板柱节点的破坏形式及改进方法
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2 板柱节点的破坏形式
板柱节点通常有三种破坏形式, 即弯曲破 坏、冲切破坏和锚固破坏。 2 1 弯曲破坏
弯曲破坏是因为塑性铰线的形成而导致的 破坏。板柱节点的弯曲破坏表现为首先在受拉 面出现水平裂缝, 随着荷载的增加, 水平裂缝沿 板面贯通, 裂缝处的钢筋开始屈服; 随着荷载的 继续增加, 钢筋大范围屈服。板柱节点的弯曲 破坏可用混凝土的初裂、钢筋初始屈服和钢筋 普遍屈服三个特定 状态作为界限。在加载 初
在板柱结构体系中对板全长施加预应力的 技术已较成熟, 考虑到经济有效性, 可通过曲线 预应力筋对板柱节点核心区施加预应力来提高 板柱节点的受力性能, 如图 4 所示。
图 4 施加预应力的板柱节点示意图
5结语
本文在已有试验研究的基础上, 分析了板 柱节点的三种破坏形式, 得出了板柱节点发生 弯曲破坏和冲切破坏的临界条件, 同时提出了 几种板柱节点的改善形式。通过对板柱节点的 改善, 使板柱结构在板厚降低的情况下, 板柱节 点的受力性能却不降低。采用板柱节点的改善 形式, 可使板柱结构的应用前景更加广阔。
F tsi = Fbi ! cos( !i )
( 2)
且 V co ne = F tsi ! tan( !i ) i
= 4 2 i A s if si tan( !i )
( 3)
式中 A si 第 i 对钢筋的截面积;
Leabharlann Baidu
f si 第 i 对钢筋的屈服强度;
F tsi 第 i 对钢筋的拉力;
Fbi 对应于第 i 对钢筋的混凝土斜
第 15 卷 第 6 期
建 筑 科 学 BU ILDING SCIENCE
1999 年
板柱节点的破坏形式及改进方法
许清风 蒋永生 梁书亭 ( 东南大学土木工程学院 南京 210096)
王安华 ( 南通市规划设计院)
摘 要 本文通过对已有板柱节点试验结果的总结, 得出了板柱节点的破坏形式包括冲 切破坏、弯 曲破 坏和锚固破坏, 分析了板柱节点发生各种破坏 的条件, 列举 了几种 改善后的 节点形 式, 对 研究和 设 计有一定的借鉴作用。
5 Gardn er, N . , X iao- yun Shao. , Punching Shear of Cont in uous Flat R einforced Concret e Slabs, A CI St ruct ural Jour nal, M ar- A pr. 1996( pp. 218~ 228)
2 M enet rey, P. , Relationships betw een Flexural an d Punch ing Failure, A CI St ruct ure Journal, Jul. - Aug. 1998( pp. 412~ 419)
3 M arzouk, H. , Emam, M . , Hilal, M . , Eff ect of High St rengt h Concret e Slab on t he Behavior of Slab - Column Connect ions, A CI St ructure Journal, M ay. - Jun. 1998 ( pp. 227~ 237)
压杆的斜压力;
!i 第 i 对钢筋与柱边所成的角度,
!0 # !i < 90∃, 大量 试验 结果表
明, !0= 30∃。
3 板柱节点发生冲切破坏和弯曲破坏 的临界条件
通过试验研究[ 2] 可知, 只有在节点核心区
有较高的配筋率时, 才会形成冲切锥体, 同时配 筋的位置对冲切锥体的形成也有较大影响。也
就是说, 当配筋不足时, 冲切锥体将无法形成,
板柱节点将只会发生弯曲破坏。即板柱节点发
生冲切破坏的条件为板柱节点的冲切锥体内部
强度 V cone大于其冲切强度 V p。 板柱节点冲切锥体的内部强度可以通过拉
压杆理论由力的矢量合成来求得, 如图 1 所示。
2
V=
(
i
0
( Fbi ! ri ) d
