考慮拱索效應(yīng)影響的框架梁抗彎承載力

蔣前程

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用范圍極廣，各種工程結(jié)構(gòu)都可采用鋼筋混凝土建造。各種人為和自然因素都嚴(yán)重影響著這一結(jié)構(gòu)的安全使用，比如建筑物遭受爆炸襲擊，地震等，將導(dǎo)致建筑物的連續(xù)倒塌破壞，這一現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)工程師必須考慮避免的。在我國(guó)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)分布廣泛，框架結(jié)構(gòu)比剪力墻結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生豎向連續(xù)倒塌。因此，防止框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是我們面臨的重要課題。

在建筑結(jié)構(gòu)中，軸向力普遍存在于建筑物構(gòu)件中，特別在梁板構(gòu)件或者鋼筋混凝土框架梁構(gòu)件，建筑行業(yè)叫做薄膜力。國(guó)外學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)方面對(duì)這種薄膜力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，這種薄膜力提高了建筑構(gòu)件的彎剪承載力。國(guó)內(nèi)對(duì)薄膜力的研究也有所涉獵，當(dāng)?shù)团浣盥拾逯苓吪c框架梁剛性連接，混凝土板在即將損壞時(shí)，它的中和軸幾乎靠近板的上表面。因此，軸向力將廣泛存在與四周剛性連接的板中，也就是“薄膜力”［1-6］。針對(duì)混凝土框架梁某兩跨中間的珠子突然破壞，導(dǎo)致上層荷載加于中間破壞的柱子節(jié)點(diǎn)上，由于拱效應(yīng)和索效應(yīng)的存在，混凝土框架梁的延性、梁變形較大，框架梁仍然可以承受荷載，最終防止建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生從上而下的連續(xù)倒塌的現(xiàn)象，本文通過(guò)靜載試驗(yàn)研究了“索和拱效應(yīng)”影響的鋼筋混凝土框架梁承載力，分析了支座約束、配筋率、跨高比和配筋方式對(duì)其承載力的影響規(guī)律，為建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，選取兩跨梁，跨中支撐柱破壞。取ρ=0.0077～0.0193，梁上下部的配筋比取1.0～1.51，縱筋采用用二級(jí)鋼，fy=335MPa，箍筋采用一級(jí)鋼fyv=235MPa;混凝土取C25，試件配筋如下，F(xiàn)A編號(hào)試件為3個(gè)，其余編號(hào)試件為2個(gè)，用于靜載實(shí)驗(yàn)。

表1 試件設(shè)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括MTS液壓伺服擬動(dòng)力加載系統(tǒng)、支座裝置和數(shù)據(jù)采集儀器，由于結(jié)構(gòu)模型的要求，特別制造剛性臺(tái)座，確保梁端只可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，上下移動(dòng)得到限制，梁端可以安裝儀器，可以測(cè)量約束大小，也可以方便的調(diào)節(jié)這種約束。實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體部件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)示意圖

1.3 試驗(yàn)加載方案

(1)確定鋼筋混凝土的跨中特征位移:δ1=ln/100=57mm，δ2=ln/50=114mm，δ3=h0=265mm，其中δ1是鋼筋屈服時(shí)的變形，δ2是壓壞混凝土?xí)r的變形，δ3是拱效應(yīng)終結(jié)索效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)對(duì)應(yīng)的撓度。結(jié)構(gòu)最大撓度要看MTS的施力功能，取

(2)加載速率的選定:取受壓混凝土最大應(yīng)變?yōu)?500με，加載速率為10με/s，則需350s;位移加載速率等于 δ2/350=0.3mm/s，取加載速率為 0.1mm/s，相當(dāng)于3.3με/s，采集頻率定為10Hz。

(3)靜載試驗(yàn)采用一次加載至最大跨中撓度400 mm，加載時(shí)間為4000秒。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞過(guò)程

