腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究

1、第 42卷第 10期 2 0 0 9 年 10月土木工程學報CH INA C IV IL ENG INEER ING JO URNALVol. 42 Oct.No. 102009腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究蔡健 1黃泰赟 1, 2李靜 1( 1. 華南理工大學 , 廣東廣州 510640; 2. 廣州珠江外資建筑設計院 , 廣東廣州 510600)摘要 : 采用鋼筋混凝土開孔梁是降低建筑層高的有效途徑 ,但迄今仍缺乏對開孔梁完善的設計方法及系統(tǒng)化 、參數(shù) 化的試驗研究支持 。研究進行 29個腹部開設圓孔的鋼筋混凝土簡支梁試件在集中荷載下的試驗 ,分析孔洞尺寸及 位置 、加強腹筋形式

2、及數(shù)量 、剪跨比 、孔洞間距和混凝土強度等因素對開孔梁的裂縫開展及破壞形態(tài) 、應變分布特 點 、承載力和變形等力學性能的影響 ,總結以上各因素對開孔梁力學性能的影響規(guī)律 ,為開孔梁力學模型和設計方 法的建立提供試驗依據。關鍵詞 : 鋼筋混凝土梁 ; 圓孔 ; 力學性能 ; 抗剪承載力中圖分類號 : TU375. 1 文獻標識碼 : A文章編號 : 10002131X ( 2009) 1020027209Exper im en ta l study of sim ply supported re inforced concrete beam s w ith c ircular web open

3、ingsCai J ian1Huang Taiyun1, 2L i J ing1( 1. Sou th China University of Techno logy, Guangzhou 510640, China;2. Guangzhou Pearl R iver Foreign Investm ent A rchitectural Design Institute, Guangzhou 510600, China)Abstract: It is one of the most effective means to reduce the inter2sto ry height of a r

4、einfo rced concrete (RC) structure to emp loy RC beam s with openings in the web. Up to now, effective design theory and analysis method fo r RC beam s with openings in the web have not been established and system atic and multi2param eter experim ental studies on the perfo rm ance of RC beam s with

5、 openings were not adequate. An experim ental study of 29 simp ly supported RC beam s with circular web openings under concentrated loads was carried ou t. Facto rs that influence the mechanical p roperties of the beam s with circular web openings, including the size, location and eccentricity, spac

6、ing of web openings, ratio of shear span to effective section dep th, and fo rm and amoun t of reinfo rcem ent around the openings, were fully investigated. Influences of these facto rs on the failure pattern, bearing mechanism , shear resistance and rigidity were also obtained and discussed.Keyword

7、s: reinfo rced concrete beam; circular opening; mechanical p roperty; shear capacityE2m a il: cvlcai scut. edu. cn引言 在結構梁中開設孔洞供部分管線穿行是降低建筑層高 、減小風和地震作用 ,進而降低工程造價 、節(jié)約能耗的有效途徑 ?？锥吹拇嬖谑沽旱倪B續(xù)性和整體 性受到破壞 ,受力機理和工作性能發(fā)生改變 ,抗剪承 載力受到一定的削弱 ,孔角出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象 ; 梁的 剛度 、裂縫寬度也受到影響 。目前 , 國內外對腹部開 孔的鋼筋混凝土梁進行了一些研究 125 ,但系統(tǒng)的 、參基金項

8、目 :科技部重大基礎研究前期研究專項 ( 2004 CA03300)作者簡介 :蔡健 ,博士 ,教授 收稿日期 : 2008205209數(shù)化的試驗研究并不多 ,目前尚沒有完善的設計理論 和方法 ,我國規(guī)范也僅規(guī)定了一些相關的構造要求。 如何采用合理的方法對開孔梁進行分析計算 ,并采取 有效的構造措施對開孔梁進行加強 ,是實際工程中急 需解決的問題 ,系統(tǒng)的 、完整的試驗研究是目前解決 開孔梁問題必要的手段。作者對鋼筋混凝土開孔梁進行了系統(tǒng)的研究 ,已 完成了 103個試件的試驗及分析工作 ,涵蓋了圓形孔、 矩形孔 、簡支梁 、伸臂梁 、預應力梁等多個分支 。本文 中介紹其中 29個腹部開有圓孔