i ∀ sin( !i ) )
( 4) 而对于一般的板柱节点, 其 !0 取为 30∃, 则式 ( 4) 可简化为
V fa =
V p+
( Vfl -
V p) { sin(
3 2
!-
4 ) } 1/ 2
式中 V fa Vp
( 5) 板柱节点的破坏强度; 板柱节点的冲切破坏强度( 可根
据文献 [ 6] 给出的方法求得, 作 者将在另文对此进行专 门论 述) ; V f l 板柱节点的弯曲破坏强度, 可参 照求解双向板极限强度所 使用
490
34∃、53∃
645< 981 8
490
32∃
195> 136 9
490
34∃、53∃
270< 438 2
破坏形式
冲切破坏 冲切破坏 弯曲破坏 冲切破坏
把由公式( 3) 计算所得的 V cone与试验所得 的破坏强度 V fa进行比较, 当 V cone大于 V fa时,
22
板柱节点发生冲切破坏; 当 V cone小于 V fa时, 板 柱节点发生弯曲破坏。必须指出的是, 在使用
板柱节点弯曲破坏的荷载 位移曲线的下
降段较为平缓, 荷载 位移曲线所包围的面积 即节点的耗能能力相应较大, 节点破坏时的变 形也相应较大, 节点的延性相对较好, 为有预兆 的延性破坏。
2 2 冲切破坏 与弯曲破坏相比, 冲切破坏试件受拉面的
裂缝均较细, 径向裂缝较多, 但没有明显的主 裂缝。冲切破坏发生在屈服线形成以前, 即在 钢筋还未屈服时就已破坏, 故挠度较小, 破坏 呈明显脆性。这种破坏表现为柱头连同截锥体
期, 板柱节点处于弹性阶段, 随着荷载的增加, 在柱边出现裂缝且不断向板角和板边发展, 应 变和挠度的增长加速, 钢筋开始屈服; 随着荷载 进一步的增加, 虽然新裂缝较少出现, 但原有裂 缝的缝宽加大, 变形集中加剧, 柱边主裂缝处的 钢筋率先达到流限, 远离柱边的钢筋也达到屈 服; 当与主裂缝相交的钢筋普遍达到屈服, 塑性 铰线形成后, 板柱节点发生弯曲破坏[ 7] 。
式( 3) 进行板柱节点破坏形式的判别时, 应注意 式( 1) 的限制条件, 即当板柱节点的配筋较多或 配筋与柱边所成的角度 ! 较大, 在不能保证拉 压杆理论中 斜压 杆的 压力 时, 对 板柱 节点 的 V cone应进行 折减。这也从 另一个侧面说 明了 板柱节点的破坏形式和混凝土的强度有关。用 文献[ 4] 的试验数 据验证式 ( 3) , 结果见 表 1。 表 1 的结论与试验结果一致。由式( 3) 可知, 板 柱节点的配筋量和配筋位置对其破坏形式均起 着重要作用, 因为冲切 斜裂缝与之 密切相关。 对于单肢钢筋而言, 随着钢筋的位置越靠近柱 的轴心, 越易发生弯曲破坏。根据文献[ 2] 的分 析结果, 板柱节点的破坏强度可由下式求得:
参考文献
1 M arzouk, H. , Emam, M . , Hilal, M . , Eff ect of High St rengt h Concret e Column on th e Behavior of SlabColumn Connect ions, AC I St ructure Journal, S ep. - Oct . 1996( pp. 545~ 554)
关键词 板柱节点 冲切破坏 弯曲破坏 破坏条件
1前言
平板结构因其具有结构体系简单、传力路 径简捷、节约净高等优点, 近年来, 得到了广泛 的应用。但这类结构对冲切破坏比较敏感, 而 冲切破坏是发生在局限于集中力作用区域附近 的剪切型破坏, 对于板柱节点而言, 冲切破坏发 生在靠近柱边的板域内。冲切破坏是带有严重 灾难性后果的无征兆的脆性破坏, 在实际工程 中应予避免。本文在已有文献[ 1~ 6] 的基础上, 分析了板柱节点发生弯曲破坏和冲切破坏的条 件, 并提出几种改进的节点形式。
6 M enet rey, P. , A nalyt ical Computation of the Punching St rengt h of Reinf orced Concret e, A CI St ructure Journal, Sep- Oct . 1996( pp. 503~ 511)
