竖向荷载作用下钢筋混凝土斜柱—薄壁柱局部转换节点研究

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本文通过两个钢筋混凝土斜柱一一字形薄壁柱局部转换节点在竖向荷载作用下的静力试验以及有限元分析，获得了该节点的基本性能，其中包括开裂前后的竖向荷载的传递路径、试件应力分布，裂缝的发生、发展，及试件最后的破坏形态等。试验重点研究了两类节点中薄壁柱与方柱和转换梁相接处的竖向应力状态、转换梁应力状态以及斜柱和方柱的应力状态。结果表明有孔斜柱转换节点和无孔斜柱转换接点的竖向受力性能和传力机制存在着明显的差异。对有孔斜柱转换节点而言，转换梁的受力最为不利，它不仅承担由薄壁柱传来的垂直荷载，而且还承担由斜柱水平分力引起的轴向拉力，即截面上有弯矩、剪力和轴力的共同作用。正是由于转换梁在复杂应力作用下破坏，导致了薄壁柱中大幅度的应力重分布，使其产生局压破坏，且承载力不能得到充分发挥。但无论如何，整个节点的受力机制具有明显的桁架模型特征。对无孔斜柱转换节点而言，由于斜柱与转换粱和方柱形成了一个整体，而且斜柱角度较大，因而其传力机制和加腋的转换梁类似，但薄壁柱中的应力分布更为均匀，转换效果更好。

根据试验研究和有限元分析的结果，本文对两类转换节点的设计方法进行了初步探讨。在有孔斜柱转换节点中引入了桁架模型以确定转换梁、斜柱及方柱的内力。采用等效应力法确定了桁架模型的外力，即薄壁柱传来的荷载，其中考虑了斜柱的倾角以及反映薄壁柱与转换梁共同作用的薄壁柱端部塑性发展系数的影响。同时对本类节点中薄壁柱承载力的计算方法也提出了建议。在无孔斜柱转换节点中采用了基于刚性角假设的非均匀应力法来计算薄壁柱、转换梁的承载力，而对斜柱承载力的研究还有待进一步的探讨。

关键词：竖向荷载，钢筋混凝土，有孔斜柱，无孔斜柱，局部转换节点，受力性能，一字形薄壁柱，ＡＮＳＹＳ，有限元

英文摘要

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｂｅｅｌｉｎｅ—ｓｈａｐｅｄｗａｌｌ，ＡＮＳＹＳ，ｆｉｎｉｔｅ

ＩＶ

１绪论

１绪论

１．１概述

现代高层建筑是经济发展和科学技术进步的产物。城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化又促进了现代高层的建筑发展和成熟。

我国高层建筑迅速发展，首先同对外开放、外贸和旅游事业的发展，相应地要求建造高层商业建筑和旅游饭店有着密切的关系，７０年代以来的高层建筑几乎都是这一类型。尤其是外资和合资经营的不动产项目。其次，由于城市规划、城市改造的要求和建设用地紧张，也使得相当多的办公楼、旅馆、医院、学校、文化建筑向高层发展。而量大面广、急待兴建的住宅建筑，也是由于城市征地困难、人口过于集中而高层化。

我国高层建筑在早期多为单一用途，近年来，随着市场经济的发展，为满足不同用户的需要，同时也为适应现代化社会高效率，快节奏的要求，高层建筑的建筑空间向着多层次、多功能发展，不同用途的楼层需要大小不同的开间，需用不同的结构形式。目前最常见的高层建筑上部为小开间套房如旅馆、住宅；中间部分为办公用房；而下层则布置商店、餐厅、银行和娱乐设施；地下部分为停车场或地铁车站。这样在一条垂直线上就可以满足用户的各种需要。从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置，下部则希望有尽可能大的使用空间，柱距要大。从结构受力上看，由于高层建筑下部楼层受力很大、上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱距。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此，为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置成小空间，下部布置成大空间。为了实现这种结构布置，结构工程师们在结构布置中在不同的部位选用了不同的结构形式。在下部结构中采用了框架结构，框架结构的优点是建筑布置灵活，立面设计灵活多变，这正好满足了建筑的要求：而在上部结构中采用了薄壁柱结构，这是一种新型结构形式，即在满足承载能力和刚度的前提下，将框架柱设计成一字型、Ｌ型、Ｔ型、ｚ字形、十字形和工字形等形状。薄壁框架的应用，成功地解决了框架结构竖向构件尺寸太大影响建筑美观的缺点，把剪力墙结构适用于住宅和办公建筑的优点和框架结构的经济性融合为一体。