9、的鋼筋混凝土簡支梁 試件在集中荷載作用下的試驗研究成果 ,針對裂縫開 展及破壞形態(tài) 、應變分布特點 、抗剪承載力和變形等 幾個重要內容 ,通過對試驗結果的分析 ,探討孔洞尺· 28 ·土 木 工 程 學 報2009年寸及位置 、加強腹筋形式及數(shù)量 、剪跨比 、孔洞間距和 混凝土強度等因素對開孔梁力學性能的影響。其他 形式的開孔梁試驗研究以及承載力 、剛度 、裂縫的計 算方法等成果將在其他論文中介紹 。1 試驗概況本次試驗分三個批次 。 IA 批包括 9 個試件 ( IA1 IA9) ,主要變化參數(shù)為孔邊配箍率 、孔洞在梁縱軸 上位置的變化及孔洞在梁斷面上位置的變化 ; IB

10、 批包 括 15個試件 ,主要變化參數(shù)為混凝土強度 、孔洞尺寸 、 孔邊有無配置加強斜筋以及剪跨比的大小。 IC包括 5 個試件 ( IC1 IC5) ,主要考察孔徑較小且孔側未加強 配筋時開孔梁的受力性能 、孔間間距及孔間配筋的影 響 。試件示意圖及參數(shù)見圖 1和表 1。圖 1 試件示意圖F ig. 1 D eta il d iagram of spec im en s試驗均為單調靜力加載 ,集中荷載作用位置 如圖 1所示 。試驗中量測的主要內容包括 : 各級荷載 下的撓度值 、孔洞周圍鋼筋的應變值 、試件的開裂荷 載 、極限荷載 ,以及各級荷載下主要裂縫的寬度 。2 試驗結果與分析2. 1

11、 裂縫開展與破壞形態(tài)( 1)孔洞尺寸的影響試件組 ( IC1、IC2、IC3、IB4、IB6、IB7 )的孔洞直徑 依次 為 0 (實 腹 ) 、80mm、100mm、129mm、163mm、 199mm,其他條件基本接近 。由該試件組的裂縫開展 (圖 2)可見 ,各試件均發(fā)生開孔段的剪切破壞 ,但其裂 縫開展及破壞特點隨孔洞直徑的加大而有所不同。 試件 IC1、IC2、IC3及 IB4的孔洞直徑不大于 h / 3 ( h 為 梁高 ) ,破壞時的臨界斜裂縫由孔邊斜裂縫 1、2 逐步 發(fā)展而成 ,走向和位置基本一致 ,其中實腹梁的臨界 斜裂縫由梁底彎曲裂縫轉成彎剪斜裂縫發(fā)展而成 ; 臨 界斜裂

12、縫由加載點指向支座 ,破壞時加載點下方出現(xiàn) 混凝土壓碎的現(xiàn)象 ,破壞的延性較好 ?？锥粗睆酱笥?h /3的試件 ( IB6和 IB7) ,臨界斜裂縫 3 往往在接近破 壞時才突然出現(xiàn)且開展迅速 ,很快將梁劈成兩半而發(fā) 生脆性破壞 ,臨界斜裂縫的走向較為水平 ,且貫穿孔 洞上方 (以下將孔洞上 、下方部分分別稱為上 、下弦 桿 )延伸至孔洞左上方。從裂縫分布的特點來看 ,孔 徑較大的試件在孔洞上方出現(xiàn)正裂縫 4,孔徑較小的 試件則沒有出現(xiàn) ,這主要是孔徑加大后導致上弦桿削 弱 、局部彎矩加大而產生的 ; 另外 , 孔徑較小的試件 IC2和 IC3在孔洞與支座間還出現(xiàn)了腹部斜裂縫 4,從 拉桿拱的

13、力學模型考慮 ,此時斜裂縫 4、5 之間的混凝 土塊體必須通過箍筋將剪力懸吊到支座上方的主拱 體 ,孔洞與支座的箍筋將由于傳力路徑的改變而增大 受力 ,箍筋的作用得到更充分的發(fā)揮。圖 2 裂縫開展和破壞形態(tài) 孔洞尺寸的影響F ig. 2 Crack ing and fa ilure m ode: effects of the open ing( 2)孔洞位置的影響試件組 ( IA5、IA4、IA6 )孔洞中心與左支座的距離 a依次為 241mm、482mm 和 757mm ,其他條件基本一 致 。由圖 3 所示該試件組的裂縫開展圖可見 , 孔洞 在梁縱向上的位置影響了試件的裂縫開展狀況和破壞