4 M arzouk, H. , Hussein, A. , Experiment al Investigat ion on t he Behavior of High - St rength Concret e S labs, A CI St ruct ure Journal, N ov- D ec. 1991( pp. 701~ 713)
7 周朝阳, 冲切与弯曲和剪切的比较分析, 工程力学增 刊, 1997( pp. 391~ 394)
8 Hammill, N . , Ghal i, A . , Punching Shear Resist ance of Cor ner Slab- Column Connect ions, A CI St ructure Journal, Nov - Dec. 1994( pp. 697~ 707)
国外通常是在板柱节点区域加设发散型的
图 3 加设型钢的板柱节点示意图
CRC 是 80 年代由丹麦研制的一种在混凝 土中加置双向密布变形 钢筋的% 密筋混凝 土& ( Compact Reinforced Concret e) 。在板柱节点处
23
采用 CRC 可提高节点的受力性能。由于板柱 节点的截面较小, 应同时考虑结构的可施工性, 并必须注意钢筋的位置布置。 4 3 在板柱节点处施加预应力
陡峭, 承 载力下降幅度 大, 节点的 耗能能力 较 小。破坏时节点的位移较小, 为没有预兆的脆 性破坏。
根据冲切破坏耗能能力的大小, 又可将其 分为纯冲切破坏和延性冲切破坏[ 5] 。
2 3 锚固破坏 锚固破坏指在竖向荷载作用下, 板柱节点
中的钢筋发生滑移, 导致钢筋和混凝土之间的 粘结失效, 严重时可导致钢筋从混凝土中拔出。 锚固破坏可通过构造措施来加以避免, 同时高 强混凝土的应用也可克服这种破坏[ 3] 。
9 M egally, S . , G hali, A . , D esign Considerat ions for S lab Column Connect ions in Seismic Zones, A CI St ructure Jour nal , M ay- Jun. 1994( pp. 303~ 314)
的塑性铰线法求得。
图 2 加设受冲切锚栓示意图
4 2 在板柱节点处加设型钢或采用 CRC 在板柱节点的核心区加设型钢, 可以提高
节点的受力性能和抗震性能。型钢采用经过加 工的双向工字钢, 其长度由计算确定, 如图 3 所 示。
4 改善节点的形式
为了满足抗震设计中% 强柱弱梁、加强核心 区&的原则, 同时板柱体系必须考虑适当降低板 厚以节约空间和建材, 可以采用经过改善的节 点形式, 如在节点处加设抗剪连接件、在节点处 加设型钢或采用 CRC 以及在节点处施加预应 力等。 4 1 在板柱节点处加设受冲切锚栓
受冲切锚 栓[ 8~ 9] 。这种锚 栓一端 镦成 直径扩 大的半球型, 另一端锚固在钢条上以固定锚栓 在结构中应处的准确位置。受冲切锚栓可明显 提高板柱节点的受力性能, 其示意图如图 2 所 示。现国内已开始进行类似的试验研究[ 10] 。
V fa = V p + ( V f l - V p) { sin[ - 2 !0( !- !0) ] } 1/ 2
突然从板中冲出, 板的受拉面形成一圈撕开状 裂痕, 与此同时, 荷载骤降, 挠度猛增。相对 于弯曲破坏, 冲切破坏是一种近柱板域的局部 破坏[ 5] 。
冲切破坏的荷载 位移曲线的上升段, 一 般可用两段斜率不同的折线来表示, 第 1 段斜 率为板柱节点未开裂时的刚度; 第 2 段大约从
21
0 2 V f ( V f 为板柱节点的破坏荷载) 开始, 其斜 率约为第 1 段折线斜率的四分之一[ 5] 。冲切破 坏的板柱节点的荷载 位移曲线的下降段较为
( 1)
图 1 板柱节点核心区力的分解示意图
板编号
HS 3 HS 10 HS 11 HS 13
钢筋面积 ( mm2)
79 177 79 79
表 1 板柱节点 破坏形式判别表
钢筋屈服强度
!1
( M Pa)
( 度)
V fa il ( kN)
