型鋼混凝土抗拉柱側(cè)向撓度研究

張友順

(濟(jì)南市道路和橋隧服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250000)

隨著工程材料的革新和力學(xué)理論的深化，土木工程呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)[1]。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)正是在這種發(fā)展與革新中孕育出的一種有著旺盛生命力的結(jié)構(gòu)形式，具有承載力高、剛度大、構(gòu)件截面尺寸小、耐火耐腐蝕性好、延性好、耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足多種場合的需求[2]。型鋼混凝土抗壓柱的研究已經(jīng)比較成熟，而國內(nèi)外對(duì)于抗拉柱的研究還比較少，受拉型鋼混凝土構(gòu)件破壞機(jī)理復(fù)雜，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方式困難，造成國內(nèi)外對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件的受拉性能研究較少。少數(shù)日本學(xué)者開展了針對(duì)埋入式和非埋入式型鋼混凝土柱腳偏心受拉受力的試驗(yàn)研究，唐錦蜀等[3]按照實(shí)際工程構(gòu)件，采用1∶0.55的縮尺比例完成了4個(gè)型鋼混凝土梁板試件在偏心受拉狀態(tài)下的單調(diào)靜力加載試驗(yàn)，研究了試件的破壞模式，裂縫分布及開展寬度、承載能力等。目前，型鋼混凝土受拉構(gòu)件已有較多應(yīng)用，例如建筑物的角柱和邊柱、工業(yè)廠房雙肢柱中的偏心受拉柱、型鋼混凝土桁架中受拉的下弦桿[4]。型鋼混凝土構(gòu)件偏心受拉容易產(chǎn)生側(cè)向撓度，增大裂縫寬度，降低構(gòu)件承載力。

鑒于此，本試驗(yàn)對(duì)型鋼混凝土受拉構(gòu)件的側(cè)向撓度進(jìn)行研究，以期為型鋼混凝土受拉柱的使用提供理論和試驗(yàn)的支撐，也可為現(xiàn)有型鋼混凝土抗拉柱規(guī)范制定提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)混凝土規(guī)范的規(guī)定，撓度的研究涉及到的只是構(gòu)件的第二階段[5]，也就是構(gòu)件的正常使用階段，即是從混凝土開裂到構(gòu)件屈服的階段。參照混凝土規(guī)范的這一規(guī)定，本文對(duì)于型鋼混凝土抗拉柱的側(cè)向撓度研究也設(shè)定在構(gòu)件的第二階段。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8根構(gòu)件，分為小偏心受拉和大偏心受拉兩種類型，構(gòu)件的總長度是2 040mm，上下端頭板厚度分別為20mm，凈長度為2 000mm，中部澆筑混凝土的長度為1 700mm，內(nèi)置H型鋼。型鋼的“高×寬”為100mm×100mm，翼緣與腹板之間為焊接，其焊腳尺寸為8mm，翼緣和腹板的厚度有6、8mm兩種；型鋼周圍配有箍筋和縱筋，箍筋均為C6.5@100，縱筋有4C6.5和4C12兩種(所用鋼筋符號(hào)“C”表示HRB400，下同)，均沿構(gòu)件縱向通長配置；沿型鋼翼緣外側(cè)縱向通長布置栓釘，栓釘分兩排布置，栓釘?shù)臋M向間距為50mm，縱向間距為100mm；在構(gòu)件中間布置3個(gè)位移計(jì)，用以測量構(gòu)件側(cè)向撓度。具體參數(shù)列于下表1中。偏心受拉構(gòu)件模型示意及位移計(jì)布置見下圖1。

1.2 試驗(yàn)加載

采用自制的抗拉加載裝置結(jié)合500 t壓力機(jī)進(jìn)行構(gòu)件的抗拉試驗(yàn)，用螺栓將構(gòu)件和裝置固定到一起，并用吊車將裝置放到壓力機(jī)上，按50 kN一級(jí)進(jìn)行加載，記錄各構(gòu)件屈服時(shí)的側(cè)向撓度值。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 構(gòu)件模型示意及位移計(jì)布置(mm)

圖2 試驗(yàn)裝置就位

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

構(gòu)件屈服時(shí)得到三個(gè)位移計(jì)的讀數(shù)，加上構(gòu)件的兩端，一共5個(gè)點(diǎn)，利用這5個(gè)點(diǎn)可以將構(gòu)件的側(cè)向撓度繪出來。將8根構(gòu)件的側(cè)向撓度圖列于下圖3中。