14、第 42卷 第 10期蔡 健等 ·腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究· 29 ·表 1 試件參數(shù)和結果一覽表Table 1 Param eters and exper im en ta l results of spec im en shbd試件fcu孔側 /孔間孔側箍筋lpae0斜裂縫斜裂寬度試件破壞(mm)(mm)(mm) (MPa)加強箍斜筋(mm)(mm)(mm)初裂 ( kN)1. 2mm ( kN)破壞 ( kN)形態(tài)IC440018013037. 3<10110<6901000 368 /6334075131. 5剪壓破壞IC540

15、018013037. 3<10110<61101000 300 /7004085129剪壓破壞IA1 IA2 IA3 IA4 IA5 IA6 IA7 IA8 IA9 IB1 IB2 IB3 IB4 IB5 IB6 IB7 IB8 IB9 IB10 IB11 IB12 IB13 IB14 IB15 IC1 IC2 IC3<6200100050110剪壓破壞40618217. 5542418412217. 5540418812518. 624041871272240418412922405186128224111851252240218613618. 6240118112917.

16、 5539917329. 139918112928. 140118112828. 140418112928. 140518112928. 140318116328. 140318019928. 139917816629. 140418219829. 140017613129. 140018313029. 1402181-44. 140318012744. 140118013144. 140118512944. 140018037. 34001808037. 340018010037. 31000526732. 557. 5斜拉破壞<6200 <6200100049373577. 5

17、剪壓破壞<6100 <8100100048283565110剪壓破壞<6100 <81001000241645703119孔側砼斜壓破壞<6100 <81001000757930100. 7孔側砼斜壓破壞<6100 <810010005033635603125剪壓破壞<6100 <8100<6200 <6200<61801000485683055108. 4剪壓破壞1000 139625075120剪壓破壞10004080100剪壓破壞10005003555斜拉破壞<6180 <6180100050035

18、6095剪壓破壞<6100 <8100100050037. 567. 5142. 5剪壓破壞<6100 <6180 上下各 2<8 10005004597. 5150剪壓破壞<6100 <8100100050022. 552. 5120弦桿剪切破壞<6100 <810010005002080385弦桿剪切破壞<6100 <6180 上下各 2<8 10005003090135剪壓破壞<6100 <6180 上下各 2<8 10005003075112. 5弦桿剪切破壞<6100 <810090

19、040037. 567. 5150剪壓破壞<6100 <810080030037. 575152孔側砼斜壓破壞<6140100060100140剪壓破壞10005004570斜拉破壞<6140 <614010005003067. 5135剪壓破壞<6100 <810010005005090180剪壓破壞<6200100050095110197. 5剪壓破壞<620010005006090156剪壓破壞<620010005005585125剪壓破壞圖 3 裂縫開展和破壞形態(tài) 孔洞縱向位置的影響F ig. 3 Crack ing and

20、fa ilure m ode: effects of the open ing loca tion模式 。試件 IA4 為典型的剪壓破壞 ,孔邊斜裂縫 1、2出現(xiàn)后穩(wěn)定發(fā)展 ,最后成為臨界斜裂縫 ,加載點下混凝土被壓碎而破壞 。試件 IA5破壞時孔洞與支座間混 凝土被壓碎 (形成裂縫 3) ,孔洞頂部沿 10°左右方向出 · 30 ·土 木 工 程 學 報2009年現(xiàn)一斜裂縫 4直通梁頂 。試件 IA6破壞時則孔洞與加 載點間混凝土被壓碎 (形成裂縫 3) ,孔洞底部沿 25°左 右方向出現(xiàn)斜裂縫 4直通梁底 。試件 IA5和 IA6均屬 于脆性破壞 。