V cone ( kN)
490
34∃、53∃
360< 438 5
板柱节点通常有三种破坏形式, 即弯曲破 坏、冲切破坏和锚固破坏。 2 1 弯曲破坏
弯曲破坏是因为塑性铰线的形成而导致的 破坏。板柱节点的弯曲破坏表现为首先在受拉 面出现水平裂缝, 随着荷载的增加, 水平裂缝沿 板面贯通, 裂缝处的钢筋开始屈服; 随着荷载的 继续增加, 钢筋大范围屈服。板柱节点的弯曲 破坏可用混凝土的初裂、钢筋初始屈服和钢筋 普遍屈服三个特定 状态作为界限。在加载 初
在板柱结构体系中对板全长施加预应力的 技术已较成熟, 考虑到经济有效性, 可通过曲线 预应力筋对板柱节点核心区施加预应力来提高 板柱节点的受力性能, 如图 4 所示。
图 4 施加预应力的板柱节点示意图
5结语
本文在已有试验研究的基础上, 分析了板 柱节点的三种破坏形式, 得出了板柱节点发生 弯曲破坏和冲切破坏的临界条件, 同时提出了 几种板柱节点的改善形式。通过对板柱节点的 改善, 使板柱结构在板厚降低的情况下, 板柱节 点的受力性能却不降低。采用板柱节点的改善 形式, 可使板柱结构的应用前景更加广阔。
F tsi = Fbi ! cos( !i )
( 2)
且 V co ne = F tsi ! tan( !i ) i
= 4 2 i A s if si tan( !i )
( 3)
式中 A si 第 i 对钢筋的截面积;
Leabharlann Baidu
f si 第 i 对钢筋的屈服强度;
F tsi 第 i 对钢筋的拉力;
Fbi 对应于第 i 对钢筋的混凝土斜
第 15 卷 第 6 期
建 筑 科 学 BU ILDING SCIENCE
1999 年
板柱节点的破坏形式及改进方法
许清风 蒋永生 梁书亭 ( 东南大学土木工程学院 南京 210096)
王安华 ( 南通市规划设计院)
摘 要 本文通过对已有板柱节点试验结果的总结, 得出了板柱节点的破坏形式包括冲 切破坏、弯 曲破 坏和锚固破坏, 分析了板柱节点发生各种破坏 的条件, 列举 了几种 改善后的 节点形 式, 对 研究和 设 计有一定的借鉴作用。
5 Gardn er, N . , X iao- yun Shao. , Punching Shear of Cont in uous Flat R einforced Concret e Slabs, A CI St ruct ural Jour nal, M ar- A pr. 1996( pp. 218~ 228)
2 M enet rey, P. , Relationships betw een Flexural an d Punch ing Failure, A CI St ruct ure Journal, Jul. - Aug. 1998( pp. 412~ 419)
3 M arzouk, H. , Emam, M . , Hilal, M . , Eff ect of High St rengt h Concret e Slab on t he Behavior of Slab - Column Connect ions, A CI St ructure Journal, M ay. - Jun. 1998 ( pp. 227~ 237)
压杆的斜压力;
!i 第 i 对钢筋与柱边所成的角度,
!0 # !i < 90∃, 大量 试验 结果表
明, !0= 30∃。
3 板柱节点发生冲切破坏和弯曲破坏 的临界条件
通过试验研究[ 2] 可知, 只有在节点核心区
有较高的配筋率时, 才会形成冲切锥体, 同时配 筋的位置对冲切锥体的形成也有较大影响。也
就是说, 当配筋不足时, 冲切锥体将无法形成,
板柱节点将只会发生弯曲破坏。即板柱节点发
生冲切破坏的条件为板柱节点的冲切锥体内部
强度 V cone大于其冲切强度 V p。 板柱节点冲切锥体的内部强度可以通过拉
压杆理论由力的矢量合成来求得, 如图 1 所示。
2
V=
(
i
0
( Fbi ! ri ) d
i ∀ sin( !i ) )
( 4) 而对于一般的板柱节点, 其 !0 取为 30∃, 则式 ( 4) 可简化为