不同功能的楼层需要不同的空间划分，因而上下层之间就要求结构形式和结构布置轴线的改变，这就需要在上下层间设置结构转换层，以完成结构布置密集、

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墙柱较多的上层（旅馆、住宅）向结构布置较少的下层（办公、商场）的结构转换。可以说，这类建筑己成为现代高层建筑的一大趋势，尤其是现代大城市用地紧张以及复杂的立体交叉更是如此。

１．２转换层的转换方式

转换层楼盖依其受力状态的不同而可以分为梁式楼盖转换、箱形楼盖转换、桁架转换、厚板转换和斜柱转换口’［１７１。

粱式楼盖是指在现浇钢筋混凝土楼板上布置单向托梁（纵向或横向）或双向托粱（纵、横向）或斜向托梁，以承托在本层落空的上面各层的承重柱或剪力墙。该种转换形式一般用于底部大空间剪力墙结构，当需要纵横向同时转换时，采用双向梁的布置。对于框筒或筒中筒结构，由于外框筒的柱一般较密，在底部一、二层的出入口处往往不能满足使用要求，有时要求把外筒在局部减少，因而形成上层有柱，下层无柱的情况，有时出入口不止一处，对此情况可以在相应楼层下做一圈转换大梁，把上部柱的荷载通过转换大梁传到下层两边的柱上去。

箱形楼盖是指以上、下两层楼板作为构件的上下翼缘，并在其问设置若干片单向或双向腹板（竖隔板）后，所形成的箱形水平抗弯构件。转换层箱形楼盖的适用范围与梁式楼盖大致相同，即可用于上下层的构件类型转换，柱网尺寸的扩大以及构件轴线单向错位等。但是箱形楼盖具有比梁式楼盖大得多的承载能力，因此箱形楼盖特别适用于大跨度以及承托大荷载的柱和墙。

桁架转换：对于下部是商场，娱乐设施而上部是住宅，客房等情况的建筑，一般在客房或住宅与商场之间设有一个管道设备层，可以利用设备层的空间根据上，下柱网轴线的位置设置桁架，桁架上部的柱或墙的荷载通过桁架传到下部较大间距的柱或墙上，而设备管道又可以在桁架的腹内穿行。

厚板转换：当结构上、下柱网轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以作成厚板，形成板式承台转换层，板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无须与上层结构对齐。厚板厚度要视柱网尺寸及上部荷载而定，但是这种转换层体系自重很大，材料耗用较多。厚板楼盖虽然外形比较简单，但是由于它很厚，其厚度有时达到３．Ｏｍ，自重很大，差不多等于２０层一般楼盖的自重，对抗震不利。在地震作用下，这样大的质量必将引起很大的水平地震作用，而且是作用于一个楼层的水平集中力，它会使下面楼层的层问侧移变得较大。此外，由于厚板楼盖的水平刚度和竖向刚度均很大，相比之下，使得上、下楼层因层间抗推刚度显得较小，而变成“相对柔弱层”，从而加剧其上、下楼层的塑性变形集中效应，进一步加大上、２

１绪论

下楼层的层间侧移值，以至降低这些楼层的结构抗震可靠度，加重其破坏程度。因此对于地震区的高楼，转换层要慎用厚板楼盖。万不得已必须采用厚板楼盖时，一定要采取措施提高其上下各楼层的结构构件的变形能力。

斜柱转换：斜柱转换是一种可在大量超高层、高层建筑中推广采用的转换结构形式。它是桁架转换中最简单的一种，采用它将会改变转换层不便使用的概念，将目前巨型梁转换仅能供做管道层改为可进行营运的有效使用面积，变“死”空间为活空间，使转换层具有了更大的经济价值。

