考虑拱索效应影响的框架梁抗弯承载力

蒋前程

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山063009)

0 引言

随着经济高速发展，钢筋混凝土结构在土木工程中的应用范围极广，各种工程结构都可采用钢筋混凝土建造。各种人为和自然因素都严重影响着这一结构的安全使用，比如建筑物遭受爆炸袭击，地震等，将导致建筑物的连续倒塌破坏，这一现象是结构工程师必须考虑避免的。在我国，钢筋混凝土框架结构分布广泛，框架结构比剪力墙结构更容易发生竖向连续倒塌。因此，防止框架结构的连续倒塌是我们面临的重要课题。

在建筑结构中，轴向力普遍存在于建筑物构件中，特别在梁板构件或者钢筋混凝土框架梁构件，建筑行业叫做薄膜力。国外学者从理论和实验方面对这种薄膜力进行了研究。结果表明，这种薄膜力提高了建筑构件的弯剪承载力。国内对薄膜力的研究也有所涉猎，当低配筋率板周边与框架梁刚性连接，混凝土板在即将损坏时，它的中和轴几乎靠近板的上表面。因此，轴向力将广泛存在与四周刚性连接的板中，也就是“薄膜力”［1-6］。针对混凝土框架梁某两跨中间的珠子突然破坏，导致上层荷载加于中间破坏的柱子节点上，由于拱效应和索效应的存在，混凝土框架梁的延性、梁变形较大，框架梁仍然可以承受荷载，最终防止建筑结构发生从上而下的连续倒塌的现象，本文通过静载试验研究了“索和拱效应”影响的钢筋混凝土框架梁承载力，分析了支座约束、配筋率、跨高比和配筋方式对其承载力的影响规律，为建筑结构的抗倒塌研究提供理论依据。

1 试验方案

1.1 试件设计

设计一多层钢筋混凝土框架结构，选取两跨梁，跨中支撑柱破坏。取ρ=0.0077～0.0193，梁上下部的配筋比取1.0～1.51，纵筋采用用二级钢，fy=335MPa，箍筋采用一级钢fyv=235MPa;混凝土取C25，试件配筋如下，FA编号试件为3个，其余编号试件为2个，用于静载实验。

表1 试件设计表

1.2 试验装置

试验装置包括MTS液压伺服拟动力加载系统、支座装置和数据采集仪器，由于结构模型的要求，特别制造刚性台座，确保梁端只可以轴向转动，上下移动得到限制，梁端可以安装仪器，可以测量约束大小，也可以方便的调节这种约束。实验台具体部件如图1所示。

图1 试验台示意图

1.3 试验加载方案

(1)确定钢筋混凝土的跨中特征位移:δ1=ln/100=57mm，δ2=ln/50=114mm，δ3=h0=265mm，其中δ1是钢筋屈服时的变形，δ2是压坏混凝土时的变形，δ3是拱效应终结索效应产生时对应的挠度。结构最大挠度要看MTS的施力功能，取

(2)加载速率的选定:取受压混凝土最大应变为3500με，加载速率为10με/s，则需350s;位移加载速率等于 δ2/350=0.3mm/s，取加载速率为 0.1mm/s，相当于3.3με/s，采集频率定为10Hz。

(3)静载试验采用一次加载至最大跨中挠度400 mm，加载时间为4000秒。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏过程

在加载的初始阶段，梁端约束梁以弹性变形为主;随着荷载逐步施加，跨中出现裂缝，跨中受拉钢筋开始屈服，随着跨中的混凝土受压区被压碎，跨中截面慢慢失去承受弯矩的能力，跨中弯矩慢慢减小，而在支座处的弯矩逐渐提高;当跨中裂缝贯通整个截面，跨中钢筋由受压转为全部受拉，而框架梁继续承担荷载，直到受拉钢筋被拉断，框架梁宣告破坏。

2.2 破坏形态

试件的破坏形态随着试件轴压比的不同而有所不同，试件FA、FB-1、FB-2、FC-1和FC-2的梁端和跨中破坏形态如图2、图3、图4和图5所示。由图2可见，FA梁的破坏形态是梁端和中部开始出现裂缝，接着截面延伸，延性小。跨中受弯，侧面出现小缝，出现塑性铰。由图3和图4可见，FB-1和FB-2梁的破坏形态是跨中上部混凝土压碎，出现塑性铰;梁端处支座上面出现多条小缝，混凝土压碎没有出现，出现塑性铰，变形大。又图5可见，FC-1和FC-2梁的破坏形态是跨中上部混凝土压碎，出现塑性铰;裂缝出现在梁端上部受弯处，下部混凝土压碎，出现塑性铰，变形小。

各试验梁的破坏形态会随着试验梁配筋率的变化而发生显著变化。每组试验梁受荷时，其受力特征为弯剪共同作用，为了保证试验梁为延性的受弯破坏形态，在设计试验梁时，已经考虑到了拱效应的影响，配置了足够数量的箍筋。经过对试验结果的对比发现，随着配筋率的增加，各试验梁FA到FC-2破坏时的延性会显著增加。在FB和FC两组中，配筋率最小的试验梁其最终破坏形态虽然也是受弯破坏，但其在梁跨中受压区混凝土压碎破坏以后，承载力会迅速下降;并且，其跨中处也没有形成塑性铰，FB-1和FC-1裂缝出现数量少，并且出现了一条主要裂缝;试验梁在破坏时出现了跨中受压区钢筋压屈现象;破坏形态相对于配筋率较大的试验梁来说延性明显偏小。但由于拱效应的作用，以及不容易形成二阶弯矩，其破坏时的承载力提高程度却是最大的。

