突變時(shí)，該應(yīng)變片粘貼位置混凝土開(kāi)裂。如2號(hào)應(yīng)變花(圖16(b))，在開(kāi)裂前它的荷載—應(yīng)變曲線呈線性變化，當(dāng)荷載加至200 kN時(shí)，其應(yīng)變值發(fā)生了突變，說(shuō)明該區(qū)域出現(xiàn)了裂縫。1號(hào)(圖16(a))和5號(hào)(圖16(c))應(yīng)變花處的應(yīng)力狀態(tài)基本相同，其主拉應(yīng)力為1.86 MPa，主壓應(yīng)力為14.8 MPa，剪應(yīng)力為6.6 MPa，主應(yīng)力角為42.4°。6號(hào)應(yīng)變花(圖16(d))的主拉應(yīng)力為5.08 MPa，主壓應(yīng)力為31.1 MPa，剪應(yīng)力為18.1 MPa，主應(yīng)力角為38.5°。

圖15 8號(hào)～14號(hào)箍筋荷載—應(yīng)變曲線

3.3.3 梁底縱筋應(yīng)變和鋼管柱壁應(yīng)變

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試件的梁底縱筋和鋼管柱壁的實(shí)測(cè)應(yīng)變值都隨荷載呈線性增長(zhǎng)，均未達(dá)到材性試驗(yàn)時(shí)的屈服應(yīng)變值，表明試件的梁底縱筋和鋼管柱還處于彈性狀態(tài)。

圖16 試件ZJ/J-6基礎(chǔ)梁混凝土荷載—應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

1)帶抗剪環(huán)的鋼管混凝土柱腳與鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁共同工作性能良好，從試件的破壞殘?bào)w上可見(jiàn)，焊接的抗剪環(huán)與外圍混凝土結(jié)合狀態(tài)良好，發(fā)揮了抗剪環(huán)的抗剪作用。本文提出的新型鋼管混凝土柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理。

2)帶抗剪環(huán)的柱腳節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖切破壞的破壞面從最上排抗剪環(huán)處開(kāi)始與不加抗剪環(huán)的柱腳節(jié)點(diǎn)相比，沖切面積較大，有利于提高鋼管混凝土柱腳的抗沖切性能。

3)抗剪環(huán)的數(shù)量對(duì)柱腳極限承載力和破壞形式有重要影響，增加抗剪環(huán)的數(shù)量可增加柱腳的極限承載力，也可改變柱腳的破壞形態(tài)。由脆性明顯的沖切破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧魤浩茐男问健?/p>

4)除了與斜裂縫相交的箍筋數(shù)量和強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素之外，縱筋的銷栓作用對(duì)柱腳承載力有較大影響。本次試驗(yàn)未考慮抗剪環(huán)的直徑影響，此因素的影響有待研究。

5)本文所提出的柱腳節(jié)點(diǎn)施工方便，受力性能較明確，設(shè)置抗剪環(huán)是提高柱腳節(jié)點(diǎn)承載力和防止發(fā)生脆性沖切破壞的有效措施。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．JGJ138—2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．CECS28:90 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005．

［3］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．CEC8 188:2005 鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005．

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］蘇海元．鋼管混凝土柱腳節(jié)點(diǎn)抗沖切性能試驗(yàn)研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008．