１．３薄壁柱研究的现状

薄壁框架结构作为一种新的结构形式，已广泛应用于现代住宅和办公建筑中。国内外对薄壁框架柱的受力性能和设计方法已进行了不少研究，取得了可喜的成绩。

国内方面，华南理工大学的卫圆、冯建平等在八十年代末对Ｌ形和Ｔ形薄壁柱的正截面和斜截面的受力性能、抗震性能和设计方法作了一系列的研究，其中包括部分简单的节点研究。其成果主要反映在广东省地方标准＜＜钢筋混凝土薄壁柱设计规程＞＞（ＤＢＪ／Ｔ１５．１５—９５）【ｌ８】中。天津大学的康谷贻、徐向东，以及哈尔滨建筑大学的曹万林等在九十年代初对薄壁柱的基本性能（抗压、偏心抗压、抗剪等）及抗震性能进行较为详细的研究，其成果反映在天津市地方规程“９１中。曹万林等研究的节能薄壁柱一框架体系，还被列入国家重大科技产业工程“２０００年小康型城乡住宅科技产业工程”中。

国外方面，ＬＮ．Ｒａｍａｍｕｒｔｈｙ，Ｔ．Ａ．ＨａｆｅｅｚＫｈａｎ，ｚ．Ｘ．Ｇｕｏ，ＣｈａｒｔＳｌ，Ｇｕｐｔａ，Ｒ，Ｐ，Ｃｈｅｎｇ－Ｔｚｕ，ＴｈｏｍａｓＨｓｕ等［２０】．［驯对薄壁柱（十字形、Ｔ字形、Ｌ形等）和各转换方式进行了试验研究和计算分析。得出了一些薄壁柱和各转换方式在各种荷载下的一些基本力学性能。

关于薄壁柱本身性能的研究已有一些资料，而且我国的广东省和天津市还有相关的地方标准。但这两个地方标准只能适用于十二层以下的多高层建筑中，且薄壁柱不存在转换问题。重庆建筑大学的钟树生和王飞、肖德周、李胜［１】等竖向荷载下钢筋混凝土方柱一一字形薄壁柱的受力性能进行了试验研究和有限元分析，获得了基本性能，并对节点的承载力计算方法提出了建议，其中包括转换梁计算方法和一字形薄壁柱考虑转换梁剪跨比影响的承载能力计算方法。

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１．４转换层研究的现状和发展趋势

１．４．１转换层结构的研究现状

五六十年代，前苏联、东欧一些学者提出了柔性底层房屋的方案，也就是上层全部为剪力墙，下部为框架的结构体系，并认为柔性底层有利于隔震，提高整座建筑物的抗震能力，因而兴建了不少这样的房屋，这也是首次通过设置转换层而取得底层大空间的尝试。

但是，实践表明柔性底层房屋并不具有人们所期望的隔震、抗震能力，底层框架柱不能承受过大变形，在地震中容易破坏而使整座建筑物倒塌。例如１９６４年前南斯拉夫斯科比耶地震，这类房屋倒塌或严重破坏；１９７８年罗马尼亚布加勒斯特地震，许多这样的房屋由于底层柱破坏而倒塌：１９８８年１２月前苏联亚美尼亚地震中又总结出一个教训：底层柔性房屋的抗震性能很差，破坏严重。

我国在这方面的研究以及实际工程的应用始于７０年代中期，１９７５年首先在上海天目路建成了１３层住宅（上层为剪力墙，下层部分改为框架），并对其进行了现场应力实测、光弹性试验、钢筋混凝土模型试验及框支剪力墙有限元分析等一系列研究。１９８１—１９８３年，对１２层底层大空间剪力墙结构住宅模型（１／６）进行了输入地震比波的拟动力试验，并在大连建成了一幢１５层的友好广场住宅。１９８４—１９８６年，中国建筑科学研究院结构研究所进行了一幢１２层底部大空间上为鱼骨式剪力墙模型（１／６）的拟动力试验研究，１９８８—１９８９年，还进行了一幢３２层大底盘大空间有机玻璃模型的静力试验和振动台试验；另外，清华大学也进行了两个１／２４混凝土模型的振动台试验研究。这些研究为底部大空间剪力墙结构的整体刚度和楼层相对刚度的选择和控制，提供了试验和理论上的技术依据。

对框支剪力墙结构中框支梁的研究，国内目前主要进行了有限元分析研究以及一些工程实践的经验总结。通过这些研究和总结，对转换梁的受力特征有了较为全面的认识，获得了可靠的设计依据，已作为一种特殊的结构体系反映在新规范中。

从７０年代中期，国内开始尝试使用底层大开间剪力墙结构（即梁式转换层），到现在短短的二十年时间，梁式转换层的工程应用发展较快。目前，在高层建筑转换层结构中，梁式转换的应用最为广泛，从结构传力方式看，梁式转换层具有传力直接、明确和传力途径清楚的优点。