21、這說明孔洞過于靠近支座或加載點都 不利于試件延性的發(fā)揮 。另外 ,試件組 ( IA4、IA7、IA8 )的試驗現(xiàn)象表明 ,孔 洞偏向受拉區(qū)的偏心距對試件的破壞形態(tài)和裂縫分 布影響不大 ,試件均以加載點附近的剪壓區(qū)壓碎而宣 告破壞。( 3)孔側加強腹筋的影響試件 IB6孔側僅配置加強箍筋 <8100, IB8配置 加強箍筋 <6180及加強斜筋 2<8。由圖 4可見 , IB6 孔洞周邊斜裂縫較少 ,分布也較集中 ,且在接近破壞 時出現(xiàn)孔洞上側梁頂?shù)呢Q向裂縫 4,此裂縫出現(xiàn)后即 產生孔洞上弦桿剪切裂縫 3,迅速開展后將梁剪斷 ,為 脆性破壞 。 IB8 則在孔邊斜裂縫 1、2

22、穩(wěn)定發(fā)展后 ,出 現(xiàn)梁腹斜裂縫 3,逐漸與斜裂縫 2 聯(lián)合形成臨界斜裂 縫 ,最后加載點下方混凝土壓碎而發(fā)生剪壓破壞。( a) IB6( b) IB8圖 4 裂縫開展和破壞形態(tài) 加強腹筋形式的影響F ig. 4 Crack ing and fa ilure m ode: effects of re inforcem en t form around the open ing試件 IB2 為無腹筋試件 , IB3 為孔側普通配箍 ( <6180)試件 , IB4 為孔側加密配箍 ( <8 100 ) 試 件。 IB2和 IB3 的裂縫展開圖見圖 5, IB4 可見于圖 2 ( d)

23、。如圖所示 , IB2發(fā)生脆性的斜拉破壞 , IB3 和 IB4 則發(fā)生剪壓破壞 ,其中孔側配箍率較小的 IB3 破壞時 的臨界斜裂縫由孔右上初裂斜裂縫發(fā)展而成 ,混凝土 剪壓區(qū)不出現(xiàn)其他斜裂縫 ,而 IB4 的混凝土剪壓區(qū)還 出現(xiàn)其他的斜裂縫 、破壞時延性較好 。( a) IB2( b) IB3圖 5 裂縫開展和破壞形態(tài) 孔側配箍率的影響F ig. 5 Crack ing and fa ilure m ode: effects of ra tio of stirrup around the open ing在裂縫寬度方面 ,由圖 6 的荷載 2斜裂縫寬度曲線 可知 ,同級荷載下斜裂縫寬度有

24、IB3 > IB6 > IB4 > IB8的關系 ,說明箍筋配箍率的提高有利于控制斜裂縫寬 度 ,加強斜筋對限制斜裂縫開展的效果要優(yōu)于箍筋 ; 另外 ,從 IB4 和 IB6 的比較可以看到 , 同等配筋條件 下 ,圓孔越大 ,斜裂縫寬度越大。圖 6 加強腹筋形式和配箍率對斜裂縫寬度的影響F ig. 6 Effects of re inforcem en t form and stirrup ra tio on the w idth of inclined cracks( 4)孔洞間距的影響試件 IC4孔間凈距為 1. 0d ( d 為孔洞直徑 ) ,而 IC5 孔間凈距為

25、2. 0d。由圖 7可見 ,兩者的裂縫分布和開展 相似 ,均出現(xiàn)貫通兩孔的孔間斜裂縫 ,破壞形態(tài)均為以加 載點下方混凝土壓碎為標志的剪壓破壞 ,破壞時孔邊斜 裂縫的發(fā)展較為充分 ,具有一定延性 ,避免了間距較小時 的脆性孔間剪切破壞。但 IC4的孔間斜裂縫 9與兩孔接 近相切 ,帶有孔間剪切破壞的裂縫分布特征 , IC5的孔間 斜裂縫 8則稍向下發(fā)展而不與左孔相切。(a) ) IC4( b) IC5圖 7 裂縫開展和破壞形態(tài) 孔間間距的影響F ig. 7 Crack ing and fa ilure mode: effects of the spac ing of open ings另外 ,

