配栓釘?shù)匿摻罨炷岭p向板受力性能試驗研究

金玉，易偉建，胡嵐，馬克儉,3

(1.湖南大學 土木工程學院 長沙410082；2.嘉興學院 建筑工程學院，浙江 嘉興314001;3.貴州大學 空間結構研究中心，貴陽 550003)

鋼筋混凝土板柱結構在連接處往往因承受較大剪力和彎矩而發(fā)生脆性沖切破壞，已有研究表明，配置抗沖切鋼筋能顯著提高和改善板柱節(jié)點處的抗沖切承載能力和變形性能。板柱沖切問題一直是工程界較為關心的經(jīng)典問題之一，學者們對采用沖切鋼筋的板柱連接性能進行了大量研究[1-4]，也嘗試研究過不同形式的抗沖切鋼筋，包括箍筋、彎曲鋼筋、型鋼剪力架、抗剪格柵、U形箍筋、雙頭錨箍筋、鋼筋連成的栓釘?shù)?。盡管抗沖切鋼筋形式多樣，但各國規(guī)范采用的抗沖切鋼筋形式卻不多，也不統(tǒng)一，如美國規(guī)范[5]推薦采用封閉箍筋和型鋼剪力架，中國規(guī)范[6]則推薦使用封閉箍筋和彎起鋼筋。為了安裝方便和提升抗沖切效果，學者們?nèi)栽趯π滦涂箾_切鋼筋進行不斷嘗試和研究，如Yamada等[7]對帽式鋼筋和雙鉤鋼筋兩種新型抗沖切鋼筋進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)帽式鋼筋安裝方便，但錨固不足，后者抗沖切性能尚可，但施工比較麻煩。

Ghali[8]最早提出栓釘雛形，并對工字形型鋼的小切段作為抗沖切鋼筋進行了較深入的試驗研究[9]，結果表明，這種抗沖切鋼筋可有效防止沖切破壞。由于栓釘具有易于安裝、利于實現(xiàn)工廠標準化生產(chǎn)和良好的經(jīng)濟性，在歐美國家已得到廣泛應用。鑒于栓釘?shù)莫毺貎?yōu)勢，學者們[10-12]依據(jù)相關研究成果提出了設計建議。中國的研究相對較少，其中，舒兆發(fā)[13]、代偉明等[14]分別完成了配栓釘混凝土板的靜力和抗震試驗，結果表明，配置栓釘有利于改善試件的受力性能，但栓釘?shù)脑囼瀰?shù)相對有限，另外，中國規(guī)范對栓釘設計尚未給出具體針對性條文。按照設計規(guī)范的指導思想，當有可靠依據(jù)時，可采用栓釘作為抗沖切鋼筋。為了給抗沖切栓釘在實際工程中的應用提供依據(jù)，對7個配栓釘?shù)匿摻罨炷岭p向板柱節(jié)點進行多參數(shù)試驗研究，分析各參數(shù)對板柱節(jié)點的沖切性能的影響，進而結合有關規(guī)范對試驗結果進行評估，驗證試驗結果的可靠性。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件與加載柱尺寸分別為2 550 mm×2 550 mm×180 mm和250 mm×250 mm×300 mm，試件編號為SDB1～SDB7(即SDB系列)，栓釘由栓柱、栓帽和栓底板帶組成，栓柱按照設計間距焊接在底板帶上，對成組布置的栓柱起定位作用，試件配筋及栓釘構造見圖1(a)～(c)，栓釘布置形式為：正交布置1、正交布置2和放射布置，詳見圖1(d)～(f)。

圖1 試件構造Fig.1 Construction of specimen

表1給出了試件參數(shù)，板柱節(jié)點采用整體澆筑，栓釘預先埋置于混凝土中[15]，板下部縱向鋼筋采用HRB400級，fy=513 MPa，配筋率為1.28%。