配筋率最大的试验梁FC-2破坏时裂缝分布范围广而密，裂缝宽度相对较小，试验梁在破坏时出现了明显的弯曲现象，具有很大的变形能力;FA梁配筋率最小，其裂缝分布范围相对于FC-2梁要小得多，且裂缝跨度较大，破坏时梁的弯曲较不明显。随着配筋率的增大，试验梁均表现出延性增强的特征。

2.3 位移荷载曲线

1)FA、FB-1位移荷载曲线

试样FA和FB-1跨中荷载位移曲线如图6所示。

FA 配筋率 0.77%，极限荷载 124.7kN，极限相对位移0.319;FB-1配筋率1.15%，极限荷载246kN，极限相对位移0.245。由图6看出，FA的延性较大，极限荷载小;相应的FB-1的延性较小，破坏时相对位移只有0.3，极限荷载大，因为FA梁端的配筋率小于FB-1的配筋率。所以在两根框架梁其他条件相同时，配筋率较小者的延性较好，但是拱效应相应小，极限荷载小。

2)FB-2、FC-1、FC-2 位移荷载曲线

试样FB-2、FC-1和FC-2跨中荷载位移曲线如图7所示。

FB-2配筋率1.15%，极限荷载76kn，极限相对位移0.35;FC-1配筋率1.51%，极限荷载112kN，极限相对位移0.221;FC-2配筋率1.51%，极限荷载220kN，极限相对位移0.21。由图7可以看出，随着配筋率的增加梁跨中极限荷载逐渐增大，延性却逐渐变小，这个特征与图6相同。进一步验证了两根框架梁其他条件相同时，配筋率较小者的延性较好，但是拱效应相应小，极限荷载小。

3)框架梁荷载位移曲线的受荷状态分析

由图6和图7可以看出，在集中荷载作用下具有侧向约束的钢筋混凝土试验梁都经历了完整的受荷过程，该过程包括3个阶段，如图8所示。

由图8可见，曲线中AB段是拱效应形成阶段。在此阶段，试验梁支座约束水平轴力随着变形的增加而增加，从而在梁内形成拱效应。由于梁内拱压力的帮助，梁在B点达到其极限荷载。拱压力可以看成来源于梁柱结点与梁之间的挤压作用。如前所述的压弯构件的轴力与弯矩承载力关系可知，对于大偏心受压构件轴压力的存在可以提高构件的抗弯承载力。对于梁来讲，由于梁柱结点与梁本身之间的压力决不会达到使受拉钢筋不屈服的程度，所以压力的存在总是使梁的抗弯能力增加。

在变形较小的情况下，梁中压力的产生是由于钢筋混凝土梁开裂造成的。对于不会开裂的弹性梁其梁端没有向外运动的趋势，沿梁跨对梁底面应变积分等于零。而如果梁开裂，则此积分的结果是净增长。

曲线的BC段是拱效应的消退阶段。经过B点以后，由于试验梁跨中截面混凝土首先被压碎，该截面处的承载力开始减弱，由于此时支座截面混凝土还没有完全破坏，在试验梁内部会产生内力重分布现象，其荷载转向主要由支座截面承担。但随着支座处混凝土的压碎，梁的承载能力会有一个较快的降低过程。直到C点，试验梁的承载能力降到最低。

曲线CD段是索效应的形成阶段及破坏阶段。由于这时裂缝在跨中截面已经全截面贯通，因此在跨中区域首先形成了索。索的形成会增大跨中区域的承载能力。随着试验梁变形的增加，形成所得区域会由跨中向两侧延伸，直到整个试验梁各截面都受拉，在梁中形成完整的索。梁承担荷载靠的是钢筋的索效应，梁继续承担荷载直到钢筋被拉断。

3 结论

1)从实验结果得出，拱效应普遍存在于混凝土梁中，这是由于框架梁两端侧向约束了梁的纵向变形，梁受压、轴力增大、跨中极限荷载显著提高。

2)在钢筋混凝土框架梁中，跨中或支座截面拉压钢筋配筋率比值基本相同时，随着配筋率的增加，极限承载力增大，延性减小。

［1］ H.Y.Low and H.Hao.Investigation Into the Reliability Aspect of RC Members Subjected Blast Loading.2000，8th ASCE Specialty Conference on Probabilistic Mechanics and Structural Reliability.

［2］ I-Kuang Fang，Ju-Hsin Lee and Chun-Ray Chen.Behavior of Partially Restrained Slabs Under Concentrated Load.ACIstructural journal.1994，(3～4):65-70.

［3］ 宋晓胜.跨高比对钢筋混凝土框架梁中拱效应影响的试验研究［D］.唐山:河北理工大学，2007.

［4］ 陈明辉.配筋率对钢筋混凝土框架梁拱效应影响的试验研究［D］.唐山:河北理工大学，2007.

［5］ 李国强，孙健运，王开强.爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究［J］.振动与冲击，2007，26(6):8-11.

［6］ 董义领.爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应分析［D］.上海:同济大学，2008.