１．４．２转换层结构的发展趋势

在多种转换层结构形式中梁式转换是目前高层建筑实现垂直转换最常用的方式，但是当转换梁的跨度很大且承托的层数较多时，由转换梁承托上部框架柱传４

ｌ绪论

递下来的竖向荷载将会很大，致使转换粱的截面尺寸过大，使得转换粱的设计在理论上虽然可以实现，但在实际实施中却不可行。再者，采用转换梁也不利于大型管道等设备系统的布置，不利于该转换层建筑空间的充分利用。因此，有必要寻求新的转换结构形式来代替转换大梁。理论分析和工程实践表明：采用桁架转换或斜柱转换来代替梁式转换是一种较为可行的方案。本文讨论斜柱和一字形薄壁柱的转换问题，对斜柱转换的受力特性进行分析，并在实验研究和有限元分析的基础上，结合以往的工程实践及有关的参考资料，希望提出一个实用的斜柱转换节点的设计方法。

１．５本文的研究目的和内容

１．５．１研究目的

理论研究、试验研究和电算分析是目前结构工程研究的主要手段，其中试验研究占有相当重要的地位。国内外虽已对薄壁柱进行了一系列的试验研究，并取得了一定的经验和初步的研究成果，但如第一章所述，斜柱一薄壁柱局部转换节点的试验研究还少有报道。本文试图通过对竖向荷载作用下一字形薄壁柱一斜柱转换节点的弹性有限元分析和试验研究，了解斜柱一一字形薄壁柱局部转换节点的受力机制其中包括荷载的分配、传递以及破坏形态等，为此类转换节点的设计提供依据。

具体达到以下几个目的：

（１）了解竖向荷载在该类节点中的基本传递途径，分析各传递路径在有孔斜柱转换和无孔斜柱转换中的传递比例，并为节点各部件的设计荷载的确定提供可靠的依据。

（２）获得竖向荷载作用下试件的应力分布规律，以及关键部位的受力特征；（３）通过试验获得竖向荷载作用下斜柱一一字形薄壁柱局部转换节点的破坏过程、破坏形态、开裂荷载和极限荷载等参数，分析转换梁和薄壁柱的相互作用关系，并比较有孔斜柱和无孔斜柱的差异。

（４）在试验和有限元分析的基础上分别建议有孔斜柱转换和无孔斜柱转换节点的承载力计算公式。

１．５．２研究内容本文的基本框架如图１—１所示。

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图１－１本文的基本框架图

Ｆｉｇ．１—１Ｔｈｅｂａｓｉｃｆｌ＇ａｉ／ｌｅｏｆｔｅｘｔ

本文完成了以下研究内容：

（１）根据已有经验选定节点研究的基本模型，用ＡＮＳＹＳ进行有限元分析。根据有限元分析的所得的应力状态，按现行混凝土结构设计规范提供的抗弯、抗剪计算公式进行试件设计。

（２）进行竖向荷载作用下的静力试验。

（３）分析试验现象、试验数据并得出节点在竖向荷载作用下受力性能的一般性结论，重点讨论有孔斜柱或无孔斜柱转换对试件受力性能的影响和转换梁与薄壁柱的相互作用。

（４）分析弹性有限元计算结果，阐述ＡＮＳＹＳ计算出的应力分布规律，并与试验结果进行比较。（５）按弹性理论假设推导转换梁和薄壁柱的承载力能力计算公式，并对计算

１绪论

结果较核。

（６）根据试验和有限元分析结果，对该类节点的设计方法包括有孔无孔的确定、配筋方式等提出初步建议。

２试件设计和试验方法

２试件设计和试验方法

２．１试件的原型结构

本次试验以一个位于重庆市的某实际工程结构为原型。该工程地上（±０．０００以上）二十八层（含设备层），地下三层，其中裙房七层。３０．ＯＯｍ以下为裙房，３０．ＯＯｍ以上为塔楼，转换层位于３０．ＯＯｍ标高处。转换层以下为框架剪力墙结构，塔楼短肢剪力墙结构。为了支承上部短肢剪力墙，在转换层局部采用了双边斜柱转换方式，如图２．１所示。在用ＡＮＳＹＳ５．６进行弹性有限元分析的基础上进行适当的改进后，以１／３的缩尺模型制作。本次试验共制作了２个试件，即Ｗ４．１、Ｗ４—２，其中Ｗ４—１为有孔斜柱，Ｗ４．２为无孔斜柱。

