鄭浩成，劉 凡

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

在土木工程中，因箱型截面構(gòu)件具有抗彎承載力大、抗扭剛度大等特點(diǎn)，所以其結(jié)構(gòu)性能很好，在施工中得到廣泛地應(yīng)用[1]。但是由于箱型截面構(gòu)件翼緣板的剪切變形，使近肋板處的縱向位移優(yōu)先于翼緣板中間的縱向位移，從而使得沿截面橫向分布的受力相當(dāng)復(fù)雜，這就產(chǎn)生了剪力滯效應(yīng)。

為了研究剪力滯效應(yīng)，需引入剪力滯系數(shù)λ，λ定義為考慮剪力滯效應(yīng)求得的正應(yīng)力與按彎曲梁初等梁理論求得的正應(yīng)力之比，即（σ為考慮剪力滯所得的正應(yīng)力，σ取彎曲平均應(yīng)力）[2-4]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，忽視剪力滯效應(yīng)將低估箱型構(gòu)件實(shí)際的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全[5]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了許多模擬分析及理論研究[6-7]，但是針對(duì)剪力滯效應(yīng)對(duì)箱型柱的影響的研究還相對(duì)較少。本文通過對(duì)鋼筋混凝土箱型柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究截面壁厚比變化對(duì)箱型壓彎構(gòu)件的剪力滯的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

為探究截面壁厚比對(duì)剪力滯的影響規(guī)律[8]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)箱型柱試件（RCBC-1與RCBC-4）進(jìn)行試驗(yàn)。試件的截面尺寸與配筋如圖1所示，基本參數(shù)如表1所列。

圖1 截面尺寸與配筋

表1 試件基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

通過測試箱型截面構(gòu)件各截面在混凝土開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后（極限荷載之前）的縱向應(yīng)力分布，研究壁厚比對(duì)箱型截面壓彎構(gòu)件剪力滯的影響。

本試驗(yàn)內(nèi)容包括對(duì)各測點(diǎn)的應(yīng)變及加載點(diǎn)位移測試，測量各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變及加載點(diǎn)的位移，并觀察構(gòu)件裂縫的發(fā)展趨勢，記錄各階段所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.3 測點(diǎn)布置

在試件固端截面位置的鋼筋表面粘貼應(yīng)變片，用以記錄鋼筋應(yīng)力變化情況，圖2所示為固端截面應(yīng)變片位置分布圖；另外，在相應(yīng)部位的肋板側(cè)布置4個(gè)位移計(jì)，將位移計(jì)固定在基座上，測量得到的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)的凈位移。

圖2 應(yīng)變片分布圖

1.4 加載方案

單向擬靜力試驗(yàn)所使用的設(shè)備為四連桿。水平荷載加載前，按設(shè)計(jì)軸壓比計(jì)算豎向恒載（2個(gè)設(shè)計(jì)試件均為0.1）；并按恒載的50%進(jìn)行預(yù)加載，循環(huán)兩次后，對(duì)試件的豎直方向緩慢加載至豎向恒載的100%。水平荷載的加載采用荷載-位移控制的方法為：試件開裂前按20 kN/40 s逐級(jí)加載，開裂后按10 kN/20 s逐級(jí)加載，并循環(huán)三次直至屈服；屈服后按屈服位移的0.2倍逐級(jí)加載，當(dāng)極限承載力下降10%～15%時(shí)，對(duì)試件停止加載。加載設(shè)備和加載制度如圖3-4所示。

圖3 加載設(shè)備正面圖

圖4 加載制度示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 確定荷載-位移關(guān)系曲線

為了研究構(gòu)件在低周往復(fù)荷載下從屈服到破壞的剪力滯變化，繪制了試件RCBC-1、RCBC-4的荷載-位移曲線，見圖5。由圖5可知，RCBC-1荷載達(dá)到60 kN時(shí)出現(xiàn)裂縫，位移達(dá)到35 mm時(shí)鋼筋屈服；RCBC-4荷載達(dá)到80 kN時(shí)出現(xiàn)裂縫，位移達(dá)到40 mm時(shí)鋼筋屈服。

圖5 荷載-位移曲線

2.2 壁厚比對(duì)剪力滯系數(shù)的影響

將選取構(gòu)件在峰值荷載點(diǎn)和極限位移點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析，通過保持兩個(gè)箱型柱構(gòu)件RCBC-1和RCBC-4的其他條件相同而改變壁厚比的大小，來分析不同階段軸壓比對(duì)各截面剪力滯的影響，各階段受壓區(qū)、受拉區(qū)不同壁厚比造成的剪力滯系數(shù)變化如圖6-11所示。

（1）混凝土開裂前（見圖6-7）。在固端截面受壓區(qū)，當(dāng)壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交接處的剪力滯系數(shù)為1.151，且為最大正剪力滯系數(shù)；遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為0.829，為最小負(fù)剪力滯系數(shù)。當(dāng)縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端邊緣剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大；與壁厚比為0.35時(shí)相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣剪力滯系數(shù)減小2.9%，翼板中間剪力滯系數(shù)增大4.6%，在混凝土開裂前，即整體工作截面下，壁厚比變化對(duì)翼板中間剪力滯系數(shù)影響較大。

