钢骨混凝土T形截面短柱力学性能的试验研究.pdf

土木工程学报 C H I N AC I V I LE N G I N E E R I N GJ O U R N A L 第 4 0 卷第 1 期 2007 年 1 月 V o l . 4 0N o . 1 J a n .2 0 0 7 钢骨混凝土 T形截面短柱力学性能的试验研究 李哲 1 张小锋 2 郭增玉 1 徐凯 3 （ 1 . 西安理工大学，陕西西安 7 1 0 0 4 8 ；2 . 张家港市建筑设计研究院有限公司，江苏张家港 2 1 5 6 0 0 ； 3 . 天津市园林规划设计院，天津 3 0 0 0 4 2 ） 摘要通过试验研究钢骨混凝土 T形截面短柱的抗剪性能和抗震性能。制作 1 4 根钢骨混凝土 T形截面短柱和 2 根钢筋混凝土 T 形截面短柱，主要考虑剪跨比、轴压力系数、体积配箍率及配骨率等参数对 T 形短柱抗剪承载力 和位移延性的影响，提出钢骨混凝土 T 形截面短柱抗剪承载力计算公式，计算值与试验结果吻合较好。试验结果 表明，钢筋混凝土 T 形截面短柱经加入钢骨抗剪承载力和位移延性均有较大程度的提高，且随配骨率、体积配箍 率的增大而增大；另外，钢骨混凝土 T 形截面短柱的位移延性随轴压力系数的增大而降低，随剪跨比的增大而提 高。研究成果为钢骨 T 形短柱应用于抗震烈度较高地区有一定的参考价值。 关键词钢骨混凝土；T 形截面短柱；位移延性；抗剪承载力 中图分类号T U 3 7 5 . 1文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 1 3 1 X（ 2 0 0 7 ） 0 1 - 0 0 0 1 - 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d yo nt h e me c h a n i c a l p r o p e r t yo f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h o r t c o l u mn s o f t - s h a p e dc r o s s - s e c t i o n L i Z h e 1 Z h a n g X i a o f e n g 2 G u o Z e n g y u 1 X uK a i 3 1 . X i ’ a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，X i ’ a n7 1 0 0 4 8 ，C h i n a ; 2 . Z h a n g j i a g a n g A r c h i t e c t u r a l D e s i g n 3 . T i a n j i nI n s t i t u t e o f L a n d s c a p e P i a n n i n g T - s h a p e ds h o r t c o l u m n ; d i s p l a c e m e n t d u c t i l i t y ; s h e a r b e a r i n g c a p a c i t y E - ma i l l i z h e 0 0 9 1 6 3 . c o m 2 0 世纪 8 0 年代以来，在我国的广州、天津等地 已建成大量的异形柱框架结构的房屋。由于异形柱相 对于同截面的普通矩形柱较为单薄，如果想将其应用 于更高的建筑以及更高的设防烈度的地区，就得加大 截面的尺寸，使得异形柱结构本来所具有的突出优点 无法体现，还会增加造价并引起施工的困难，同时也减 小了剪跨比，恶化了异形柱的横向抗剪受力性能 ［ 1 ］ ，就 有必要对较小剪跨比异形柱的抗剪承载力作进一步研 究。因此，如果在保持原截面不变的条件下提高异形 柱斜截面抗剪承载力和增加其位移延性，那么上述问 题就能得到很大程度的解决。 鉴于钢骨混凝土的诸多优点，本文在较小剪跨比 的钢筋混凝土 T形截面短柱中加入钢骨，旨在提高 其截面抗剪承载力和位移延性，并通过试验验证其增 作者简介李哲，在职博士，副教授 收稿日期2 0 0 5 - 1 1 - 2 5 土木工程学报 2 0 0 7 年 土木工程学报 2 0 0 7 年 图 1 试件尺寸及 A - A截面配筋图 F i g . 1 D i me n s i o na n dr e i n f o r c e me n t o f s p e c i me n 强能力。期望突破建筑高度为 1 5 层以及限用于抗震 设防低的地区的局限，以获得更高的经济效益和社会 效益。 国外对异形柱方面的研究主要集中在计算机程序 的理论分析方面，对试验研究较少，钢骨异形柱方面 的研究还未见相关报道；国内在异形柱结构方面做了 大量的试验和理论研究，且取得可喜的成果［ 1 ］，但有 关钢骨异形柱方面的研究成果还很少。关于钢骨异形 短柱抗剪和抗震性能的研究尚未见报道。 1 试验概况 1 . 1 构件设计及试验参数 构件截面如图 1所示。根据已有的钢筋混凝土 异形柱的分析结果，截面设计的参数为肢宽取 2 7 5m m 、肢厚取 1 0 0m m 。试件箍筋采用复合箍筋， 间距取 1 0 0 m m和 1 5 0 m m 。