在加載的初始階段，梁端約束梁以彈性變形為主;隨著荷載逐步施加，跨中出現(xiàn)裂縫，跨中受拉鋼筋開(kāi)始屈服，隨著跨中的混凝土受壓區(qū)被壓碎，跨中截面慢慢失去承受彎矩的能力，跨中彎矩慢慢減小，而在支座處的彎矩逐漸提高;當(dāng)跨中裂縫貫通整個(gè)截面，跨中鋼筋由受壓轉(zhuǎn)為全部受拉，而框架梁繼續(xù)承擔(dān)荷載，直到受拉鋼筋被拉斷，框架梁宣告破壞。

2.2 破壞形態(tài)

試件的破壞形態(tài)隨著試件軸壓比的不同而有所不同，試件FA、FB-1、FB-2、FC-1和FC-2的梁端和跨中破壞形態(tài)如圖2、圖3、圖4和圖5所示。由圖2可見(jiàn)，F(xiàn)A梁的破壞形態(tài)是梁端和中部開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，接著截面延伸，延性小。跨中受彎，側(cè)面出現(xiàn)小縫，出現(xiàn)塑性鉸。由圖3和圖4可見(jiàn)，F(xiàn)B-1和FB-2梁的破壞形態(tài)是跨中上部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸;梁端處支座上面出現(xiàn)多條小縫，混凝土壓碎沒(méi)有出現(xiàn)，出現(xiàn)塑性鉸，變形大。又圖5可見(jiàn)，F(xiàn)C-1和FC-2梁的破壞形態(tài)是跨中上部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸;裂縫出現(xiàn)在梁端上部受彎處，下部混凝土壓碎，出現(xiàn)塑性鉸，變形小。

各試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)會(huì)隨著試驗(yàn)梁配筋率的變化而發(fā)生顯著變化。每組試驗(yàn)梁受荷時(shí)，其受力特征為彎剪共同作用，為了保證試驗(yàn)梁為延性的受彎破壞形態(tài)，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁時(shí)，已經(jīng)考慮到了拱效應(yīng)的影響，配置了足夠數(shù)量的箍筋。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著配筋率的增加，各試驗(yàn)梁FA到FC-2破壞時(shí)的延性會(huì)顯著增加。在FB和FC兩組中，配筋率最小的試驗(yàn)梁其最終破壞形態(tài)雖然也是受彎破壞，但其在梁跨中受壓區(qū)混凝土壓碎破壞以后，承載力會(huì)迅速下降;并且，其跨中處也沒(méi)有形成塑性鉸，F(xiàn)B-1和FC-1裂縫出現(xiàn)數(shù)量少，并且出現(xiàn)了一條主要裂縫;試驗(yàn)梁在破壞時(shí)出現(xiàn)了跨中受壓區(qū)鋼筋壓屈現(xiàn)象;破壞形態(tài)相對(duì)于配筋率較大的試驗(yàn)梁來(lái)說(shuō)延性明顯偏小。但由于拱效應(yīng)的作用，以及不容易形成二階彎矩，其破壞時(shí)的承載力提高程度卻是最大的。

配筋率最大的試驗(yàn)梁FC-2破壞時(shí)裂縫分布范圍廣而密，裂縫寬度相對(duì)較小，試驗(yàn)梁在破壞時(shí)出現(xiàn)了明顯的彎曲現(xiàn)象，具有很大的變形能力;FA梁配筋率最小，其裂縫分布范圍相對(duì)于FC-2梁要小得多，且裂縫跨度較大，破壞時(shí)梁的彎曲較不明顯。隨著配筋率的增大，試驗(yàn)梁均表現(xiàn)出延性增強(qiáng)的特征。

2.3 位移荷載曲線

1)FA、FB-1位移荷載曲線

試樣FA和FB-1跨中荷載位移曲線如圖6所示。

FA 配筋率 0.77%，極限荷載 124.7kN，極限相對(duì)位移0.319;FB-1配筋率1.15%，極限荷載246kN，極限相對(duì)位移0.245。由圖6看出，F(xiàn)A的延性較大，極限荷載小;相應(yīng)的FB-1的延性較小，破壞時(shí)相對(duì)位移只有0.3，極限荷載大，因?yàn)镕A梁端的配筋率小于FB-1的配筋率。所以在兩根框架梁其他條件相同時(shí)，配筋率較小者的延性較好，但是拱效應(yīng)相應(yīng)小，極限荷載小。