在固端截面受拉區(qū)，當(dāng)壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)為1.191，為最大正剪力滯系數(shù)；遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為0.752，為最小負(fù)剪力滯系數(shù)。當(dāng)壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端邊緣剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大；與壁厚比0.35時(shí)相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣剪力滯系數(shù)減小5.9%，翼板中間剪力滯系數(shù)增大12%。與受壓區(qū)截面相比，翼板邊緣與翼板中間剪力滯系數(shù)變化相對(duì)較大。

圖6 箱型柱固端翼板（受壓）

圖7 箱型柱固端翼板（受拉）

（2）帶裂縫工作階段（見圖8-9）。在固端截面受壓區(qū)，當(dāng)縱橋向壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)為1.240，且為最大正剪力滯系數(shù)；遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為0.780，為最小負(fù)剪力滯系數(shù)。由彈性階段進(jìn)入非彈性階段，當(dāng)縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端邊緣剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大，并且與彈性階段對(duì)比，翼板邊緣剪力滯系數(shù)都有所減小，翼板中間剪力滯系數(shù)有所增大。與壁厚比為0.35時(shí)相比，壁厚比為0.5的試件翼板邊緣鋼筋剪力滯系數(shù)減小8%，翼板中間剪力滯系數(shù)增大9.9%。

圖8 箱型柱固端翼板（受壓）

圖9 箱型柱固端翼板（受拉）

在固端截面受拉區(qū)，當(dāng)縱橋向壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)為1.261，為最大正剪力滯系數(shù)；遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為0.739，為最小負(fù)剪力滯系數(shù)。當(dāng)縱橋向壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大，與受壓區(qū)鋼筋相比，鋼筋的剪力滯系數(shù)略大；與壁厚比為0.35時(shí)相比，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數(shù)減小4.8%，翼板中間剪力滯系數(shù)增大為12%。

由此可知混凝土開裂后，壁厚比對(duì)剪力滯系數(shù)的影響更大，且壁厚的變化對(duì)翼板中間剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）影響較大。

（3）鋼筋屈服后（見圖10-11）。在固端截面受壓區(qū)，當(dāng)壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)為1.210，且為最大正剪力滯系數(shù)；遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為0.781，為最小負(fù)剪力滯系數(shù)。當(dāng)壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大，且與鋼筋屈服前相比，翼板邊緣剪力滯系數(shù)有所降低，翼板中間剪力滯系數(shù)有所增大。與壁厚比為0.35時(shí)相比，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數(shù)減小5%，翼板中間剪力滯系數(shù)增大11.4%。

在固端截面受拉區(qū)，鋼筋屈服后，翼板邊緣剪力滯由正剪力滯變?yōu)樨?fù)剪力滯，翼板中間的剪力滯由負(fù)剪力滯變?yōu)檎袅?，?dāng)縱橋向壁厚比為0.35時(shí)，肋板和翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)為0.905，遠(yuǎn)離肋板的翼緣板中間的剪力滯系數(shù)為1.160。與壁厚比為0.35時(shí)相比時(shí)，壁厚比為0.5的試件翼板兩端剪力滯系數(shù)增大13.8%，翼板中間剪力滯系數(shù)減小18%。

圖10 箱型柱固端翼板（受壓)

圖11 箱型柱固端翼板（受拉）

3 結(jié)論

以兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)象為基礎(chǔ)，分析了壁厚比對(duì)剪力滯的影響，進(jìn)行了混凝土開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后的試驗(yàn)研究，對(duì)比數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）在低周反復(fù)荷載的工作狀態(tài)下，混凝土箱型截面壓彎構(gòu)件在未開裂、帶裂縫工作、鋼筋屈服三個(gè)階段均表現(xiàn)出當(dāng)壁厚比（翼緣板厚度）越來越大時(shí)，翼板兩端邊緣剪力滯系數(shù)越來越小，翼板中間的剪力滯系數(shù)（負(fù)剪力滯）越來越大的規(guī)律，且壁厚比變對(duì)箱型柱固端翼板受壓區(qū)與受拉區(qū)化對(duì)翼板中間剪力滯系數(shù)在試驗(yàn)三個(gè)階段都影響較大。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著荷載的增大，箱型截面壓彎構(gòu)件在開裂前、帶裂縫工作階段及鋼筋屈服后三個(gè)階段受到剪力滯影響越來越大

（3）在鋼筋屈服后，固端截面受拉區(qū)翼板邊緣剪力滯由正剪力滯變?yōu)樨?fù)剪力滯，翼板中間的剪力滯由負(fù)剪力滯變?yōu)檎袅?/p>

因此，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)對(duì)箱型壓彎構(gòu)件的影響。