构件中的角钢为 L 4 0 * 4 和 L 3 0 * 3 ，工字钢为 I 9 0 * 5 0和 I 7 0 * 5 0 ；构件长度为 1 1 0 0m m和 1 2 0 0m m 。试验研究的参数及变化范围 为剪跨比 λ 1 . 5 3 、1 . 7 3 ，配骨率 ρ s s 2 . 3 3 、3 . 3 7 。 试验轴压力系数 n t 0 . 2 4 、0 . 3 6 、0 . 4 2 、0 . 4 8 。体积配 箍率 ρ v 1 . 1 、1 . 7 。混凝土采用 P . 0 4 2 . 5 R号硅酸 盐水泥，灞河中砂和 5 ～ 1 5 分碎石制成，配合比为1 ∶ 1 . 4 6 ∶ 2 . 6 5 （ 水泥∶ 砂∶ 石子 ） ，水灰比为 0 . 4 3 。试件参 数见表 1 。 1 . 2 加载装置及加载制度 试验采用简支梁加载图式，首先用几何对中方法 使轴向荷载作用在截面形心处，并施加全部轴向荷 载，然后施加水平低周集中荷载，试验加载图示如图 2 所示；加载制度采用变幅变位移制度，每一控制位 移下横向荷载循环 3 次。在试件达到开裂荷载以前采 用荷载控制，缓慢施加荷载至出现第一条裂缝，并记 录此时的位移 Δ 。 2 试验结果分析 2 . 1 破坏特征 试验结果表明，钢骨 T 形短柱在低周荷载作用下 破坏形态大体可分为剪压破坏，剪压黏结破坏。 （ 1 ） 剪压破坏这类破坏大多发生在试验轴压力 系数较低 n t 0 . 3 fcAc时，取 Nr c 0 . 3 fcAc， 当 λ 1 时，取 λ 1 ；λ ≤2 ； Vs 0为钢骨部分的抗剪承载力，按公式 （ 3 ） 计算。 Vs 0文献［4 ］要求焊接工字钢抗剪承载力公式 图 7 不同 ρ s s试件骨架曲线 λ 1 . 5 3 F i g . 7 S k e l e t o nc u r v e s o f d i f f e r e n t ρ s s λ 1 . 5 3 图 9 n 与 V关系曲线 λ 1 . 5 3 F i g . 9 n - Vc u r v e s λ 1 . 5 3 图 1 1 ρ s s与 V关系曲线 （ λ 1 . 5 3 ） F i g . 1 1 ρ s s- Vc u r v e s （ λ 1 . 5 3 ） 4 第 4 0 卷第 1 期 第 4 0 卷第 1 期 注Vc r、Vu、V计分别为斜裂缝出现、破坏剪力试验值、本文公式 计算值 （ k N ） ；所有试件均为低周荷载试验；Vu/ V计的均值为 x 1 . 0 7 ，标 准差 σ 0 . 0 5 3 。 Vs 0 m i n 1 3 t whwfs s， Ms y l 0 “（ 3 ） 本试验工字钢均采用钢板焊接而成，故采用公式 （ 3 ） 。根据本文建议的公式，钢骨混凝土 T形截面短 柱斜截面抗剪承载力计算结果与试验值较吻合，试验 结果与按式 （ 2 ） 计算值之比的 x 和标准差 σ分别为 1 . 0 7 和 0 . 0 5 3 。钢骨混凝土 T形截面短柱的试验值及 建议公式计算值见表 3 。 试验表明，在低周反复荷载作用下，T形截面钢 筋混凝土柱的抗剪承载力为单调荷载作用的 8 9 ［ 5 ］。 对于地震区，建议采用考虑地震组合作用的抗剪承载 力公式 V ≤ 1 γ R E （ 0 . 2 8 λ 1 . 5f cb h0 0 . 8 fy vA s v s h 0 0 . 0 5 6 Nr c Vs 0）（ 4 ） 上式系由式 （ 2 ） 乘以 0 . 8 再除以承载力抗震调整系 数 γ R E得出。 3 结论 （ 1 ） 钢骨混凝土 T 形截面短柱的破坏形态主要有 剪压破坏和剪压黏结破坏。 （ 2 ） 试验表明，钢骨混凝土 T 形截面短柱的位移 延性随轴压力系数的增大而降低，随剪跨比的增大而 提高；钢骨混凝土 T形截面短柱的抗剪强度随轴压 力系数的增大而提高，但轴压力系数大于一定的值 后，抗剪强度增加幅度不大；抗剪强度随剪跨比的减 小而增大，随体积配箍率的增大而提高。 （ 3 ） 钢筋混凝土 T 形截面短柱经加入钢骨后位移 延性和抗剪强度均有很大提高，且随配骨率的增大而 增大。 （ 4 ） 本文给出了钢骨混凝土 T 形截面短柱斜截面 抗剪强度的建议计算公式；所得计算值与试验值吻合 较好。本试验为将异形柱应用于抗震烈度较高地区有 一定的指导意义。 参 考 文 献 ［ 1 ］ 王丹. 钢筋混凝土框架异形柱设计理论研究 ［D ］ . 大连大 连理工大学, 2 0 0 2 , 1 2 8 7 - 8 9 （ Wa n g D a n . R e s e a r c h e s o n d e s i g n t h e o r yo fR Cs p e c i a l - s h a p e dc o l u m n s ［D ］ .D a l i a n D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 2 , 1 2 8 7 - 8 9 （ i nC h i n e s e） ） ［ 2 ］ 贾金青. 钢骨高强混凝土短柱及高强混凝土短柱力学性能 的研究［D ］ . 