型钢混凝土T形柱受剪性能及承载力计算

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发布时间：2021-09-03

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型钢混凝土T 形柱受剪性能及承载力计算*
张向冈，陈宗平，郑述芳，苏益声，梁荣耀
( 广西大学土木建筑工程学院，南宁530004)
［摘要］为了研究型钢混凝土( SRC) T 形柱斜截面抗剪承载性能，设计了4 个试件进行静力单调加载试验，考虑
了剪跨比、轴压比、配钢形式、翼缘尺寸4 个变化参数，通过试验观察了试件的受力全过程和破坏形态。根据实测
数据，给出了混凝土应变沿截面高度的分布情况以及荷载-应变、荷载-挠度等重要关系曲线; 并分析了各变化参数
对抗剪承载力的影响，提出了承载力计算公式。研究结果表明: 型钢混凝土T 形柱受力过程中截面应变基本符合
平截面假定; 剪跨比、轴压比、配钢形式、翼缘尺寸等参数对其抗剪强度有显著影响; 基于叠加法的抗剪强度计算公
式可用于其斜截面极限承载力计算。
［关键词］型钢混凝土; T 形柱; 受剪性能; 强度计算
中图分类号: TU398 文献标识码: A 文章编号: 1002-848X( 2013) 01-0054-05
Research on shear performance and bearing capacity calculation method of
T-shaped steel reinforced concrete columns
Zhang Xianggang，Chen Zongping，Zheng Shufang，Su Yisheng，Liang Rongyao
( College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China)
Abstract: In order to study the shear bearing capacity of inclined section in T-shaped steel reinforced concrete ( SRC)
columns，4 specimens with different shear span ratios，axial compression ratios，steel form and flange dimension were
designed and produced to carry out monotonic static shear loading test． The whole loading process and failure pattern were
watched and the curves of concrete strain distribution along cross section height，load-strain and load-deflection were drawn
based on the measured data． The impact of parameters on the shear capacity was analyzed，and the formula for calculating
capacity was proposed． It is shown that average strain of T-shaped section conforms to plane section assumption． Shear span
ratios，axial compression ratios， steel form and flange dimension have significant effect on the shear strength． The
calculation formula of shear strength can be used to calculate ultimate bearing capacity of inclined section．
Keywords: steel reinforced concrete; T-shaped column; shear performance; strength calculation
* 国家自然科学基金( 50908057) ，广西科学基金( 桂科青0832004) 。
通讯作者: 陈宗平，博士，教授，Email: zpchen@ gxu． edu． cn。
0 引言
SRC 异形柱是指在截面中主要配置型钢，并且
配有适量的纵向钢筋和箍筋，浇筑混凝土后把型钢
包裹在里面所形成的L 形、T 形、十字形等异形截面