V fa =
V p+
( Vfl -
V p) { sin(
3 2
!-
4 ) } 1/ 2
式中 V fa Vp
( 5) 板柱节点的破坏强度; 板柱节点的冲切破坏强度( 可根
据文献 [ 6] 给出的方法求得, 作 者将在另文对此进行专 门论 述) ; V f l 板柱节点的弯曲破坏强度, 可参 照求解双向板极限强度所 使用
490
34∃、53∃
645< 981 8
490
32∃
195> 136 9
490
34∃、53∃
270< 438 2
破坏形式
冲切破坏 冲切破坏 弯曲破坏 冲切破坏
把由公式( 3) 计算所得的 V cone与试验所得 的破坏强度 V fa进行比较, 当 V cone大于 V fa时,
22
板柱节点发生冲切破坏; 当 V cone小于 V fa时, 板 柱节点发生弯曲破坏。必须指出的是, 在使用
板柱节点弯曲破坏的荷载 位移曲线的下
降段较为平缓, 荷载 位移曲线所包围的面积 即节点的耗能能力相应较大, 节点破坏时的变 形也相应较大, 节点的延性相对较好, 为有预兆 的延性破坏。
2 2 冲切破坏 与弯曲破坏相比, 冲切破坏试件受拉面的
裂缝均较细, 径向裂缝较多, 但没有明显的主 裂缝。冲切破坏发生在屈服线形成以前, 即在 钢筋还未屈服时就已破坏, 故挠度较小, 破坏 呈明显脆性。这种破坏表现为柱头连同截锥体
期, 板柱节点处于弹性阶段, 随着荷载的增加, 在柱边出现裂缝且不断向板角和板边发展, 应 变和挠度的增长加速, 钢筋开始屈服; 随着荷载 进一步的增加, 虽然新裂缝较少出现, 但原有裂 缝的缝宽加大, 变形集中加剧, 柱边主裂缝处的 钢筋率先达到流限, 远离柱边的钢筋也达到屈 服; 当与主裂缝相交的钢筋普遍达到屈服, 塑性 铰线形成后, 板柱节点发生弯曲破坏[ 7] 。
式( 3) 进行板柱节点破坏形式的判别时, 应注意 式( 1) 的限制条件, 即当板柱节点的配筋较多或 配筋与柱边所成的角度 ! 较大, 在不能保证拉 压杆理论中 斜压 杆的 压力 时, 对 板柱 节点 的 V cone应进行 折减。这也从 另一个侧面说 明了 板柱节点的破坏形式和混凝土的强度有关。用 文献[ 4] 的试验数 据验证式 ( 3) , 结果见 表 1。 表 1 的结论与试验结果一致。由式( 3) 可知, 板 柱节点的配筋量和配筋位置对其破坏形式均起 着重要作用, 因为冲切 斜裂缝与之 密切相关。 对于单肢钢筋而言, 随着钢筋的位置越靠近柱 的轴心, 越易发生弯曲破坏。根据文献[ 2] 的分 析结果, 板柱节点的破坏强度可由下式求得:
参考文献
1 M arzouk, H. , Emam, M . , Hilal, M . , Eff ect of High St rengt h Concret e Column on th e Behavior of SlabColumn Connect ions, AC I St ructure Journal, S ep. - Oct . 1996( pp. 545~ 554)
关键词 板柱节点 冲切破坏 弯曲破坏 破坏条件
1前言
平板结构因其具有结构体系简单、传力路 径简捷、节约净高等优点, 近年来, 得到了广泛 的应用。但这类结构对冲切破坏比较敏感, 而 冲切破坏是发生在局限于集中力作用区域附近 的剪切型破坏, 对于板柱节点而言, 冲切破坏发 生在靠近柱边的板域内。冲切破坏是带有严重 灾难性后果的无征兆的脆性破坏, 在实际工程 中应予避免。本文在已有文献[ 1~ 6] 的基础上, 分析了板柱节点发生弯曲破坏和冲切破坏的条 件, 并提出几种改进的节点形式。
6 M enet rey, P. , A nalyt ical Computation of the Punching St rengt h of Reinf orced Concret e, A CI St ructure Journal, Sep- Oct . 1996( pp. 503~ 511)
