带抗剪环的钢管混凝土柱脚节点受力性能的试验研究

王毅红，胡 静，薛 源，卜永红

(1.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;2.榆林市审计局，陕西榆林 719000)

钢管混凝土工程应用广泛，钢管混凝土节点性能是影响结构总体性能的重要因素。近年来钢管混凝土梁柱节点的研究成果较多。但钢管混凝土柱和钢管混凝土基础连接的柱脚节点方面的研究较少。现行相关规程［1-3］关于柱脚节点的设计和构造规定也较少。本文提出一种新型的柱脚节点，在钢管混凝土柱外表面贴焊抗剪环。将贴焊抗剪环的钢管柱脚直接固定在绑扎好钢筋的基础梁内，钢管柱脚管内混凝土与基础梁混凝土同时浇注，使柱脚和基础形成一体。节点构造简单，施工方便。通过缩尺模型试验，研究钢管混凝土柱埋入钢筋混凝土条形基础的柱脚节点受力性能。验证该柱脚节点构造的合理性，研究设置抗剪环后，柱脚节点在竖向荷载作用下的破坏形态和极限承载力以及影响柱脚承载力的因素。

1 试验概况

1.1 试件设计［4］

共设计了2个相同的柱脚节点构件，试件编号分别为ZJ/J-5和ZJ/J-6，缩尺比例为1∶6，试件外观见图1。几何尺寸和配筋见图2，钢管埋置深度为220 mm。试件ZJ/J-5和试件ZJ/J-6两者不同之处在于试件ZJ/J-5在管壁上贴焊了3道φ8钢筋抗剪环(图3)，而试件ZJ/J-6贴焊了2道φ6钢筋抗剪环(图4)。

1.2 材料性能

试件混凝土强度等级为C30，其实测立方体强度fcu，k=30.2 MPa，弹性模量 EC=3.0 ×104MPa;试件钢材性能见表1。

图1 试件外观

图2 试件几何尺寸及配筋(单位:mm)

图3 试件ZJ/J-5示意及柱脚构造环板(单位:mm)

图4 试件ZJ/J-6示意(单位:mm)

表1 钢筋材料性能

1.3 试件测点布置和测量内容

试件上布置了位移计、电阻应变片等测点，试件应变数据由DH3816数据采集系统自动采集。主要测量钢管、纵筋、箍筋和混凝土的应变，混凝土裂缝宽度，开裂荷载和极限荷载，荷载—挠度曲线。试件应变测点布置如图5～图7所示。

图5 钢管应变片的布置及编号示意(单位:mm)

图6 基础梁纵筋和箍筋应变片位置及编号示意(单位:mm)

1.4 试件加载装置及加载制度

采用反力架加载，在钢管柱头放置一台200 t千斤顶。柱脚试件梁两端简支。千斤顶对柱头加集中荷载，加载装置见图8。加载采用分级加载，即以每级20 kN加载至试件开裂，持荷2～5 min用以观察、记录及采集数据;开裂后每级50 kN，每级持荷2～5 min，直加至试件破坏。

图7 基础梁混凝土应变片贴片位置及编号示意(单位:mm)

图8 加载装置

2 试验现象

试件ZJ/J-5:加载初期，试件梁处于弹性阶段，跨中挠度较小。当荷载加至开裂荷载(150 kN)时，在两支座附近首先出现与梁底约35°的斜向裂缝。随着荷载的增加，斜裂缝逐渐沿45°方向向梁顶延伸，同时在梁底跨中和梁两侧中部出现多条垂直裂缝和斜裂缝。当荷载加至极限荷载(590 kN)时，梁一端的一条斜裂缝贯穿整个梁高，且宽度急剧增大，达到1.0 mm，形成破坏主裂缝，试件破坏。梁中部其他相互连通形成类似锥形的细裂缝，跨中的垂直细裂缝也向上发展与类似锥形裂缝交在一起，这些裂缝的宽度都很小。试件的裂缝见图9。

试件ZJ/J-6:加载初期，与ZJ/J-5表现基本相同。当荷载加至开裂荷载(120 kN)时，在梁两侧中部首先出现两条呈“八”字形的对称斜裂缝。随着荷载的增加，在两支座附近出现了与梁底约30°的斜向裂缝，在梁底跨中出现了几条细微的垂直裂缝。随着荷载进一步增加，两条八字形斜裂缝逐渐沿45°方向向梁中部和梁底延伸，支座附近的斜裂缝和跨中的垂直裂缝也缓慢地向梁中部延伸。当荷载加至极限荷载(540 kN)时，最初出现的两条八字形斜裂缝在梁下半部形成一条完整的锥形裂缝，宽度达到1.5 mm，形成破坏主裂缝，试件破坏。支座附近的两条斜裂缝在梁中部相连形成了一条人字形裂缝，跨中垂直微裂缝也发展到了中和轴附近，但它们的宽度都很细小。试件ZJ/J-6的裂缝见图10。

图9 试件ZJ/J-5正反面裂缝

图10 试件ZJ/J-6正反面裂缝图

为了进一步观察柱脚试件的破坏形态，撤掉仪表，对试件ZJ/J-5继续加载。在加载过程中，钢管柱没有明显的下滑，梁内发出了啪啪的响声，梁沿破坏斜裂缝也发生了明显的错动，梁顶面和主裂缝周边部分混凝土脱落，试件ZJ/J-5的破坏照片见图11。

