十字形钢骨混凝土异形柱双向偏心受压试验doc.docx
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十字形钢骨混凝土异形柱双向偏心受压试验
2009年01月沈阳建筑大学(自然科学版)
第25卷第1期JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)
Jan.2009
Vo1.25.No.1
文章编号:
1671—2021(2009)01—0100—06
十字形钢骨混凝土异形柱双向偏心受压试验
徐亚丰,刁晓征,郭建,王萃萃,李晓丽,王华
(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳100168;2.辽宁省城市建设学校,辽宁沈阳110016)
摘要:
目的研究十字形钢骨混凝土异形柱的破坏机理,受力性能及变形能力.方法通过对6
个十字形钢骨混凝土异形柱进行双向偏心受压承载力的试验研究,观察了不同含钢率,不同偏
心距异形柱的受力过程和破坏形态;分析了钢骨混凝土异形柱在双向偏心荷载作用下破坏特
点,荷载一位移曲线及骨架曲线,承载力,位移延性等力学性能.结果明确了钢骨混凝土异形
柱在双向偏心荷载作用下的破坏特征,钢骨混凝土异形柱钢骨翼缘的存在对其内部混凝土起
到了约束作用.随着含钢率的增加,构件的承载力及延性相应得到提高.结论钢骨混凝土异形
柱具有很高的承载能力和很好的延性,十字形钢骨混凝土异形柱可以在工程中推广使用.
关键词:
钢骨混凝土异形柱;十字形截面;双向偏心受压承载力;承载力;延性
中图分类号:
TU317文献标志码:
A
0引言1试验
随着建筑层数的增加,荷载加大,承载能力和
延性较高的钢骨混凝土异形柱的研究逐渐受到了
人们的重视,工程的应用已经实现¨.由于钢骨
混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱配钢形式不
同,因此其受力特征,破坏机理均有不同.目前国
内外对空腹式钢骨混凝土异形柱进行了深入研
究.而对于实腹式钢骨混凝土异形柱的研究
并不多,许多人的研究仅限于抗震性能,ANSYS
模拟方面等..笔者曾进行了实腹式钢骨混凝
土异形柱的轴心受压,单向小偏心受压的研
究¨,研究表明:
轴心和偏心荷载下的钢骨混
凝土异形柱具有很高的承载力和很好延性.但对
于钢骨混凝土异形柱双向偏压构件还没有深入的
研究,因此笔者对6根含钢率不同的实腹式(十
字形)钢骨混凝土异形柱进行双向偏心受压承载
力的试验研究,明确了随着含钢率增加,构件的承
载力及延性相应得到提高.
1.1试件设计及制作
为了明确十字形钢骨混凝土异形柱在双向偏
心荷载作用下的受力性能,试验制作了6个短柱
试件.具体截面尺寸,配筋形式及立面尺寸如图1
所示.试件外包截面尺寸为bXh=200mlilx
200mm,异形截面肢宽为60into,试件高度均为
H:
600mm,试件编号及性能见表1.
异形柱骨架采用手工电弧焊将剪裁好的钢板
焊接形成十字形.纵筋点焊在底板上,箍筋与纵筋
之间采用绑线绑扎.在钢板和钢筋指定位置打磨
并粘贴应变片,然后在应变片端线上焊导线,并将
应变片和焊点用环氧树脂封固.混凝土浇筑采用
立式木模板,用振捣棒振捣密实盖盖板.自然养护
至拆模进行试验(见图2).
试件中钢板材质为Q235,纵向钢筋和箍筋采
用HPB235级钢,其实测力学指标见表2.混凝土
采用商品混凝土,经过实测混凝土强度等级为
C57
收稿日期:
2008—04—20
基金项目:
辽宁省教育厅科研计划项目(20060691);沈阳建筑大学省级重点试验室开放基金项目(JG一200602);沈
阳市人才资源开发专项基金项目(2007140303002)
作者简介:
徐亚丰(1963一),男,教授,博士后,国家一级注册结构工程师,主要从事组合结构研究.
第25卷徐亚丰等:
十字形钢骨混凝土异形柱双向偏心受压试验101
\
筋,f
一,\IF—加载点I/I
rIeIn
L-U
钢骨/
I芒
图1试件截面尺寸,配筋形式及立面尺寸图2十字形钢骨混凝土异形柱
表1试件编号及性能
1.2加载及测试方法
试验在沈阳建筑大学结构试验室5000kN
液压式万能试验机上进行,竖向变形由竖向设置
直接支顶于压力机顶板和底板的位移计控制,测
量试件全高范围内的纵向压缩变形.侧向变形由
在柱肢中部垂直于柱肢轴向的水平方向布置的3
个位移计控制,测量试件侧向弯曲变形.