大连大连理工大学, 2 0 0 0 , 4 1 1 1 - 1 1 3 J i a J i n q i n g .T h er e s e a r c ho fS R H C s h o r tc o l u m n sa n dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t es h o r tc o l u m n so nm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ［D ］ . D a l i a n D a l i a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , 2 0 0 0 , 4 1 1 1 - 1 1 3 （ i nC h i n e s e） ［ 3 ］ 徐向东, 康谷贻, 姚石良. 单调及低周反复荷载作用下 T形 截面框架柱受剪性能的试验研究［J ］ . 建筑结构, 1 9 9 9 , 1 2 9 - 3 0 （ X uX i a n g d o n g , K a n g G u y i , Y a o S h i l i a n g . S h e a r p r o p e r t i e s o fT - s h a p e ds e c t i o nf r a m ec o l u m n su n d e rm o n o t o n i ca n d h o r i z o n t a l l o wg y c l i cl o a d i n g s ［J ］ . B u i l d i n gS t r u c t u r e s , 1 9 9 9 , 1 2 9 - 3 0 （ i nC h i n e s e） ） ［ 4 ］ 赵世春. 型钢混凝土组合结构计算原理 ［M ］ . 成都西南交 通大学出版社, 2 0 0 3 Z h a o S h i c h u n . C o m p u t a t i o np r i n c i p l e f o r s t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r e s ［M ］ . C h e n g d u S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y P r e s s , 2 0 0 3 （ i nC h i n e s e） ［ 5 ］ 康谷贻, 巩长江. 单调及低周反复荷载作用下异形截面框 架柱的受剪性能 ［J ］ . 建筑结构学报, 1 9 9 7 , 1 8 5 2 2 - 2 4 K a n g G u y i , G o n gC h a n g j i a n g . S h e a r p r o p e r t i e so f T - a n dL - s h a p e d s e c t i o nf r a m ec o l u m n su n d e rm o n o t o n i ca n dh o r i z o n t a ll o w g y c l i cl o a d i n g s［J ］ . J o u r n a l o f B u i l d i n gS t r u c t u r e s , 1 9 9 7 , 1 8 5 2 2 - 2 4 （ i nC h i n e s e） 表 3 试验结果 T a b l e 3 T e s t r e s u l t s 试件编号Vc rVuV计Vu/ V计 T 1 5 - 1 7 - 0 82 4 03 1 8 . 22 8 91 . 1 0 1 T 1 5 - 1 1 - 0 82 4 8 . 53 2 1 . 52 7 2 . 81 . 1 7 8 T 1 5 - 1 7 - 0 72 4 3 . 53 1 2 . 32 9 4 . 41 . 0 6 1 T 1 5 - 1 1 - 0 72 4 0 . 33 0 7 . 42 7 8 . 21 . 1 0 4 T 1 5 - 1 7 - 0 62 3 5 . 53 0 2 . 82 8 3 . 91 . 0 6 6 T 1 5 - 1 1 - 0 62 3 0 . 82 9 7 . 72 7 21 . 0 9 4 T 1 5 - 1 7 - 0 42 2 52 8 9 . 32 7 1 . 51 . 0 6 5 T 1 5 - 1 1 - 0 42 2 0 . 52 8 82 5 5 . 31 . 1 2 7 T11 5 - 1 1 - 0 82 3 5 . 72 8 7 . 12 6 6 . 41 . 0 7 7 T11 5 - 1 1 - 0 72 3 0 . 42 7 9 . 92 5 5 . 91 . 0 9 3 T 1 7 - 1 7 - 0 82 2 6 . 22 8 9 . 42 8 3 . 81 . 0 1 9 T 1 7 - 1 1 - 0 82 2 5 . 32 8 1 . 22 7 8 . 61 . 0 1 0 T 1 7 - 1 7 - 0 72 2 0 . 52 7 5 . 22 8 8 . 50 . 9 5 3 T 1 7 - 1 1 - 0 72 2 3 . 42 7 0 . 62 6 1 . 51 . 0 3 4 Tw 21 5 - 1 72 0 52 4 01 9 0 . 21 . 2 6 1 Tw 11 5 - 1 72 2 02 6 51 8 41 . 4 0 4 李哲等 钢骨混凝土 T 形截面短柱力学性能的试验研究 5