26、通過對試件組 ( IA2、IB2、IB13 )、( IA3、IB3、 IB14) 、( IA4、IB4、IB15)及 ( IB4、IB10、IB11)的比較發(fā)現(xiàn) ,各組試件的裂縫開展及破壞形態(tài)較為相似 ,表明在本次 試驗的參數(shù)變化范圍內 ,混凝土強度等級和剪跨比對破 壞形態(tài)的影響不大。2. 2 鋼筋應變分布特點( 1)孔洞尺寸的影響圖 8為試件組 ( IC1、IC2、IC3、IB4、IB6、IB7 )孔洞 右側箍筋的荷載 2應 變曲線。由圖可見 , 試件 ( IC1、 IC2、IC3)和 ( IB4、IB62IB7 )應變曲線總的發(fā)展趨勢是 一致的 ,隨著孔徑的加大 ,箍筋發(fā)揮作用的時間越早

27、; 同級荷載下 , 孔側箍筋應變隨孔徑的加大而有所增 加 ,各試件的孔側箍筋均能達到屈服。試件組 ( IC1、 第 42卷 第 10期蔡 健等 ·腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究· 31 ·IC2、IC3)的箍筋應變遠小于試件組 ( IB4、IB6、IB7 ) , 角裂荷載 (曲線轉折點 )和破壞荷載也有很大的提高 , 除了孔徑較小的原因外 ,主要是由于 IC批試驗的混凝 土強度高于 IB 批試件 ,同時梁底縱筋數(shù)量也有所提 高 ,縱筋的銷栓作用相應提高所導致的 。( 3)孔側加強腹筋的影響圖 10為孔側腹筋形式不同的試件組 ( IB6、 IB8 ) 的加

28、強腹筋荷載 2應變曲線 。由圖可見 ,同時配置箍筋 和斜筋 IB8的加強斜筋在各級荷載下的應變均大于加 強箍筋 ,且斜筋開始發(fā)揮作用時間遠早于箍筋 ,箍筋 要在荷載值較大 ,裂縫開展到一定程度時應變值才有 明顯的增加 ;僅配置箍筋的 IB6 在加載中后期其箍筋 應變接近于 IB8的斜筋 ,其箍筋應變發(fā)展速率加大的 荷載級別介于 IB8的箍筋和斜筋之間 。上述現(xiàn)象說明 加強斜筋的抗剪作用比加強箍筋更直接和顯著。圖 8 孔側箍筋的荷載 2應變曲線 孔洞尺寸的影響F ig. 8 L oad2stra in curves of stirrup around open ing: effects of t

29、he open ing size圖 9為試件組 ( IB4、IB7 )的箍筋應變分布圖 。由 圖可見 ,孔徑較大的 IB7 僅有緊貼孔洞的兩道箍筋在 斜裂縫寬度達到 0. 2mm后能達到較高的應變 ,在試件 破壞時基本能達到屈服 ,而其他箍筋的應變一直均很 小 ,其原因在于孔洞越大 ,除緊貼孔側外的其他箍筋 與斜裂縫的相交越不充分 ,箍筋的作用得不到發(fā)揮 。 相比之下 ,孔徑較小的 IB4箍筋應變分布較為均勻 ,破 壞時箍筋應變大于 IB7,離孔側較遠的箍筋應變發(fā)展 較為充分 。另外 , 從斜裂縫寬度 0. 2mm 時的應變來 看 , IB7的應變值較大 ,且與破壞時的應變水平接近 , 說明孔

30、徑較大時試件的破壞延性較差。圖 9 孔側箍筋的應變分布圖 孔洞尺寸的影響F ig. 9 Stra in d istr ibution of stirrup around open ing: effects of the open ing size( 2)孔洞位置的影響孔洞偏心試件組 ( IA4、IA7、IA8 ) 的試驗結果表 明 ,孔洞偏向受拉區(qū)較大的 IA8 (偏心距 0. 15h )由于 孔左側斜裂縫與箍筋相交位置較低且裂縫與梁縱軸 的夾角較小 ,另外由于下弦桿截面高度較小 ,箍筋錨 固滑移的影響較大 ,因此造成孔洞與支座間的箍筋應 變均較孔洞居中的 IA4小 ,無法充分發(fā)揮作用。圖 1