试验采用分级加载,每级加载为预计极限荷
载的10%左右,在试验时SXXP试件每级取
100kN,当荷载达到大约极限荷载的60%时,每
级加载取50kN.SXDP试件每级取50kN,当荷
载达到大约极限荷载的60%时,每级加载取30
kN.1临近极限荷载前,级差更小,最后徐徐加载,
荷载在下降到极限荷载80%时,变形曲线出现明
显的下降段后停止加载.
2试验现象及分析
2.1试件破坏过程
SXDP试件在加载的初期荷载较小时,混凝
土,钢骨及纵筋均处于弹性状态.荷载增至100kN
左右时,在柱肢中部拉区翼缘角部出现第一条水
平可视裂缝.随着荷载的增加,水平裂缝宽度和长
度不断发展,荷载达极限荷载的300kN左右时,
压区柱肢中部出现第一条纵向裂缝,随着荷载的
增加,压区混凝土被压碎,剥落.当荷载达到一定
值,纵向钢筋压曲外凸,几乎压区柱肢周边混凝土
被压碎剥落(见图3).'
lO2沈阳建筑大学(自然科学版)第25卷
图3SXDP试件典型破坏
SXXP试件在加载的初期荷载较小时,混凝
土,钢骨及纵筋均处于弹性状态.荷载持续增加荷
载85%左右时,压区柱肢中部出现第一条纵向裂
缝,并迅速出现多条纵向裂缝.随着荷载的增加,
纵向裂缝的宽度和长度迅速增加,压区混凝土被
压碎,剥落.当荷载达到一定值,SXXP一4,SXXP
一
6试件纵向钢筋压曲外凸,几乎压区柱肢周边
混凝土被压碎剥落,试件破坏.整个破坏过程从出
现第一条裂缝到试件破坏极为迅速,并伴有很大
的混凝土劈裂时的"劈啪"声,试件出现裂缝的荷
载与极限破坏荷载非常接近,破
坏没有明显预兆,从外观看属脆性破坏(见图4).
试件达到极限荷载时,拉区横向裂缝为细小的可
视裂缝,在试件达到极限后,试件的承载力下降较
快,试件纵向及横向变形较小.当荷载下降至极限
荷载80%左右时,试验结束,拉区横向最大裂缝
达到2mnl左右.
图4SXXP试件典型破坏
2.2试验现象分析
2.2.1十字形钢骨混凝土异形柱纵向及横向变
形分析
异形柱在双向偏心荷载下的纵向变形曲线如
图5所示.
1
1
1
1
Z
1
耱
挺
位移/mm位移/ram
(a)~-SXDP试件(b)t-SXXP试件
图5十字形钢骨混凝土异形柱纵向变形曲线
在加载初期,其变形基本处于线弹性阶段.荷预兆,属于脆性破坏.
载增加至极限荷载的70%左右时,试件进入屈服随着含钢率的提高,十字形钢骨混凝土异形
阶段,曲线的斜率逐渐变小.在荷载达到极限荷载柱的承载力逐步提高,说明钢骨对承载力具有一
后,SXDP试件变形曲线比较明显的开始进入缓定的影响.试件极限荷载见表1.同时含钢率也影
慢下降阶段.此时,荷载降低缓慢,试件的纵向位响着曲线下降段的下降速率,含钢率高的试件相
移增加很快,呈现出一个明显的塑性变形过程.而比含钢率度较低的试件曲线下降段平缓,说明其
在荷载达到极限荷载后,SXXP试件变形曲线进变形得到了改善.在偏心距的影响下,SXDP试件
入较快的下降阶段,荷载降低较快,试件的纵向位和SXXP试件的极限承载力相差很大.
移增加缓慢,构件在破坏前变形不会急剧增长,但异形柱在双向偏心荷载下的横向变形曲线如
受压区的垂直裂缝不断发展,破坏时没有明显的图6示.
第25卷徐亚丰等:
十字形钢骨混凝土异形柱双向偏心受压试验103
Z
藕
糙
5lO152O25
位移/mm
(a)十SXDP试件
2468101214
位移/ram
(b)十SXXP试件
图6十字形钢骨混凝土异形柱横向变形曲线
由图6可以看出,试件未达到极限荷载之前,现塑性变形,SXDP试件没有达到极限荷载之前,
横向变形较小,在达到极限荷载之后,SXDP试件箍筋应力较大,达到箍筋屈服极限,箍筋破坏,因
横向变形急速增加,构件的侧向挠度明显.而此曲线没有下降段(见图7(a)).SXXP试件达到
SXXP试件横向变形增加缓慢,构件的侧向挠度极限荷载之后,箍筋应力增加较大,曲线开始下
很小.
