钢筋混凝土箱型柱低周反复荷载作用下的剪力滞试验研究

郑浩成，刘 凡

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

在土木工程中，因箱型截面构件具有抗弯承载力大、抗扭刚度大等特点，所以其结构性能很好，在施工中得到广泛地应用[1]。但是由于箱型截面构件翼缘板的剪切变形，使近肋板处的纵向位移优先于翼缘板中间的纵向位移，从而使得沿截面横向分布的受力相当复杂，这就产生了剪力滞效应。

为了研究剪力滞效应，需引入剪力滞系数λ，λ定义为考虑剪力滞效应求得的正应力与按弯曲梁初等梁理论求得的正应力之比，即（σ为考虑剪力滞所得的正应力，σ取弯曲平均应力）[2-4]。

结构设计时，忽视剪力滞效应将低估箱型构件实际的应力，导致结构不安全[5]。虽然国内外学者对剪力滞效应进行了许多模拟分析及理论研究[6-7]，但是针对剪力滞效应对箱型柱的影响的研究还相对较少。本文通过对钢筋混凝土箱型柱进行低周反复荷载试验，研究截面壁厚比变化对箱型压弯构件的剪力滞的影响。

1 试验模型设计

1.1 试件设计

为探究截面壁厚比对剪力滞的影响规律[8]，试验设计了2个箱型柱试件（RCBC-1与RCBC-4）进行试验。试件的截面尺寸与配筋如图1所示，基本参数如表1所列。

图1 截面尺寸与配筋

表1 试件基本参数

1.2 试验方法及内容

通过测试箱型截面构件各截面在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后（极限荷载之前）的纵向应力分布，研究壁厚比对箱型截面压弯构件剪力滞的影响。

本试验内容包括对各测点的应变及加载点位移测试，测量各个测点的应变及加载点的位移，并观察构件裂缝的发展趋势，记录各阶段所对应的数据。

1.3 测点布置

在试件固端截面位置的钢筋表面粘贴应变片，用以记录钢筋应力变化情况，图2所示为固端截面应变片位置分布图；另外，在相应部位的肋板侧布置4个位移计，将位移计固定在基座上，测量得到的数据为试验的净位移。

图2 应变片分布图

1.4 加载方案

单向拟静力试验所使用的设备为四连杆。水平荷载加载前，按设计轴压比计算竖向恒载（2个设计试件均为0.1）；并按恒载的50%进行预加载，循环两次后，对试件的竖直方向缓慢加载至竖向恒载的100%。水平荷载的加载采用荷载-位移控制的方法为：试件开裂前按20 kN/40 s逐级加载，开裂后按10 kN/20 s逐级加载，并循环三次直至屈服；屈服后按屈服位移的0.2倍逐级加载，当极限承载力下降10%～15%时，对试件停止加载。加载设备和加载制度如图3-4所示。

图3 加载设备正面图

图4 加载制度示意图

2 试验结果与分析

2.1 确定荷载-位移关系曲线

为了研究构件在低周往复荷载下从屈服到破坏的剪力滞变化，绘制了试件RCBC-1、RCBC-4的荷载-位移曲线，见图5。由图5可知，RCBC-1荷载达到60 kN时出现裂缝，位移达到35 mm时钢筋屈服；RCBC-4荷载达到80 kN时出现裂缝，位移达到40 mm时钢筋屈服。

图5 荷载-位移曲线

2.2 壁厚比对剪力滞系数的影响

将选取构件在峰值荷载点和极限位移点时产生的剪力滞效应进行分析，通过保持两个箱型柱构件RCBC-1和RCBC-4的其他条件相同而改变壁厚比的大小，来分析不同阶段轴压比对各截面剪力滞的影响，各阶段受压区、受拉区不同壁厚比造成的剪力滞系数变化如图6-11所示。

（1）混凝土开裂前（见图6-7）。在固端截面受压区，当壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交接处的剪力滞系数为1.151，且为最大正剪力滞系数；远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为0.829，为最小负剪力滞系数。当纵桥向壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端边缘剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大；与壁厚比为0.35时相比，壁厚比为0.5的试件翼板边缘剪力滞系数减小2.9%，翼板中间剪力滞系数增大4.6%，在混凝土开裂前，即整体工作截面下，壁厚比变化对翼板中间剪力滞系数影响较大。