1.2 加載方案

試驗在湖南大學結構工程實驗室完成，試驗裝置如圖2所示。試件放置于剛性反力鋼框架上，板體柱頭向上，通過試件上方反力橫梁將軸心荷載施加在柱頭上，試驗采用1 000 kN液壓千斤頂(KD4050-1000 kN荷載傳感器)加載。試驗過程分為3個階段：預加載、分級加載和破壞加載，分級加載過程中出現(xiàn)開裂之前每級荷載增量為25 kN，試件開裂后改為每級荷載增量為50 kN，在接近計算破壞荷載的80%時，每級荷載增量為10 kN，直至試件破壞。采集每級荷載加載完成后的數(shù)據(jù)，并觀察板底裂縫的開展。

表1 試件參數(shù)Table 1 parameters of Specimens

注：fcu為混凝土的抗壓強度；ft為混凝土的抗拉強度；fyv為箍筋的屈服強度。

圖2 試驗加載裝置

1.3 測試內(nèi)容與測點布置

采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的BX120-1AA、BX120-2AA和BX120-80AA型應變片測定鋼筋和混凝土以及栓釘處的應變，應變片布置見圖3，應變數(shù)據(jù)通過日本東京測器TDS-530靜態(tài)電阻應變儀采集。撓度采用LVDT位移傳感器測量。觀察裂縫并及時初步繪制和標記加載值，以便后期準確描繪裂縫發(fā)展趨勢[16]。

圖3 應變片布置Fig.3 Arrangement of strain

2 試驗現(xiàn)象

由于配置栓釘?shù)匿摻罨炷岭p向板在豎向荷載作用下裂縫開展過程基本一致，限于文章篇幅，不作逐一贅述。SDB系列試件在荷載約為150～200 kN(0.16Fu～0.24Fu)出現(xiàn)初始裂縫，且裂縫主要集中于柱頭附近徑向和環(huán)向，以徑向裂縫為主；增大荷載，試件徑向裂縫逐漸向板邊快速延伸，試件環(huán)向裂縫以柱頭為中心向板邊擴大，當荷載為450～550 kN(0.45Fu～0.65Fu)時，試件徑向裂縫基本延伸至板邊；隨著荷載的提高，主要以環(huán)向裂縫發(fā)展為主；當達到破壞荷載時，SDB系列試件均出現(xiàn)瞬間脆性斷裂聲，試件發(fā)生沖切破壞，但各試件延性表現(xiàn)差異較大。為了更好地研究試件失效模式，沿柱邊將鋼筋切斷，可以看到完整的失效剖切斷面，如圖4所示。依據(jù)剖切斷面測算沖切破壞錐體平均傾角，如表2所示。除試件SDB3平均傾角較大(33°)外，其他試件沖切錐體平均傾角在10°～19°之間，說明斜裂縫均不同程度地穿過栓釘，有利于改善試件的抗沖切性能；沖切錐體平均傾角較小的試件(如試件SDB1、試件SDB4和試件SDB5)，板邊均出現(xiàn)不同程度的鋼筋與混凝土的撕裂破壞，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生較大的滑移，從而使試件的破壞增加額外的延性，降低了破壞脆性程度；對于試件SDB3，由于增大栓釘間距，削弱了栓釘性能充分發(fā)揮，試件破壞嚴重，說明限制栓釘間距對于改善板柱節(jié)點破壞形態(tài)、提高承載能力很有必要。圖5給出了典型板平面裂縫圖，從圖5可清晰看出裂縫發(fā)展的全過程及沖切錐體外輪廓線。

圖4 SDB系列試件剖切圖Fig.4 Cuttings figure of SDB series specimens

試件編號f/mmFcr/kNFu/kN平均傾角α/(°)SDB132.0620089110SDB227.1915083918SDB323.120082033SDB432.1120090312SDB543.7517594611SDB632.1815090717SDB732.1215090519

注：f為極限荷載對應為的跨中撓度；Fcr為開裂荷載；Fu為極限荷載。

圖5 典型板(試件SDB6)平面裂縫圖Fig.5 Typical slab (specimen SDB6) plane fracture

3 試驗結果分析

3.1 承載力及變形性能分析

分析結果表明，栓釘參數(shù)的合理性選擇是影響試件抗沖切性能的重要因素。通過栓釘有效抑制板柱節(jié)點斜裂縫的形成和發(fā)展，使斜裂縫穿過栓釘，栓釘參與抵抗沖切荷載，能提高板柱結構的承載力和變形能力。

