板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能研究綜述

張凱

華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，中國·河北 唐山 063000

1 引言

板柱結(jié)構(gòu)也稱為無梁樓蓋，由水平構(gòu)件樓板和豎向構(gòu)件柱子組成。板柱結(jié)構(gòu)的外觀形式比較簡單，其平面布置靈活，使用空間較大，可以有效地降低建筑物層高，且具有施工簡捷、管線布置方便、綜合效益良好等優(yōu)點(diǎn)，可較好地滿足建筑空間和使用功能方面的要求，適用于多層廠房、倉庫、地下車庫、公共建筑等，也可用于辦公樓和住宅等，是一種常見的建筑結(jié)構(gòu)形式。但板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處受力狀態(tài)復(fù)雜，側(cè)向剛度較弱，在豎向荷載和水平荷載作用下，除承受較大的沖切力外，還承擔(dān)較大的不平衡彎矩，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力比較集中，非常容易發(fā)生節(jié)點(diǎn)的脆性沖切破壞，在整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力作用下，進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的連續(xù)性倒塌。因此，中國及其他國家學(xué)者對板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能進(jìn)行了大量的研究，分析了其破壞機(jī)理及力作用機(jī)制。本文對板柱結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，梳理了規(guī)范對板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力的計(jì)算方法，分析了影響板柱結(jié)構(gòu)沖切性能的因素，為板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供了參考。

2 板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能研究現(xiàn)狀

Raffaele等[1]通過對配有剪力銷釘?shù)陌逯?jié)點(diǎn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種新型板柱結(jié)構(gòu)抗沖切加固的有效性。結(jié)果表明，帶有剪力銷釘?shù)陌逯?jié)點(diǎn)即提高了抗沖切承載力，又提高了節(jié)點(diǎn)的變形能力。同時(shí)，將試驗(yàn)結(jié)果與臨界剪切裂縫理論模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，表明理論模型計(jì)算具有良好的預(yù)測性。

Navarro等[2]利用ABAQUS有限元分析軟件建立了配有抗剪螺栓的四分之一板柱結(jié)構(gòu)模型，分析了抗剪螺栓在三種不同布置形式（雙線、放射狀、菱形）的板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切效應(yīng)，結(jié)果表明，抗剪螺栓的放射狀布置是最適合的板柱結(jié)構(gòu)加固方式，抗剪螺栓的布置間距與抗剪螺栓直徑成正比，并建議第一組抗剪螺栓到柱端面之間的距離約為抗剪螺栓直徑的5倍。

Bu等[3]通過對5個(gè)帶有剪切螺栓加固的板柱節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了水平往復(fù)地震荷載和重力荷載試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，配有剪切螺栓的板柱節(jié)點(diǎn)在側(cè)向承載力、極限破壞荷載以及失效破壞時(shí)延性均有明顯提高，使板柱節(jié)點(diǎn)由脆性破壞轉(zhuǎn)為了延性，提高了板柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

3 板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力規(guī)范計(jì)算公式

3.1 中國規(guī)范GB50010—2010

中國規(guī)范[4]基于偏心剪應(yīng)力模型，其無抗剪鋼筋的板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力的計(jì)算公式為：

3.2 歐洲規(guī)范EC2—2004

對于無抗剪鋼筋的板柱結(jié)構(gòu)，其抗沖切承載力按下式計(jì)算[5]：

3.3 美國規(guī)范ACI318—19

美國規(guī)范[6]中板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力Vc為下列計(jì)算式中最小值：

3.4 英國規(guī)范BS8110—97

規(guī)范[7]規(guī)定板柱結(jié)構(gòu)的沖切控制截面為距柱邊1.5倍板有效高度，其抗沖切承載力的計(jì)算公式為：

4 板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能的影響因素

大量研究表明，板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能受多種因素的影響，主要分為以下幾種。

4.1 混凝土強(qiáng)度

混凝土是板柱結(jié)構(gòu)的一種重要的建筑材料，對板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能的影響很大。大量研究表明，在一定的范圍內(nèi)，高強(qiáng)度混凝土可顯著提高板的抗沖切能力，并且板的抗彎鋼筋使用效率較高。

4.2 縱向鋼筋配筋率

板的縱向鋼筋不僅作用在抗彎階段，還具有銷栓作用，可以抑制受拉區(qū)混凝土裂縫的開展，進(jìn)而影響板柱節(jié)點(diǎn)抗沖切承載力。研究表明，在一定范圍內(nèi)，增大縱筋配筋率可提高板柱節(jié)點(diǎn)的抗沖切承載力，但具有非線性關(guān)系，改變縱筋的布置方式也可改善板柱節(jié)點(diǎn)的受力性能。

4.3 抗沖切元件

隨著土木工程行業(yè)的快速發(fā)展，普通混凝土板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能已無法滿足社會的需要，國內(nèi)外學(xué)者通過配置抗沖切元件來提高板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能，常見的抗沖切元件有彎起鋼筋、錨栓、箍筋、型鋼剪力架及纖維增強(qiáng)聚合物等，產(chǎn)生了一些新型的板柱結(jié)構(gòu)體系，這些抗沖切元件即能提高板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切承載力，又能改善板柱結(jié)構(gòu)的延性。

4.4 其他

除以上主要的因素之外，還有一些因素也影響著板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能。如板柱結(jié)構(gòu)的沖跨比及板厚，在一定范圍內(nèi)，減小沖垮比，可提高板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力，但延性會降低。另外柱子的截面形式、柱子安放的位置以及板上開洞等都會對板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語

①不同的學(xué)者對板柱結(jié)構(gòu)的不同形式進(jìn)行了研究分析，給出了板柱結(jié)構(gòu)的理論分析模型及有效的計(jì)算方法，為以后新型板柱結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。

②分析梳理了各國規(guī)范對板柱結(jié)構(gòu)抗沖切承載力的計(jì)算公式，為學(xué)者分析研究板柱結(jié)構(gòu)的受力情況及數(shù)值計(jì)算提供了理論依據(jù)。

③在一定范圍內(nèi)，改變影響板柱結(jié)構(gòu)抗沖切性能的因素，可提高板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切承載力以及改善延性，但配置有不同的抗沖切元件的板柱結(jié)構(gòu)發(fā)生沖切破壞的機(jī)理存在差異，需要進(jìn)一步分析研究。

④目前國內(nèi)外學(xué)者對板上開洞、邊柱和角柱的研究較少，這種板柱結(jié)構(gòu)形式在荷載作用下的受力比較復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入分析研究。