4 M arzouk, H. , Hussein, A. , Experiment al Investigat ion on t he Behavior of High - St rength Concret e S labs, A CI St ruct ure Journal, N ov- D ec. 1991( pp. 701~ 713)
7 周朝阳, 冲切与弯曲和剪切的比较分析, 工程力学增 刊, 1997( pp. 391~ 394)
8 Hammill, N . , Ghal i, A . , Punching Shear Resist ance of Cor ner Slab- Column Connect ions, A CI St ructure Journal, Nov - Dec. 1994( pp. 697~ 707)
国外通常是在板柱节点区域加设发散型的
图 3 加设型钢的板柱节点示意图
CRC 是 80 年代由丹麦研制的一种在混凝 土中加置双向密布变形 钢筋的% 密筋混凝 土& ( Compact Reinforced Concret e) 。在板柱节点处
23
采用 CRC 可提高节点的受力性能。由于板柱 节点的截面较小, 应同时考虑结构的可施工性, 并必须注意钢筋的位置布置。 4 3 在板柱节点处施加预应力
陡峭, 承 载力下降幅度 大, 节点的 耗能能力 较 小。破坏时节点的位移较小, 为没有预兆的脆 性破坏。
根据冲切破坏耗能能力的大小, 又可将其 分为纯冲切破坏和延性冲切破坏[ 5] 。
2 3 锚固破坏 锚固破坏指在竖向荷载作用下, 板柱节点
中的钢筋发生滑移, 导致钢筋和混凝土之间的 粘结失效, 严重时可导致钢筋从混凝土中拔出。 锚固破坏可通过构造措施来加以避免, 同时高 强混凝土的应用也可克服这种破坏[ 3] 。
9 M egally, S . , G hali, A . , D esign Considerat ions for S lab Column Connect ions in Seismic Zones, A CI St ructure Jour nal , M ay- Jun. 1994( pp. 303~ 314)
的塑性铰线法求得。
图 2 加设受冲切锚栓示意图
4 2 在板柱节点处加设型钢或采用 CRC 在板柱节点的核心区加设型钢, 可以提高
节点的受力性能和抗震性能。型钢采用经过加 工的双向工字钢, 其长度由计算确定, 如图 3 所 示。
4 改善节点的形式
为了满足抗震设计中% 强柱弱梁、加强核心 区&的原则, 同时板柱体系必须考虑适当降低板 厚以节约空间和建材, 可以采用经过改善的节 点形式, 如在节点处加设抗剪连接件、在节点处 加设型钢或采用 CRC 以及在节点处施加预应 力等。 4 1 在板柱节点处加设受冲切锚栓
受冲切锚 栓[ 8~ 9] 。这种锚 栓一端 镦成 直径扩 大的半球型, 另一端锚固在钢条上以固定锚栓 在结构中应处的准确位置。受冲切锚栓可明显 提高板柱节点的受力性能, 其示意图如图 2 所 示。现国内已开始进行类似的试验研究[ 10] 。
V fa = V p + ( V f l - V p) { sin[ - 2 !0( !- !0) ] } 1/ 2
突然从板中冲出, 板的受拉面形成一圈撕开状 裂痕, 与此同时, 荷载骤降, 挠度猛增。相对 于弯曲破坏, 冲切破坏是一种近柱板域的局部 破坏[ 5] 。
冲切破坏的荷载 位移曲线的上升段, 一 般可用两段斜率不同的折线来表示, 第 1 段斜 率为板柱节点未开裂时的刚度; 第 2 段大约从
21
0 2 V f ( V f 为板柱节点的破坏荷载) 开始, 其斜 率约为第 1 段折线斜率的四分之一[ 5] 。冲切破 坏的板柱节点的荷载 位移曲线的下降段较为
( 1)
图 1 板柱节点核心区力的分解示意图
板编号
HS 3 HS 10 HS 11 HS 13
钢筋面积 ( mm2)
79 177 79 79
表 1 板柱节点 破坏形式判别表
钢筋屈服强度
!1
( M Pa)
( 度)
V fa il ( kN)
V cone ( kN)
490
34∃、53∃
360< 438 5