31、0 腹筋的荷載 2應變曲線 不同腹筋形式的影響 F ig. 10 L oad2stra in curve of tran sverse re inforcem en t: effects of re inforcem en t form around open ing( 4)混凝土強度的影響試件組 ( IA3、IB3、IB14 ) 的混凝土強度等級依次 為 C20、C30、C45。圖 11 為各試件相同位置孔側箍筋 的荷載 2應變曲線 。由圖可見 , 隨著混凝土強度的提 高 ,孔角初裂荷載提高 ,孔側箍筋應變曲線轉折點對 應的荷載提高 ;同時開裂后混凝土剪壓區(qū)承擔的抗剪 力提高 ,由腹筋承擔的

32、比例相應減小 ,因此在同級荷 載作用下 ,孔側箍筋應變減小。圖 11 孔側箍筋的荷載 2應變曲線 混凝土強度影響F ig. 11 L oad2stra in curve of stirrup around open ings: effects of strength of concrete( 5)孔洞間距的影響 孔間混凝土相當于空腹桁架的豎向受壓腹桿 ,既承受梁整體作用產生的豎向剪力 ,又承受左右側混凝 土壓力差和鋼筋拉力差產生的水平剪力 。由圖 12 可 見 , IC4和 IC5孔間箍筋的荷載 2應變曲線均基本相似 , 各級荷載下的箍筋應變相差不大 ,臨近破壞時突然出 現(xiàn)的孔間斜裂縫對孔間箍

33、筋應變的影響不大 ,由此認 · 32 ·土 木 工 程 學 報2009年為 ,孔間箍筋主要承擔的仍是孔側豎向剪力 ,水平剪 力主要由孔間混凝土承擔。箍率較小的 IB3撓度發(fā)展速度加快 ,變形大于孔側配 箍率較大的 IB4。對梁跨中 ,同樣存在上述的規(guī)律。圖 12 孔間箍筋的荷載 2應變曲線 孔間間距的影響F ig. 12 L oad2stra in curve of stirup between open ings: effects of the spac ing of open ings2. 3 撓曲變形特點( 1)孔洞尺寸的影響圖 13為孔徑逐步加大的試件組 ( IB4

34、、IB6、 IB7 ) 孔洞中心 (距左支座 1 /3 跨處 )及跨中處的荷載 2撓度 曲線 。在同級荷載作用下 ,試件跨中及孔洞中心處變 形均隨孔徑的增大而增大 ,但跨中處的撓度增量小 , 孔洞中心處的撓度增量相對較大 ,說明孔徑的大小對 試件跨中變形的影響不如對孔洞中心處變形的影 響大。( 2)孔側加強腹筋的影響圖 14 為 配箍率 逐 步 加 大 的 試 件 組 ( IB2、IB3、 IB4)孔洞處的荷載 2撓度曲線 。由圖可知 , 無腹筋的 IB2在小變形時就發(fā)生脆性斜拉破壞 ; 在加載前期 , IB3和 IB4 的撓度基本相同 ,隨著荷載的加大 ,孔側配圖 14 孔洞處的荷載 2撓度

35、曲線 孔側配箍率的影響 F ig. 14 L oad2deflection curves a t the open ing cen ter: effects of stirrup ra tio around open ing圖 15為不同腹筋形式的試件組 ( IB6、IB8 ) 孔洞 處的荷載 2撓度曲線 。由圖可見 ,在同級荷載下 ,配置 了加強斜筋的 IB8 撓度小于僅配置箍筋的 IB6,且兩 者的撓度差隨著荷載的提高而逐漸加大 ,說明斜筋的 作用較箍筋更為顯著。圖 15 孔洞處的荷載 2撓度曲線 腹筋形式的影響 F ig. 15 L oad2deflection curves a t t

36、he open ing cen ter: effects of re inforcem en t form around open ing( 3)混凝土強度的影響試件組 ( IB4、IB15)的混凝土強度等級分別為 C30 和 C45,由圖 16所示的荷載 2撓度曲線可見 ,各級荷載 下 ,混凝土強度較高的 IB15跨中撓度小于強度較低的 IB4,這一方面得益于混凝土彈性模量的提高 ,另一方 面是由于混凝土抗拉強度的提高推遲了開孔梁正 、斜 裂縫的出現(xiàn) ,使試件的剛度有所提高。圖 16 跨中點的荷載 2撓度曲線 混凝土強度的影響F ig. 16 L oad2deflection curves