從圖3可以看出：偏心距越大，側(cè)向撓度越大；所用縱向鋼筋直徑越小，側(cè)向撓度越大；型鋼翼緣越薄，側(cè)向撓度越大；腹板厚度對(duì)側(cè)向撓度的影響不明顯；偏心距和型鋼翼緣厚度對(duì)側(cè)向撓度的影響較大。

2 側(cè)向撓度計(jì)算方法

型鋼混凝土抗拉柱的受力不同于一般的受彎構(gòu)件，它除了承受彎矩還承受軸向拉力，本文在計(jì)算的時(shí)候不考慮軸向拉力對(duì)構(gòu)件側(cè)向撓度的影響，認(rèn)為軸向拉力只會(huì)對(duì)構(gòu)件的軸向產(chǎn)生影響。基于以上原則并參考文獻(xiàn)[5-7]中的撓度公式給出了計(jì)算偏心受拉柱側(cè)向撓度的公式。

(1)

(2)

ρr=Ar1/(bh0)

(3)

式中：f為偏心受拉柱的側(cè)向撓度，mm；S為與荷載形式、支承條件有關(guān)的撓度系數(shù)，本文中S取1/8；Mk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的彎矩值，N·mm；l0為偏心受拉柱的計(jì)算長度，mm；Bs為構(gòu)件在短期荷載作用下的短期剛度，N·mm2；Er、Ec、Es分別為鋼筋的彈性模量、混凝土的彈性模量、型鋼的彈性模量，N/mm2；Ic、Is分別為混凝土的截面慣性矩(按構(gòu)件全截面計(jì)算)、型鋼的截面慣性矩，mm4；ρr為靠近軸向拉力一側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率；Ar1為靠近軸向拉力一側(cè)的鋼筋面積之和，mm2；b為構(gòu)件截面寬度，mm；h0為靠近軸向拉力一側(cè)的鋼筋合力點(diǎn)到遠(yuǎn)離軸向拉力一側(cè)構(gòu)件邊緣的距離，mm。

構(gòu)件側(cè)向撓度計(jì)算所需要的參數(shù)求得如下：HRB400級(jí)鋼筋Er、Q235型鋼Es、混凝土Ec分別為2×105MPa、2.06×105MPa、3.25×104MPa，混凝土Ic、100×100×6×8型鋼Is、100×100×8×8型鋼Is、100×100×6×6型鋼Is分別為1.3×108mm4、369.04×104mm4、378.92×104mm4、299.51×104mm4，C6.5、C12鋼筋的ρr分別為0.2%、0.69%。

根據(jù)側(cè)向撓度計(jì)算公式以及上面求得的參數(shù)，即可計(jì)算出構(gòu)件屈服時(shí)的側(cè)向撓度。在做抗拉柱的試驗(yàn)時(shí)，構(gòu)件的端頭鋼板會(huì)發(fā)生變形；端板與加載裝置是通過螺栓連接到一塊的，在用螺栓固定構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件與加載裝置之間難免會(huì)存空隙；構(gòu)件端部沒有澆筑混凝土造成構(gòu)件端部的剛度比中部的剛度小。以上這些原因會(huì)使構(gòu)件屈服時(shí)的側(cè)向撓度試驗(yàn)值加大，經(jīng)過8根試件的試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，增量約為2mm，故而將撓度的計(jì)算值進(jìn)行修正。試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比分析結(jié)果列于下表2中。

圖3 構(gòu)件側(cè)向撓度

表2 構(gòu)件側(cè)向撓度的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

從表2中可以看出，側(cè)向撓度計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近，其平均誤差為0.02，這說明本文所列出的側(cè)向撓度公式適用性較好。

3 結(jié) 論

通過研究型鋼混凝土抗拉柱的側(cè)向撓度，對(duì)現(xiàn)有公式提出新的假設(shè)并作出部分修改，使其能夠適用于抗拉柱的計(jì)算。通過對(duì)比試驗(yàn)值與計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)新公式具有較好的適用性，此外，本文還得出如下結(jié)論：(1)偏心距和型鋼翼緣厚度對(duì)側(cè)向撓度的影響較大，偏心距越大、型鋼翼緣越薄，側(cè)向撓度越大；(2)通過8根構(gòu)件來驗(yàn)證側(cè)向撓度的計(jì)算公式，樣本數(shù)量較小，其準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證；(3)通過內(nèi)置H型鋼的混凝土柱來驗(yàn)證側(cè)向撓度的計(jì)算公式，對(duì)于內(nèi)置其它截面形式型鋼的混凝土柱的適用性還需作進(jìn)一步研究。