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图２．１斜柱大样图

Ｆｉｇ．２．１Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏｌｕｍｎ

２．２试件设计原理

本文的目的，首先是弄清竖向荷载作用下转换梁的受力机制，同时探９

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讨位于其上的薄壁柱和位于其下的斜柱的受力特征，包括它们对转换梁受力性能的影响以及互相间的影响。在此基础上进一步探讨节点各部件的设计方法。在实际工程中，墙体的轴压比一般都控制在０．５左右，以满足墙体在水平荷载作用下的延性要求。我们取Ｏ．４５的轴压比作为设计试件的荷载条件，在此荷载下采用近似方法计算出转换梁和薄壁柱的配筋。通过增大薄壁柱、斜柱的配筋等措施提高薄壁柱的承载力，实现薄壁柱承载力大于转换梁承载力的要求。因此本文采用Ａｎｓｙｓ分析得出了薄壁柱轴压比为Ｏ．４５时的竖向荷载作用下转换节点的应力分布，并以此作为试件配筋的依据。

２．２．１转换梁的设计依据

在计算转换梁配筋时，有两种基本思路。一是考虑转换梁和薄壁柱的共同工作，用ＡＮＳＹＳ分析得出竖向荷载作用下转换梁的轴向应力和剪应力，积分后转换为截面上的设计内力Ｍ、ｖ，作为设计配筋的依据；第二种是一个简化计算方法，在不考虑转换梁与薄壁柱的共同作用的前提下，把薄壁柱上传来的荷载直接作用于转换梁，按桁架模型计算设计内力，作为配筋的内力设计值。但是由于薄壁柱的竖向应力分布未知且过于复杂，至今未有文献讨论，所以第二种方法不可行。本文的一个重要目标就是要得到薄壁柱的竖向应力分布并简化用于节点设计，因此采用第一种方法，且计算时取转换梁根部梁和柱的交接面作为控制截面。

（１）根据转换梁的应力分布求设计内力

在控制面上定义如图２．２所示的三条路径Ｉ．Ｉ、ｌＩ．ＩＩ、ＩⅡ．ＩⅡ，通过ＡＮＳＹＳ计算可得出各路径上的轴向应力和剪应力分布。轴向应力分布如图２．３（ａ）所示，图中纵坐标。为转换梁轴向应力，横坐标Ｘ为路径上的点到梁顶的距离，Ｘｏ为中性轴的坐标；典型的剪应力分布如图２．３（ｂ）所示，图中纵坐标ｔ为转换梁剪应力，横坐标Ｘｏ为路径上的点到梁项的距离。１０

２试件设计和试验方法

图２．２转换梁路径定义示意图

Ｆｉｇ．２．２Ｔｈｅｐａｔｈｏｆｔｒａｎｓｆｅｒｂｅａｍ

＼．垄二当一

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加腋高度为ｈ－，则有：

正＝Ｂ矗ＸＯ√ｃｕｌ＇ｖｅ图２．３截面应力曲线示意图Ｆｉｇ．２．３Ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｔｒｅｓｓ设轴向应力的曲线为㈣，剪应力的曲线为删，梁宽为Ｂ，粱高为ｈｏ，梁ｒ。吼ｏ）ｄｘ（２．１）

Ａ１１．２（

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Ｃｌ＝Ｂ《÷口ｌ（ｘ）ｄｘ（２．２）

Ｍ，＝口ｒｏ＋＾ｌ（矿ｘ）吒＠）ａｘ（２．３）

＿＝Ｂ￡＋ｈｉ７．ｉ（ｘ）ｄｘ（２．４）

式中：乃一按路径ｉ－ｉ计算的截面拉应力合力

Ｃ，一按路径ｆ．ｆ计算的截面压应力合力

Ｍ一按路径ｉ－ｉ计算的截面弯矩

Ｋ一按路径ｉ－ｉ计算的截面剪力

最终的设计内力由以下公式得出：

Ｔ＝ｍａｘ（Ｔ），（２．５）

Ｃ＝ｍａｘ（ｅ），王毛（２．６）

Ｍ＝去车Ｍ，豢一（２．７）

阽去军Ｋ，Ⅳ＝３，４（２．８）

（２）配筋计算

转换梁受拉纵筋按规范混凝土结构设计规范（ＧＢ５００１０－２００２）【２１中单筋矩形截面计算公式计算。由于该规范尚无公式可以计算小剪跨条件下的梁的抗剪承载力，本文借用该抗剪计算公式对试件配筋进行初步估算，即：