37、a t the m idspan : effects of strength of concrete 第 42卷 第 10期蔡 健等 ·腹部開有圓孔的鋼筋混凝土簡支梁的試驗研究· 33 ·( 4)孔洞間距的影響圖 17為試件組 ( IC4、IC5)跨中的荷載 2撓度曲線 。 由圖可見 ,兩試件的荷載 2撓度曲線基本相似 ,同級荷 載作用下孔間間距較小的 IC4 的跨中撓度稍大于 IC5,提高幅度最大在 15%左右 ,表明孔間距較大時梁 的剛度也略為隨之提高 ,但影響幅度有限 。大 ) ,試件的破壞剪力和孔邊斜裂縫的初裂剪力均略 有下降 ,其中破壞剪力與孔心剪跨比基

38、本呈線性變化 關系 ,但最大變化幅度僅在 20%左右 。這主要是當 a 值加大時 , 孔洞截面處所承受的剪力不變而彎矩加 大 ,彎剪綜合作用的不利影響使試件的破壞剪力和斜 裂縫初裂剪力降低。圖 17 跨中的荷載 2撓度曲線 孔間間距的影響F ig. 17 L oad2deflection curves a t the m idspan : effects of the spac ing of open ings圖 19 孔洞縱向位置對開孔梁承載力的影響F ig. 19 Effects of open ing loca tion a long long itud ina l ax is on b

39、ear ing capac ity2. 4 承載力特點( 1)孔洞尺寸的影響圖 18為試件組 ( IC1、IC2、IC3、IB4、IB6、IB7)試件 破壞和斜裂縫初裂時的截面剪力與孔徑參數(shù) d / h (孔 徑與梁高比 )的關系曲線 ,由于 IB 批試件和 IC批試件 的混凝土強度相差較大 ,圖中縱軸采用剪力 V 與參數(shù) fck bh 的比值。由圖 18 可見 , 隨 d / h 的增大 , 試件 ( IC1、IC2、IC3)和 ( IB4、IB6、IB7 )的破壞剪力幾乎呈直 線下降的趨勢 ,而 IB4 的破壞剪力大于 IC3,原因在于 IB4的孔側配箍 <8 100 遠大于 IC3

40、 的 <6 200; 其 中 IB6 ( d / h = 0. 4)和 IB7 ( d / h = 0. 5 )破壞時的截面剪力僅 0. 045fck bh和 0. 032fck bh,接近于孔洞截面無腹筋 梁的抗剪承載力 0. 07 fck b ( h - d) ; 另外 ,孔邊斜裂縫 的初裂剪力同樣隨 d / h 的增大而下降 , 但下降速率小 于破壞剪力 , 而且當 d / h 超過 0. 3 后下降速率漸趨于 平緩 ,從 IC3與 IB4初裂剪力比較來看 ,斜裂縫的初裂 剪力基本不受孔側配箍量的影響 。圖 18 孔洞尺寸對開孔梁承載力的影響F ig. 18 Effects of

41、open ing size on bear ing capac ity( 2)孔洞位置的影響圖 19為試件組 ( IA5、IA4、IA6 ) 破壞和斜裂縫初 裂時的截面剪力與孔心剪跨比 = a / h 的關系曲線 。 由圖可見 ,隨著孔洞縱向位置逐漸靠近加載點 ( a 值加試件組 ( IA4、IA7、IA8 )孔洞向截面受拉區(qū)的偏心 率 e0 / h依次為 0、0. 075和 0. 15,由圖 20可見 ,隨著孔 洞向受拉區(qū)偏心率 e0 / h的提高 ,試件的破壞剪力略有 提高 ,幅度在 20%左右 ; 而偏心率對試件斜裂縫的初 裂剪力幾乎沒有影響。圖 20 孔洞偏心率對開孔梁承載力的影響F

42、ig. 20 Effects of eccen tr ic ity factor of the open ing on bear ing capac ity( 3)孔側加強腹筋的影響由圖 21 可知 ,隨著孔側加強箍筋配箍率的提高 , 試件的破壞剪力基本呈線性增長的趨勢 ,但試件的斜 裂縫初裂剪力則基本沒有變化 , 這是由于在斜裂以 前 ,箍筋應變很小 ,基本無法發(fā)揮作用 ,因此配箍率對 斜裂荷載基本沒有影響。圖 21 孔側配箍率對開孔梁承載力的影響F ig. 21 Effects of stirrup ra tio around open ing on bear ing capac ity