在固端截面受拉区，当壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交界处的剪力滞系数为1.191，为最大正剪力滞系数；远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为0.752，为最小负剪力滞系数。当壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端边缘剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大；与壁厚比0.35时相比，壁厚比为0.5的试件翼板边缘剪力滞系数减小5.9%，翼板中间剪力滞系数增大12%。与受压区截面相比，翼板边缘与翼板中间剪力滞系数变化相对较大。

图6 箱型柱固端翼板（受压）

图7 箱型柱固端翼板（受拉）

（2）带裂缝工作阶段（见图8-9）。在固端截面受压区，当纵桥向壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交界处的剪力滞系数为1.240，且为最大正剪力滞系数；远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为0.780，为最小负剪力滞系数。由弹性阶段进入非弹性阶段，当纵桥向壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端边缘剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大，并且与弹性阶段对比，翼板边缘剪力滞系数都有所减小，翼板中间剪力滞系数有所增大。与壁厚比为0.35时相比，壁厚比为0.5的试件翼板边缘钢筋剪力滞系数减小8%，翼板中间剪力滞系数增大9.9%。

图8 箱型柱固端翼板（受压）

图9 箱型柱固端翼板（受拉）

在固端截面受拉区，当纵桥向壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交界处的剪力滞系数为1.261，为最大正剪力滞系数；远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为0.739，为最小负剪力滞系数。当纵桥向壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大，与受压区钢筋相比，钢筋的剪力滞系数略大；与壁厚比为0.35时相比，壁厚比为0.5的试件翼板两端剪力滞系数减小4.8%，翼板中间剪力滞系数增大为12%。

由此可知混凝土开裂后，壁厚比对剪力滞系数的影响更大，且壁厚的变化对翼板中间剪力滞系数（负剪力滞）影响较大。

（3）钢筋屈服后（见图10-11）。在固端截面受压区，当壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交界处的剪力滞系数为1.210，且为最大正剪力滞系数；远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为0.781，为最小负剪力滞系数。当壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大，且与钢筋屈服前相比，翼板边缘剪力滞系数有所降低，翼板中间剪力滞系数有所增大。与壁厚比为0.35时相比，壁厚比为0.5的试件翼板两端剪力滞系数减小5%，翼板中间剪力滞系数增大11.4%。

在固端截面受拉区，钢筋屈服后，翼板边缘剪力滞由正剪力滞变为负剪力滞，翼板中间的剪力滞由负剪力滞变为正剪力滞，当纵桥向壁厚比为0.35时，肋板和翼缘板交界处的剪力滞系数为0.905，远离肋板的翼缘板中间的剪力滞系数为1.160。与壁厚比为0.35时相比时，壁厚比为0.5的试件翼板两端剪力滞系数增大13.8%，翼板中间剪力滞系数减小18%。

图10 箱型柱固端翼板（受压)

图11 箱型柱固端翼板（受拉）

3 结论

以两个试验对象为基础，分析了壁厚比对剪力滞的影响，进行了混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后的试验研究，对比数据得出以下结论：

（1）在低周反复荷载的工作状态下，混凝土箱型截面压弯构件在未开裂、带裂缝工作、钢筋屈服三个阶段均表现出当壁厚比（翼缘板厚度）越来越大时，翼板两端边缘剪力滞系数越来越小，翼板中间的剪力滞系数（负剪力滞）越来越大的规律，且壁厚比变对箱型柱固端翼板受压区与受拉区化对翼板中间剪力滞系数在试验三个阶段都影响较大。

（2）试验结果表明：随着荷载的增大，箱型截面压弯构件在开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后三个阶段受到剪力滞影响越来越大

（3）在钢筋屈服后，固端截面受拉区翼板边缘剪力滞由正剪力滞变为负剪力滞，翼板中间的剪力滞由负剪力滞变为正剪力滞。

因此，在实际工程中应考虑剪力滞效应对箱型压弯构件的影响。