2)FB-2、FC-1、FC-2 位移荷載曲線

試樣FB-2、FC-1和FC-2跨中荷載位移曲線如圖7所示。

FB-2配筋率1.15%，極限荷載76kn，極限相對(duì)位移0.35;FC-1配筋率1.51%，極限荷載112kN，極限相對(duì)位移0.221;FC-2配筋率1.51%，極限荷載220kN，極限相對(duì)位移0.21。由圖7可以看出，隨著配筋率的增加梁跨中極限荷載逐漸增大，延性卻逐漸變小，這個(gè)特征與圖6相同。進(jìn)一步驗(yàn)證了兩根框架梁其他條件相同時(shí)，配筋率較小者的延性較好，但是拱效應(yīng)相應(yīng)小，極限荷載小。

3)框架梁荷載位移曲線的受荷狀態(tài)分析

由圖6和圖7可以看出，在集中荷載作用下具有側(cè)向約束的鋼筋混凝土試驗(yàn)梁都經(jīng)歷了完整的受荷過(guò)程，該過(guò)程包括3個(gè)階段，如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，曲線中AB段是拱效應(yīng)形成階段。在此階段，試驗(yàn)梁支座約束水平軸力隨著變形的增加而增加，從而在梁內(nèi)形成拱效應(yīng)。由于梁內(nèi)拱壓力的幫助，梁在B點(diǎn)達(dá)到其極限荷載。拱壓力可以看成來(lái)源于梁柱結(jié)點(diǎn)與梁之間的擠壓作用。如前所述的壓彎構(gòu)件的軸力與彎矩承載力關(guān)系可知，對(duì)于大偏心受壓構(gòu)件軸壓力的存在可以提高構(gòu)件的抗彎承載力。對(duì)于梁來(lái)講，由于梁柱結(jié)點(diǎn)與梁本身之間的壓力決不會(huì)達(dá)到使受拉鋼筋不屈服的程度，所以壓力的存在總是使梁的抗彎能力增加。

在變形較小的情況下，梁中壓力的產(chǎn)生是由于鋼筋混凝土梁開(kāi)裂造成的。對(duì)于不會(huì)開(kāi)裂的彈性梁其梁端沒(méi)有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，沿梁跨對(duì)梁底面應(yīng)變積分等于零。而如果梁開(kāi)裂，則此積分的結(jié)果是凈增長(zhǎng)。

曲線的BC段是拱效應(yīng)的消退階段。經(jīng)過(guò)B點(diǎn)以后，由于試驗(yàn)梁跨中截面混凝土首先被壓碎，該截面處的承載力開(kāi)始減弱，由于此時(shí)支座截面混凝土還沒(méi)有完全破壞，在試驗(yàn)梁內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象，其荷載轉(zhuǎn)向主要由支座截面承擔(dān)。但隨著支座處混凝土的壓碎，梁的承載能力會(huì)有一個(gè)較快的降低過(guò)程。直到C點(diǎn)，試驗(yàn)梁的承載能力降到最低。

曲線CD段是索效應(yīng)的形成階段及破壞階段。由于這時(shí)裂縫在跨中截面已經(jīng)全截面貫通，因此在跨中區(qū)域首先形成了索。索的形成會(huì)增大跨中區(qū)域的承載能力。隨著試驗(yàn)梁變形的增加，形成所得區(qū)域會(huì)由跨中向兩側(cè)延伸，直到整個(gè)試驗(yàn)梁各截面都受拉，在梁中形成完整的索。梁承擔(dān)荷載靠的是鋼筋的索效應(yīng)，梁繼續(xù)承擔(dān)荷載直到鋼筋被拉斷。

3 結(jié)論

1)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，拱效應(yīng)普遍存在于混凝土梁中，這是由于框架梁兩端側(cè)向約束了梁的縱向變形，梁受壓、軸力增大、跨中極限荷載顯著提高。

2)在鋼筋混凝土框架梁中，跨中或支座截面拉壓鋼筋配筋率比值基本相同時(shí)，隨著配筋率的增加，極限承載力增大，延性減小。

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