2.2.2箍筋应变
加载初期箍筋参与受力,应变基本上呈线性
变化,其变形处于弹性阶段.随着荷载的增加,出
降,并达到屈服应变,发挥作用更加明显(见图7
(b)).在钢骨混凝土异形柱中,箍筋的约束作用
很重要,它使被约束混凝土的裂缝宽度有所减小,
还可以使混凝土与钢骨的变形协调一致
1
1
1
1
Z
=芝1
控
图7荷载与箍筋应变关系曲线
2.2.3钢骨架应变
钢骨混凝土异形柱钢骨架是由腹板,翼缘和
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…………
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7—5—3—11357—6—4—2024
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(a)SXDP试件(b)SXXP试件
图8荷载与纵筋应变关系曲线
沈阳建筑大学(自然科学版)第25卷
…1
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(a)SXDP试件
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图9荷载与翼缘应变关系曲线
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(b)SXXP试件
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一
b~4一ZU24O-0-4-2U246
s/10s/10
(a)SXDP试件(b)SXXP试件
图10荷载与腹板应变关系曲线
在偏心距的影响下,SXDP试件的承载力远试件在加载初期,异形柱的纵向钢筋,腹板和翼缘
大于SXXP试件.SXDP试件拉区腹板,翼缘和纵应变均为压应变,其变形基本呈线性变化,反应此
向钢筋相对于压区先屈服.拉区纵向钢筋首先屈时处于弹性阶段.随着荷载的增加,离纵向力较远
服,接着SXDP一4,SXDP一6试件翼缘钢板达到一侧的纵向钢筋,腹板和翼缘应变逐渐减小,说明
屈服,最后SXDP一8翼缘及拉区腹板在达到极限试件在初期受压后,在偏心荷载的影响下,其压应
荷载之后屈服,达到极限荷载之后荷载下降缓慢力渐减小,并向逐渐受拉方向转移.而靠近纵向力
而应变增加迅速,图中曲线下降段比较平缓,最后一侧的纵向钢筋,腹板和翼缘随着压力逐渐增大,
由于受压区混凝土压碎而导致的构件破坏.这种其压应变越来越大,如图8(b),9(b),10(b).
破坏形态在破坏前有明显的预兆(属于延性破
坏),所以SXDP试件破坏属于大偏心破坏.
SXXP试件压区腹板,翼缘和纵向钢筋相对于拉
区先屈服.压区最外排纵向钢筋最先屈服,达到极
限荷载之后,压区翼缘和腹板相继屈服,表现为小
偏心破坏.图中负值为压应变,正值为拉应变.
加载初期,荷载与应变曲线基本上呈线性变
化,其变形处于几何弹性阶段.在双向偏心荷载的
影响下,SXDP试件在离纵向力较近一侧的受压
钢筋,腹板和翼缘一直都是受压状态,离纵向力较
远的外侧的钢筋,腹板和翼缘是受拉状态.随着荷
载的增加,出现塑性变形.拉区在偏心荷载的影响
下先屈服,随后压区屈服,达到极限载荷后荷载开
始缓慢下降,如图8(a),9(a),10(a)所示.SXXP
3结论
(1)钢骨混凝土异形柱钢骨翼缘的存在对其
内部混凝土起到了约束作用.
(2)随着异形柱含钢率的提高,钢骨混凝土
异形柱的承载力也逐步提高.
(3)随着异形柱含钢率的提高,钢骨混凝土
异形柱的变形能力相应增加.
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ExperimentalStudyontheBiaxialEccentricPressureBearing
CapacityofCross—-ShapedSteelReinforcedConcreteColumns
XUYafeng,DIAOXiaozheng,GUOJian,WAⅣGCuicui,LIXiaoli,wAⅣG
Hua
(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,ShenyangChina,110168;2.LiaoningUrbanConstruction
Schoo1.ShenyangChina.110016)
Abstract:
Anewsteelreinforcedconcretespecial—shapedcolumnisdesignedinthispaper.Inordertoget
thefailureprocessandpatternsofthesteelreinforcedconcretespecial—shapedcolumn,thetestsaremadeto
searchthebiaxialeccentricpressurecapacityof6steelreinforcedconcretespecial—shapedcolumns.The
failurecharacteristics,mechanicalbehaviorsofthebiaxialeccentricpressurebeatingcapacityofthecolumns
areanalyzed,suchastheloading—displacement,skeletoncurves,loadbearingcapacity,displacementductili-
ty,theeffectofcarryingcapacityandductilityundersteelratio.Inconclusion,steelreinforcedconcretespe—
cial—shapedcolumnhashighloadbearingcapacityandexcellentductility.Thenewcross—shapedsteelre—
inforcedconcretespecial—shapedcolumncanbeusedinpracticalprojectswidely.
Keywords:
steelreinforcedconcretespecial—shapedcolumn;cross—shapedsection;biaxialeccentricpres—
surecapacity;carryingcapacity;ductility
]一]J1j1J]J1J]j1J1J1JU"
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