小跨高比連梁新型配筋方式及數(shù)值分析

糜長林 王 樺 祝 捷

(揚(yáng)州大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127)

小跨高比連梁新型配筋方式及數(shù)值分析

糜長林 王 樺 祝 捷

(揚(yáng)州大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127)

依據(jù)已有的關(guān)于小跨高比連梁配筋方案相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果，主要對布置交叉對角斜筋、菱形筋、縱筋的復(fù)合配筋方案和多層封閉約束箍筋兩種方案進(jìn)行了試驗(yàn)對比和有限元分析，研究了連梁的跨高比、箍筋和縱筋數(shù)量對其破壞形態(tài)、滯回性能、剛度退化、變形和耗能性能等的影響，并分析了構(gòu)件的位移和荷載的關(guān)系，得出了一些結(jié)論。

小跨高比連梁，配筋方案，抗震加載試驗(yàn)，有限元分析

連梁是現(xiàn)在必不可少的構(gòu)件，由于其在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中傳遞荷載和彎矩，通常具有較高的承載力、延性和耗能性，在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常選用小跨比的連梁，在受力過程中顯示出剛度大、剪切變形大、延性差等特點(diǎn)。根據(jù)已有的文獻(xiàn)資料，當(dāng)跨高比小于2.5的連梁，以上的特點(diǎn)更為明顯。

小跨高比連梁破壞形態(tài)一般有剪切型破壞、彎曲剪切型破壞、彎曲滑移型破壞3種破壞形態(tài)。大多數(shù)的破壞為剪切破壞，說明其在實(shí)際受力過程中延性、剛度和耗能性不能滿足框架—剪力墻抗震設(shè)計(jì)的要求標(biāo)準(zhǔn)。連梁在承受剪切或者抗彎時(shí)主要取決于鋼筋的性能和布置方式，找到較合理的鋼筋類別和布置方式就顯得尤其重要，國內(nèi)外已有許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和文獻(xiàn)。比如新西蘭Paulay T教授提出的在小跨高比連梁中配置交叉暗柱式鋼筋的方案，實(shí)踐證明該方案用鋼量較大而且施工起來較困難,在實(shí)際工程中并不適用；重慶大學(xué)的牛紹仁等人對采用普通縱筋與交叉斜向鋼筋組合配筋方式的連梁進(jìn)行了低頻率反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，還有許多相關(guān)配筋方式的試驗(yàn)和研究，本文不再贅述。

本文將通過綜合配筋和分層箍筋布置兩個(gè)試驗(yàn)對比研究配筋方式對小跨高比連梁的破壞方式、滯回性能、剛度退化、變形和耗能特性等的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣本是取開洞剪力墻結(jié)構(gòu)中的一小部分來模擬地震作用下小跨比連梁的受力情況和變形特點(diǎn)。將試件上下分成三部分，頂端和底端分別設(shè)置兩個(gè)塊來充當(dāng)實(shí)際中墻肢結(jié)構(gòu)，中間部分充當(dāng)連梁受力，在連梁跨中位置布置方向?yàn)樗降难h(huán)荷載。結(jié)構(gòu)的受力簡圖、彎矩和剪力圖如圖1所示。本文實(shí)驗(yàn)采用的連梁構(gòu)件跨高比為1.0，配筋方式采用縱筋、對角斜筋及菱形斜筋的復(fù)合配筋(LL-a)和長度比較短的分層短跨箍筋、縱筋兩種布置方式(LL-b)。配筋圖見圖2，圖3。

1.2 試驗(yàn)加載制度

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)已有的相關(guān)文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)里的循環(huán)加載制度進(jìn)行逐級施加。在試件達(dá)到屈服以前，利用荷載控制；在試件達(dá)到屈服以后，利用變形控制。試驗(yàn)中用Py來表示屈服荷載，即以受拉鋼筋或?qū)切苯畹膽?yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)所對應(yīng)的水平荷載作為屈服荷載Py，所對應(yīng)的梁端位移就是構(gòu)件的屈服位移Δy。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)所選用的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)定義如下：

