黃 強(qiáng)，付瑞佳，李 林，傅劍平

（1.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045；2.建研科技股份有限公司，北京100013；3.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610041）

板柱結(jié)構(gòu)是由柱和支撐在柱上的不帶梁的板所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。通常在荷載比較小并且跨度也不大的情況下可以采用這種結(jié)構(gòu)形式。采用板柱結(jié)構(gòu)可降低建筑物的總高，降低建筑物的造價(jià)，增加經(jīng)濟(jì)效益；并且在施工時(shí)，模板安置簡(jiǎn)單，鋼筋綁扎方便，可以加快施工進(jìn)度，因此板柱結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到人們的青睞。但是在板柱節(jié)點(diǎn)的連接區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力，板柱連接區(qū)容易發(fā)生脆性的沖切破壞，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌［1］，其次在使用荷載下，板容易在柱子周?chē)a(chǎn)生寬度較大的裂縫，這些裂縫將會(huì)導(dǎo)致板柱連接區(qū)剛度的進(jìn)一步降低和板過(guò)大的變形；另外，板柱結(jié)構(gòu)的樓板厚度比一般框架或剪力墻結(jié)構(gòu)的樓板都要大，從抗震的角度來(lái)考慮，樓板的自重大，使得本來(lái)側(cè)向剛度就比較弱的板柱結(jié)構(gòu)體系更不利。試驗(yàn)研究結(jié)果證明，在剪力和不平衡彎矩的共同作用下，板柱連接區(qū)可能發(fā)生兩種破壞形態(tài)：彎曲破壞和沖切破壞。板柱連接區(qū)具有典型的彎剪扭共同作用的三維受力特點(diǎn)，受力分析非常復(fù)雜，到現(xiàn)在為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)連接區(qū)的不同破壞形態(tài)和傳力機(jī)理還沒(méi)有得到比較一致的認(rèn)識(shí)，計(jì)算方法也不是很完善。因此有必要進(jìn)行更深入的試驗(yàn)研究和理論分析。此外，雖然近年來(lái)對(duì)混凝土板柱結(jié)構(gòu)已有許多研究，但大多數(shù)集中在內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)，而忽視了邊、角柱節(jié)點(diǎn)的研究。因此，本文在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上［2－12］，進(jìn)行了3個(gè)板柱邊節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)研究［13］，其中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)采用了抗沖切螺栓，考察了試件的滯回曲線、裂縫開(kāi)展情況、各層間位移角下的鋼筋應(yīng)變分布、板柱連接區(qū)的破壞過(guò)程等內(nèi)容，并進(jìn)一步探討沖切錨栓對(duì)板柱連接區(qū)的強(qiáng)度、側(cè)向剛度、延性和側(cè)向變形能力的影響，運(yùn)用通用有限元程序ABAQUS對(duì)本次試驗(yàn)的三個(gè)構(gòu)件進(jìn)行模擬，對(duì)模擬得到的裂縫分布、鋼筋應(yīng)變和荷載位移曲線與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 原型試件

為敘述方便，用BZ1、BZ2、BZ3對(duì)此次試驗(yàn)中的構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)。所有3個(gè)構(gòu)件的柱截面尺寸、柱子高度、板厚、板的尺寸、板的縱筋的配置情況完全一樣，見(jiàn)圖1；試件BZ2、BZ3配置的抗沖切螺栓及間距見(jiàn)圖2（a）、（b），螺栓直徑為8mm，長(zhǎng)110mm；BZ1沒(méi)有配置抗沖切螺栓。各試件配筋見(jiàn)表1。

圖1 試件設(shè)計(jì)詳圖

圖2 抗沖切錨栓布置圖

表1 各試件的配筋表

試驗(yàn)主要研究板柱邊節(jié)點(diǎn)在自重和水平荷載共同作用下的受力性能。水平力通過(guò)作用在板邊的作動(dòng)器施加的豎向力來(lái)實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)采用逐級(jí)對(duì)稱反復(fù)加載的加載制度，并以位移進(jìn)行控制。試驗(yàn)加載裝置圖如圖3所示。試驗(yàn)進(jìn)行到后期，需要對(duì)試件何時(shí)失效作出判斷，試驗(yàn)采用以下規(guī)定：當(dāng)試件突然發(fā)生沖切破壞或者最大承載力下降到包絡(luò)線最大值的85%以下時(shí)，即可終止試驗(yàn)，并認(rèn)為此時(shí)試件發(fā)生破壞。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