柱［1］。由于SRC 结构配置了较多的钢材，大大提高
了柱承载力和抗震性能，在高层建筑以及高烈度地
震设防区的建筑中有较好的应用前景。一般来说，
角柱为L 形柱，边柱为T 形柱，中柱为十字形柱，柱
肢与填充墙等厚，房间的实际使用面积大，使家庭装
修和布置时灵活方便，且可节约使用面积，受到广大
用户和开发商的好评［2，3］。研究SRC 异形柱，对推
广异形柱结构体系的应用和扩大异形柱的使用范围
具有重要的理论价值和工程意义。目前，国内外对
SRC 异形柱的研究主要集中在正截面承载能力、混
凝土保护层厚度、抗震性能［4-6］等方面，但关于SRC
异形柱的静力单调受剪承载力的研究却不多。在前
人的研究基础之上，完成了4 根试件静力单调试验，
研究SRC 异形柱的斜截面受力性能和破坏机理，以
期丰富SRC 异形柱研究内容，并为其工程应用提供
参考和依据。
1 试验概况
1. 1 试验设计与制作
设计了4 个型钢混凝土T 形柱试件，主要考虑
了轴压比、剪跨比、配钢形式、翼缘尺寸4 个变化参
数，混凝土设计强度等级为C35，型钢骨架为空腹
式，各试件高度均为2 300mm，设计参数具体见表1。
轴压比n = N / ( fc Ac + fs Ass
) ，其中，N 为轴向压力设
计值，f c
为混凝土轴心抗压强度，Ac
为混凝土截面面
积，fs
为型钢的屈服强度，Ass
为型钢截面面积。剪跨
比λ = a / h0
，其中，a 为邻近加载点到支座中心的距
离，h0
为截面的有效高度。截面形式及配钢示意图
见图1，T 形钢桁架实拍照片见图2。
1. 2 材料性能试验
依标准试验方法实测试件用型钢、角钢、钢筋的
力学性能指标具体见表2。预留混凝土标准试
第43 卷第1 期张向冈，等．型钢混凝土T 形柱受剪性能及承载力计算
设计参数及部分试验结果表1
试件
编号
轴压比n 剪跨比λ
型钢配置形式
T 形钢纵筋箍筋角钢
开裂荷载
Pcr / kN
极限荷载
Pu / kN
破坏形态
T1 0. 12 1. 60 半I14  12  6@ 200 L25 × 3 165 240 剪压破坏
T2 0. 23 2. 18 半I14  12  6@ 200 L25 × 3 150 285 剪压破坏
T3 0. 23 1. 60 半I14  12  6@ 200 L25 × 3 190 420 剪压破坏
T4 0. 23 1. 60 半I14  12  8@ 100 — 240 370 剪压破坏
图1 截面形式及配钢示意图
图2 T 形钢桁架实拍照片图3 加载装置实拍照片图4 加载装置示意图
型钢、角钢、钢筋的实测力学性能表2
钢材
种类
规格
屈服强度
fy /MPa
极限强度
fu /MPa
弹性模量
Es / × 105MPa
翼缘I14 299. 64 394. 59 1. 84
腹板I14 268. 40 369. 80 1. 69
角钢L25 × 3 272. 20 316. 00 1. 96
钢筋 12 382. 00 595. 00 2. 07
钢筋 8 355. 00 482. 00 2. 37
钢筋 6 343. 00 468. 00 2. 43
块的实测立方体抗压强度fcu
为38. 76MPa。
1. 3 加载装置
试验采用了自平衡框架作为施加轴力的反力加
载装置，实拍照片见图3，示意图见图4。试件几何
对中后，用量程为1 500 kN 的油压千斤顶在端头沿
轴向进行加载，施加到试验轴向压力并保持该轴力
不变，由横向加载至试件破坏。
2 试验主要结果及分析
2. 1 受力全过程及破坏形态
T1 ～ T4 试件均发生了剪压破坏。加载初期，试
件处于弹性阶段，剪弯段没有出现裂缝，当荷载平均
达到52. 15% Pu
( Pu
为极限荷载) 时，在构件剪弯段
的腹板部分开始出现腹剪斜裂缝，倾角为40° ～
45°，随后1 ～ 2 级荷载之内，在构件中间纯弯段开始
出现细小的弯曲垂直裂缝。在剪弯段出现的垂直裂
缝从柱腹板底部向中部发展，并且指向集中加载点，
逐渐形成弯剪斜裂缝。
随着荷载的增加，腹剪斜裂缝和弯剪斜裂缝增
多变密，而纯弯段弯曲垂直裂缝上升到腹板高度的
1 /4 ～ 1 /2 后，几乎处于停滞发展状态。当加载达到
约77. 8% Pu
之后，不再出现新的斜裂缝，原有腹剪
斜裂缝继续向两端伸展。斜裂缝往上延伸到T 形
截面翼缘与腹板交接处后停止，往下则朝支座方向
或腹板底部延伸。此时，斜向角钢腹杆已达到屈服
应变，竖向角钢腹杆应变也接近屈服应变值。当荷
载达到Pu
时，支座、加载点连线上的斜裂缝最大宽
度达到0. 45mm，形成主裂缝，同时剪压段混凝土被
压碎，试验宣告结束。T1 ～ T4 试件均属于剪压破
坏，破坏形态见图5。
2. 2 型钢混凝土T 形柱破坏特点
4 根型钢混凝土T 形柱破坏主要发生在剪弯区
段内靠近加载点位置以及加载点和支座连线的方向