1)跨高比(l/h)為連梁凈跨與其高度的比值。

2)剪壓比(vu/fcbh0)，vu為試驗(yàn)中的最大剪力。

構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1,混凝土的強(qiáng)度見表2，鋼筋配筋表見表3，分段封閉箍筋試樣構(gòu)造鋼筋為8Φ12。

表1 試件參數(shù)設(shè)計(jì)值

表2 混凝土各類強(qiáng)度

表3 構(gòu)件配筋參數(shù)

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)連梁試件的破壞形態(tài)。由LL-a構(gòu)件實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看到最后的破壞變形狀態(tài)是剪切變形，實(shí)驗(yàn)的破壞結(jié)果見圖4。構(gòu)件上出現(xiàn)了明顯的斜裂縫，有的比較短窄，有的沿著對角線通長分布；隨著荷載不斷地逐級循環(huán)施加，斜向裂縫越來越多，最后由構(gòu)件表面發(fā)展延伸到內(nèi)部，這時(shí)混凝土?xí)c鋼筋分離，混凝土強(qiáng)度達(dá)到屈服，最后鋼筋暴露出來，構(gòu)件由于受到產(chǎn)生斜裂縫的斜向剪切力而最終達(dá)到破壞失去承載能力。

試件最后破壞形態(tài)與連梁跨高比ln/h密切相關(guān)。近似取剪變模量G=0.4E，可導(dǎo)出連梁剪切變形Δv與兩端總相對變形Δ的比值公式:

正?；颊叩纳碇?，原癌以及抑癌基因主要表現(xiàn)為靜止?fàn)顟B(tài)，以此對細(xì)胞的正常功能進(jìn)行維持。對于癌基因而言，其由原先的不表現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)，數(shù)量過度增加時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大量的蛋白質(zhì)，這些都會(huì)使患者的細(xì)胞出現(xiàn)調(diào)控失常，并致使患者出現(xiàn)腫瘤。而抑癌基因出現(xiàn)升高，會(huì)使蛋白質(zhì)對細(xì)胞的惡性增值進(jìn)行控制。

(1)

由LL-a構(gòu)件實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，彎曲裂縫首先出現(xiàn)，隨后在試件接近構(gòu)件對角線的位置出現(xiàn)一條細(xì)長的斜裂縫，隨著荷載的加大，彎曲裂縫加寬，開始出現(xiàn)扇形剪切裂縫，但剪切斜裂縫均沒有發(fā)展成起控制作用的斜裂縫。在逐級循環(huán)荷載作用下，連梁的中部明顯承受豎向剪力呈受彎狀。試件最終表現(xiàn)為彎曲剪切破壞，將試件的塑性鉸處的開裂混凝土剔除，可見到縱向鋼筋成外鼓變位(見圖5)。

2)連梁試件的滯回曲線。圖6是LL-a構(gòu)件的P(荷載)—Δ(位移)滯回曲線，從滯回曲線圖上可以看出曲線分布比較擴(kuò)散，沒有出現(xiàn)太大的剛度破壞，這種配筋方式的耗能性還是比較好的。LL-b構(gòu)件的滯回曲線與LL-a構(gòu)件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，比較密，相關(guān)性較好，滯回曲線面積由密慢慢增大。

3)試件的鋼筋應(yīng)變。

縱筋。由試驗(yàn)結(jié)果分析，LL-a構(gòu)件縱筋在剛開始加載時(shí)為一端受拉，一端受壓，荷載較小時(shí)應(yīng)變零點(diǎn)位于跨中附近；隨著荷載的增加，應(yīng)變由壓應(yīng)變屈服變成拉應(yīng)變，所有的縱筋與大跨度的梁構(gòu)件受力相似，表現(xiàn)為全長受拉。兩根菱形筋上半肢和下半肢分別受拉和受壓，對角鋼筋分別承擔(dān)受拉和受壓。菱形筋在荷載增加過程中始終一端受拉，一端受壓，壓應(yīng)變逐漸減小。屈服后，應(yīng)變值逐漸增大。