试件ZJ/J-6在加载过程中，钢管柱明显下滑，梁下半部被冲出一个锥形体，而且锥形体内的部分混凝土已被压出梁侧面，其破坏照片如图12所示。

待试验结束后，将残件凿开发现，ZJ/J-5梁内钢管柱和抗剪环没有发生任何变形，与破坏斜裂缝相交的部分箍筋已被拉断。ZJ/J-6试件的冲切破坏面就是从柱端最上一道抗剪环附近开始的，梁内柱段和抗剪环没有发生任何变形，试件凿开的实况见图13。

图11 试件ZJ/J-5破坏实况

图12 试件ZJ/J-6破坏实况

图13 试件ZJ/J-6被凿开实况

3 试验结果分析

3.1 试件破坏形态分析

由试件的试验现象可以看出:ZJ/J-5的破坏具有明显的剪切破坏特征，裂缝从梁底部开始发展，最终剪压区混凝土压碎破坏;ZJ/J-6的破坏具有冲切破坏特征［5］，两侧斜裂缝从梁中部开始向上下斜向延伸，最终破坏时钢管下沉，梁下半部斜锥体形成并冲出，梁顶面区域未形成剪压破坏区。

3.2 试件荷载—挠度关系曲线分析

试件的荷载—挠度曲线见图14，曲线呈现出非线性关系。试件ZJ/J-5的承载力和变形性能均比ZJ/J-6好，说明冲切破坏比剪压破坏有更大的脆性。

3.3 荷载应变曲线分析

3.3.1 箍筋应变

图14 试件跨中荷载—挠度曲线

本次试验由于操作失误，丢失了测验中ZJ/J-5的部分数据，故只对ZJ/J-6的数据进行分析。远离冲切面的⑦和○14箍筋直到试件破坏，应变值很小，约为150×10－6。其它箍筋的荷载—应变曲线见图15。图中可以看出距集中荷载越近的箍筋应变值越大。从数值上分析，除8点外，其他箍筋均达屈服强度。说明配置的箍筋对柱脚抗冲切有很大贡献。

3.3.2 试件梁混凝土应变

观察试件ZJ/J-6的破坏裂缝，可以看到当应变测试值出现突变时，该应变片粘贴位置混凝土开裂。如2号应变花(图16(b))，在开裂前它的荷载—应变曲线呈线性变化，当荷载加至200 kN时，其应变值发生了突变，说明该区域出现了裂缝。1号(图16(a))和5号(图16(c))应变花处的应力状态基本相同，其主拉应力为1.86 MPa，主压应力为14.8 MPa，剪应力为6.6 MPa，主应力角为42.4°。6号应变花(图16(d))的主拉应力为5.08 MPa，主压应力为31.1 MPa，剪应力为18.1 MPa，主应力角为38.5°。

图15 8号～14号箍筋荷载—应变曲线

3.3.3 梁底纵筋应变和钢管柱壁应变

在整个试验过程中，试件的梁底纵筋和钢管柱壁的实测应变值都随荷载呈线性增长，均未达到材性试验时的屈服应变值，表明试件的梁底纵筋和钢管柱还处于弹性状态。

图16 试件ZJ/J-6基础梁混凝土荷载—应变曲线

4 结论

1)带抗剪环的钢管混凝土柱脚与钢筋混凝土基础梁共同工作性能良好，从试件的破坏残体上可见，焊接的抗剪环与外围混凝土结合状态良好，发挥了抗剪环的抗剪作用。本文提出的新型钢管混凝土柱脚节点构造合理。

2)带抗剪环的柱脚节点发生冲切破坏的破坏面从最上排抗剪环处开始与不加抗剪环的柱脚节点相比，冲切面积较大，有利于提高钢管混凝土柱脚的抗冲切性能。

3)抗剪环的数量对柱脚极限承载力和破坏形式有重要影响，增加抗剪环的数量可增加柱脚的极限承载力，也可改变柱脚的破坏形态。由脆性明显的冲切破坏形式转变为剪压破坏形式。

4)除了与斜裂缝相交的箍筋数量和强度、混凝土强度等级等因素之外，纵筋的销栓作用对柱脚承载力有较大影响。本次试验未考虑抗剪环的直径影响，此因素的影响有待研究。

5)本文所提出的柱脚节点施工方便，受力性能较明确，设置抗剪环是提高柱脚节点承载力和防止发生脆性冲切破坏的有效措施。

［1］中华人民共和国建设部．JGJ138—2001 型钢混凝土组合结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［2］中华人民共和国建设部．CECS28:90 钢管混凝土结构设计与施工规程［S］．北京:中国计划出版社，2005．

［3］中华人民共和国建设部．CEC8 188:2005 钢管混凝土叠合柱结构设计规程［S］．北京:中国计划出版社，2005．

［4］中华人民共和国建设部．GB50010—2002 混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［5］苏海元．钢管混凝土柱脚节点抗冲切性能试验研究［D］．西安:长安大学，2008．