43、· 34 ·土 木 工 程 學 報2009年另外 ,對比孔側僅配置 <8 100 加強箍筋的 IB6 和配置了 <6 180 箍筋及 2<8 斜筋的 IB8 可知 , IB6 和 IB8的斜裂縫初裂剪力分別為 22. 5kN 和 30kN ,破 壞剪力分別為 120kN 和 135kN , IB8 的斜裂縫開裂荷 載和破壞剪力分別相對提高了 33. 3%和 12. 5% ,說明 在同等配筋量的條件下 ,配置孔側加強斜筋更有利于 提高開孔梁的斜裂縫初裂剪力及抗剪承載力 。( 4)剪跨比的影響由圖 22 所示試件組 ( IB11、IB10、IB4 ) 的截面剪

44、 力 2剪跨比 (m ) 關系曲線可知 , 在本次試驗的范圍內 (m < 3) ,隨著剪跨比的增大 ,試件的抗剪承載力略有 降低 ,但變化的幅度很小 , IB11 與 IB4 的抗剪承載力 相差僅在 7%左右 ; 而各試件的斜裂縫初裂剪力則基 本一致。圖 22 剪跨比對開孔梁承載力的影響F ig. 22 Rela tion between bear ing capac ity and ra tio of shear span to effective sectiona l depth( 5)混凝土強度的影響圖 23反映了破壞和斜裂縫初裂時的截面剪力與 混凝土立方體強度的關系曲線 。由圖可

45、見 ,無腹筋梁 和有腹筋梁的斜裂縫初裂剪力均隨混凝土強度的加 大呈線性增長的趨勢 ,且相同混凝土強度下的無腹筋 梁和有腹筋梁的斜裂荷載非常接近 ,說明開孔梁的孔 邊斜裂荷載主要取決于混凝土的抗拉強度 ,腹筋在斜 裂縫出現(xiàn)前基本無法發(fā)揮作用 。試件的破壞剪力同 樣隨著混凝土強度的加大而提高 ,但不呈現(xiàn)線性增長 關系 ,這是由于縱筋數(shù)量 、剪跨比等其他因素對混凝 土部分承擔的抗剪承載力也有一定的影響。( a)無腹筋梁( b)有腹筋梁圖 23 混凝土強度對開孔梁承載力的影響F ig. 23 Effects of strength of concrete on bear ing capac ity(

46、6)孔洞間距的影響試件 IC4和 IC5的斜裂荷載均為 40kN ,破壞剪力 分別為 131. 5kN 和 129kN ,孔間間距的變化對斜裂荷 載和破壞剪力基本上都沒有影響 , 這主要是 IC4 和 IC5的 孔間間 距均 較為充 足 , 分 別達到 了 1. 0d 和 2. 0d,試件出現(xiàn)了孔側的剪切破壞而非孔間的剪切 破壞 。3 結 語通過上述對試驗結果的研究和分析 ,對腹部開有 圓孔的鋼筋混凝土開孔梁的力學性能 ,可得出以下的 結論 :( 1)孔徑是影響圓孔梁受力性能的主要因素 。隨 著孔徑的加大 ,圓孔梁的剪切破壞形態(tài)逐步由孔側剪 壓破壞過渡為孔側斜拉破壞 ,孔邊的斜裂荷載降低 , 孔側箍筋應變增大 ,梁撓度加大但幅度較小 ,試件的 抗剪承載力隨孔徑加大幾乎呈直線下降的趨勢 ,當孔 徑超過 0. 4h后下降的幅度尤為顯著。( 2)孔洞離支座和加載點應有 1. 0h 以上的距離 ,以避免發(fā)生孔側混凝土的脆性壓壞。( 3)在本次試驗研究的參數(shù)變化范圍內 (孔心與 支座的距離在 0. 5h至 2. 0h 之間 , 孔心偏向受拉區(qū)的偏心距在 0. 2h 以內 ) ,孔洞縱向位置和偏心對開孔梁 整體剛度的影響均較小 ,但對孔洞處的變形有一定的 影響 ;開孔梁的斜裂縫初裂剪力和抗剪承載力均隨著 孔心剪跨比的提高而下降 ; 隨著孔洞向受