圖6 荷載撓度曲線

3.2 混凝土和縱筋應變

圖7 混凝土的應變荷載曲線Fig.7 Strain-Load curves of

表3 試件沖切破壞時典型測點應變值Table 3 Strain values of specimens’ typical measuring points when punching shear failure

圖8 鋼筋的應變荷載曲線Fig.8 Strain-Load curves of

3.3 栓釘應變

為了測出各試件栓釘?shù)氖芰π阅?，按距柱頭由近至遠布置了編號為1～5的應變測點，如圖3(c)所示，并同時布置相應的校核測點，以防部分測點結果失效，實際布置見圖9。

圖9 栓釘測點布置Fig.9 Measuring points of

圖10 測點應變荷載曲線Fig.10 Strain-Load curves of measuring

試件編號σmax/MPa距柱面距離/mmSDB1282.0125SDB2148.5350SDB3111.7050SDB4148.5050SDB5394.4200SDB6443.1050SDB7161.7350

4 規(guī)范驗證

表5給出了規(guī)范計算值與實測值的比較，從表中不難看出，各國規(guī)范計算具有一定的離散性，這與不同規(guī)范在制訂時考慮的因素差異有關。中國規(guī)范[6]及美國規(guī)范ACI[5]公式中未考慮配筋率ρ對抗沖切承載力影響，而歐洲規(guī)范MC2010[17]和英國BS8110[18]均予以考慮。為彌補考慮參數(shù)影響不充分，中國規(guī)范公式對這一問題的處理方法是，計算公式取試驗結果的偏下限，以得到在同樣荷載分項系數(shù)和材料強度分項系數(shù)條件下沖切破壞失效概率小于彎曲破壞失效概率的結果。美國規(guī)范的抗沖切計算公式過于保守，這已在很多文獻[19-23]中有過討論。分析美英及歐洲規(guī)范中抗沖切強度計算公式的可靠度可知，在這些規(guī)范中普遍采用較高的可靠指標。由表5可知，除試件SDB5外，試驗值均大于規(guī)范計算值，從均值上看，中國規(guī)范GB 50010—2010和歐洲規(guī)范EN 1992-1-1:2007更接近試驗值，分別為1.19和1.12，而美國規(guī)范ACI318-14相對偏于安全，從變異系數(shù)看，英國規(guī)范BS8110為0.06，說明該規(guī)范計算較為穩(wěn)定。總體來說，根據(jù)規(guī)范計算配栓釘?shù)匿摻罨炷涟蹇箾_切承載力，安全儲備足夠，但對于反映試驗結果的實質(zhì)不夠充分，特別是栓釘對板的抗沖切承載力的貢獻有所低估。

表5 計算值與實測值比較Tabl 5 Comparing calculated values and measured values

5 結論

通過在柱頭施加荷載來模擬配栓釘雙向板柱節(jié)點受力性能，對中柱節(jié)點進行沖切破壞試驗研究，并將其試驗結果與相關規(guī)范進行了對比，得到以下結論：

1)提高栓釘強度和增大栓釘直徑均有利于改善試件的抗沖切性能。在實際工程中，要滿足沖切破壞時栓釘達到屈服較為困難，因此，通過提高栓釘強度來增大試件承載力效果相對有限；對配置增大栓釘直徑的試件，其撓度提高幅度達36%，同時，抗沖切栓釘達到屈服，改善效果尤為明顯。

2)加大栓釘間距和減小栓釘高度均不利于試件的抗沖切性能，其栓釘峰值應變分別出現(xiàn)在距柱面第1排和第5排，其他排栓釘破壞過程中處于低應變水平，說明栓釘材料性能尚未充分發(fā)揮。

3)對比3種不同栓釘布置形式發(fā)現(xiàn)，采用相同數(shù)量栓釘放射布置和增加每圈栓釘數(shù)量的正交布置，均有利于提高試件抗沖切能力，但兩種布置方式對試件抗沖切性能改善有限。

4)采用規(guī)范計算配栓釘?shù)匿摻罨炷涟蹇箾_切承載力安全儲備足夠，但對于反映試驗結果的實質(zhì)不夠充分，特別是栓釘對板的抗沖切承載力的貢獻有所低估。