3個(gè)構(gòu)件的試驗(yàn)方法、幾何尺寸、板的鋼筋分布都一樣，因此破壞形態(tài)的差異主要是由錨栓的布置引起的。從裂縫的角度看，沒(méi)有配置錨栓的BZ1，在板的自由面上的斜裂縫數(shù)量少，但是寬度大，而配置了錨栓的BZ2和BZ5板自由面上的裂縫數(shù)量相對(duì)較多，裂縫的寬度相對(duì)較小。3個(gè)構(gòu)件相同的是，裂縫都是在柱邊附近的板上首先出現(xiàn)裂縫，然后再向外擴(kuò)展延伸，最終的裂縫模式都是柱兩側(cè)邊的板面產(chǎn)生斜向的扭轉(zhuǎn)裂縫，柱正面的板面產(chǎn)生大量徑向裂縫，圍繞柱子存在環(huán)向裂縫。從破壞荷載的角度看，配置了較多數(shù)量錨栓的BZ5的最大受壓承載力是77kN，最大受拉承載力是101kN，配置了較少數(shù)量錨栓的BZ2的最大受壓承載力是66.7kN，最大受拉承載力是90kN，沒(méi)有配置錨栓的BZ1的最大受壓承載力是64kN，最大受拉承載力是81kN?？梢?jiàn)，錨栓的配置明顯地提高了構(gòu)件的承載能力，而且在一定范圍內(nèi)，承載能力隨著錨栓配置量的增多而增大。從層間變形能力方面來(lái)看，未配置錨栓的BZ1到達(dá)最大受壓承載力時(shí)層間位移角是0.9%，承載力下降至峰值的85%時(shí)層間位移角是1.5%；配置較少數(shù)量錨栓的BZ2到達(dá)最大受壓承載力是層間位移是1.2%，承載力下降至峰值的85%時(shí)層間位移角是3.9%；配置較多數(shù)量錨栓的BZ5到達(dá)最大受壓承載力時(shí)層間位移是1.5%，承載力下降至峰值的85%時(shí)層間位移角是4.3%。由此可見(jiàn)，錨栓明顯提高了構(gòu)件的層間變形能力。

2.2 滯回曲線

圖4給出了3個(gè)試件的“板邊荷載 位移”滯回曲線對(duì)比圖。從圖中不難看出，3個(gè)試件均經(jīng)歷了混凝土開(kāi)裂前的彈性階段、承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度前的非線性階段以及下降段。3個(gè)試件的滯回曲線都不是很飽滿，說(shuō)明板柱邊節(jié)點(diǎn)的耗能性能不是很好；另外由圖4還可知，配置了錨栓的BZ2和BZ5試件，其承載力和層間變形能力均高于未配置錨栓的BZ1試件。

2.3 延性及變形能力

圖4 各試件的P－Δ滯回曲線

延性是反映結(jié)構(gòu)塑性變形能力、衡量結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性一般采用延性系數(shù)來(lái)表示，延性系數(shù)的定義是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最大變形與屈服變形的比值，它可以用位移、轉(zhuǎn)角和曲率的比值來(lái)表示，3個(gè)試件的延性評(píng)價(jià)以位移延性系數(shù)作為指標(biāo)，其中屈服位移的確定參照了Robert Park［14］給出的“基于等效耗能能力”計(jì)算模式。3個(gè)試件的延性特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 延性特征參數(shù)

從上表可以看出，沒(méi)有配置錨栓的位移延性系數(shù)較小，配置了錨栓的BZ2和BZ5的位移延性系數(shù)則顯著提高。

3 有限元分析

采用大型通用商業(yè)軟件ABAQUS進(jìn)行有限元分析。混凝土本構(gòu)模型采用考慮了塑性損傷的規(guī)范單軸應(yīng)力-應(yīng)變模型［15］；鋼筋則采用彈塑性加硬化的三折線模型?；炷僚c鋼筋的粘結(jié)滑移則通過(guò)延長(zhǎng)受拉軟化曲線、簡(jiǎn)單近似考慮鋼筋和混凝土之間界面效應(yīng)的方式予以考慮，認(rèn)為混凝土開(kāi)裂后應(yīng)力并未完全釋放，仍有一部分抗拉能力，從而模擬鋼筋在混凝土單元裂縫間荷載傳遞?；炷敛糠植捎萌S實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬，鋼筋則采用三維二節(jié)點(diǎn)線性桁架單元T3D2來(lái)模擬。將程序計(jì)算得到的骨架曲線與通過(guò)試驗(yàn)獲得的骨架曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

從上圖可以看出，程序計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在骨架曲線的上升階段符合得較好；而到了下降段，由于試件產(chǎn)生了較寬裂縫，鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移比較嚴(yán)重，程序考慮粘結(jié)滑移的方式不能較好地處理該問(wèn)題，因此兩者的下降段曲線有一定的差異。

圖5 試驗(yàn)與計(jì)算的荷載 位移曲線對(duì)比

通過(guò)對(duì)比程序受拉損傷云圖與試件裂縫分布圖，發(fā)現(xiàn)兩者趨勢(shì)基本一致，即靠近柱子的周?chē)?，損傷情況比較嚴(yán)重，該處也是裂縫集中開(kāi)展的部位；通過(guò)對(duì)比程序鋼筋應(yīng)變分布圖與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近柱子的鋼筋、錨栓，應(yīng)變均較大，而遠(yuǎn)離柱子的鋼筋或錨栓，應(yīng)變則較小。

4 結(jié) 論

1）配置抗沖切錨栓，可以顯著提高板柱邊節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形能力以及抗震性能，在一定范圍內(nèi)，板柱邊節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形能力和抗震性能隨著配置抗沖切錨栓數(shù)量的增多而提高。

2）板柱邊節(jié)點(diǎn)的自由邊靠近柱子處是薄弱部位，該部位很容易產(chǎn)生貫通的交叉斜裂縫，從而降低構(gòu)件的承載力和抗震性能，該部位應(yīng)該采取一定的措施加強(qiáng)。

3）2個(gè)配置抗沖切錨栓的板柱邊節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限荷載時(shí)的最小層間位移角為3／200，滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的限值要求；配置錨栓的兩個(gè)試件延性為3.7～5.3，達(dá)到了中等延性水平。

［1］Tian Y.The dissertation behavior and modeling of reinforced concrete slab－column connections［D］.Austin：The University of Texas at Austin，2007.

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