LL-b構(gòu)件的受力鋼筋開始與混凝土一起抵抗壓力，在混凝土喪失強(qiáng)度以后，最后主要受拉。構(gòu)造縱筋充當(dāng)構(gòu)件的骨架，減小了力的作用點(diǎn)與上下鋼筋的距離，在實(shí)際受力中開始參與混凝土受力機(jī)理受壓，然后隨著縱向受力鋼筋受拉，一般最后達(dá)到一定的受壓荷載而破壞。分層布置的箍筋受力機(jī)理與縱向受力鋼筋相似，在受力的整個(gè)過程直至破壞時(shí)，一般也會(huì)表現(xiàn)為受拉或者受壓。

1.5 試驗(yàn)結(jié)論

LL-b構(gòu)件利用更多數(shù)量的短箍筋對混凝土斜壓桿起到了抵抗壓力的作用，分布比較密的短箍筋可以很好的搭配縱筋承擔(dān)斜拉力。綜合分析得出分層分布箍筋配筋連梁方案具有良好的耗能性能，相比較于第一種配筋方案，具有鋼筋布置比較簡單、現(xiàn)場實(shí)踐工程容易操作等等優(yōu)點(diǎn)，是較好的一種配筋方式。

2 有限元分析

本文采用ANSYS11.0進(jìn)行有限元分析。分別模擬了本文綜合配筋LL-a、分段封閉箍筋LL-b和其他三種常見的普通配筋方式的梁，由于實(shí)際受力在平面內(nèi)，所以采用平面骨架模擬，兩邊布置邊界條件u1,u2和u3，不同配筋布置方式得到的荷載和位移間的關(guān)系也相差很大，在剛開始的彈性階段，采用各種配筋方式的連梁荷載和變形基本一樣，繼續(xù)增加荷載時(shí)，不同鋼筋配置就起到了明顯的作用，這時(shí)出現(xiàn)的裂縫和破壞形態(tài)也各不相同。

從圖8的荷載位移曲線上可以看到分層箍筋布置的連梁的曲線一直在上方，表明這種配筋方式的承載力的極限值相對于其他幾種配筋比較大，對應(yīng)的位移值也相對最大。

采用分段封閉箍筋連梁除構(gòu)造鋼筋屈服，外端部受拉縱向鋼筋也屈服。本配筋模型分級屈服，構(gòu)件里封閉箍筋由于分布比較密且尺寸比較小能很好的參與到混凝土的受力中，從而減緩構(gòu)件的裂縫變形和破壞，說明該連梁延性良好(見表4)。

表4 模型鋼筋屈服信息表

3 結(jié)語

1)采用對角斜筋布置可以抗壓和抗拉，縱筋能與混凝土協(xié)作完成拉壓破壞，使得梁內(nèi)鋼筋受力比較均勻，不容易發(fā)生受拉或受壓脆性破壞，具有良好的延性和抵抗變形能力。

2)連梁的屈服位移、屈服荷載和極限荷載都隨縱向鋼筋配筋量的增加而增大；說明斜筋的設(shè)置對連梁的極限承載力有提高作用。

3)采用分層箍筋布置方式的小跨高比連梁主要是彎剪破壞，縱向構(gòu)造鋼筋起到水平抗剪機(jī)制的水平拉桿的作用，具有鋼筋布置比較簡單、現(xiàn)場實(shí)踐工程容易操作等優(yōu)點(diǎn)。

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New reinforcement method and numerical analysis of small span ratio coupling beam

Mi Changlin Wang Hua Zhu Jie

(GeotechnicalEngineeringResearchInstitute,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)

In this paper, on the basis of the existing small span ratio of beam reinforcement scheme related literature and research achievements, mainly to decorate cross diagonal oblique muscle, diamond bar, longitudinal reinforcement of composite reinforcement scheme and the constraint of multilayer closed stirrup two test comparison research and finite element analysis, studied the cross coupling beam height ratio, number of stirrups and longitudinal reinforcement to its failure pattern, hysteresis behavior, the influence of the rigidity degradation and deformation and energy dissipation properties, analysis of the relationship between the displacement and load component, and achieves some conclusion.

small coupling beam span ratio， reinforcement scheme， seismic loading test， finite element analysis

1009-6825(2015)28-0043-04

2015-07-27

糜長林(1990- )，男，在讀碩士

TU375.1

A