口．：』生啦２—ｆ，ｂ—ｈ；（２．９）‘２ ９’

儿＝０．５（１＋１－ｘ／ｉＵ瓦一）（２．１０）

５：旦

生：—Ｖ－０．０７—ｆｃｋｂｈｏ（２．１２１２歹丽‘２ ’）

ｓ１．５，ｗ‰

取（２．７）、（２．８）算出弯矩Ｍ和剪力Ｖ的较大值代入式（２．９）～（２．１２）计算转换梁的配筋。同时，由于混凝土所能承担的拉应力很小，我们忽略混凝土的抗拉能力，假定拉应力全部由纵筋承担，因此纵筋面积０。尚应满足下式：

１２

２试件设计和试验方法

一，≥万Ｔ（ｚ．，，）

计算结果详见表２．１。转换梁实配纵筋２垂１２，Ａ，＝２２６ｍｍ２；实配箍筋０８．１００Ａ。，／ｓ＝１．０１。试件采用对称配筋，受压区纵筋数量同受拉区。

表２．１按共同作用模型计算的配筋量

Ｔａｂｌｅ２．１Ｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｕｐｏｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ

Ｗ４．１、２

备注

ｘ方向

１一ＩｌＯ．００

Ｍ，ＩＩ．ＩＩ７．６５

（ｋＮ．ｍ）

ⅡＩ一ⅡＩ１２．３ｌ

Ｍ（ｋＮ．ｍ）９．９７

Ａ。（ｍｍ。）２２２

Ｉ．Ｉ１０１．４７

ＫＩＩ．ＩＩ９４．８４

（ｋＮ）

ⅡＩ．ⅡＩ１０２．２

Ｖ（ｋＮ）９９．５

Ａ。沁（ｍｍ）１．００

Ｔ（ｋＮ）７０

Ａ。（ｍｍ２）４５０

２．２．２薄壁柱的设计依据

薄壁柱设计轴压比为０．４５。同时，由于试件重心与外加荷载重合，不会导致偏心荷载，从而也没有弯矩。因此，可以假设薄壁柱始终处于轴心受压状态，但实际上在与转换梁相交部位的薄壁柱中的压应力是不均匀的，同时为了保证其承载力高于转换梁，因而薄壁拄中实际配筋远远大于构造配筋，暗柱纵筋选用２８．１０，墙体水平、竖向分布筋都是中１０＠８０。薄壁柱配筋详见图２．６、２．７试件施工图。

重庆大学硕士学位论文

２．２．３斜柱的设计依据

通过试件的有限元分析得到斜柱的应力分布几乎为轴向受力，每肢斜柱轴力为１６２ｋＮ。在此轴力的作用下斜柱为构造配筋，虽然轴力较小，但出于同薄壁柱设计相同的目的，试件设计时加强了斜柱的配筋，由此保证了斜柱不先于转换梁破坏。

表２．２为试件和原型结构的配筋对照，表中ｔ９和ｐ１分别是转换梁下部和上部纵筋的配筋率。从表中可以看出，除转换梁下部纵筋和暗柱纵筋外，试件的配筋均小于原型结构的配筋率。

表２．２配筋对照表

Ｔａｂｌｅ２．２Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ

２．３加载装置和测试内容

２．３．１加载装置

试件的加载装置如图２４所示，加载设备为１００００ｋＮ长柱试验机。

两个试件于２００２年１２月在施工现场支模浇筑。试件混凝土设计强度为Ｃ２０。试件浇筑的同时，每个试件制作了６个边长为１５０ｍｍ的标准立方体试块，编号后与试件在相同条件下养护。在试验时先压与试件对应的３个试块，以确定当时的混凝土立方体强度正。。每个钢种均截取了３根１０ｄ的样品，以测定受力筋的应力应变曲线和屈服强度。

在实际结构中，荷载的传递是自上而下的，即“薄壁柱一方柱”，“薄壁柱一转换梁一方柱”“薄壁柱一斜柱一方柱”。但是，由于试件本身体型比较大，形状也不规则，自上而下的加载方式不适用于本次试验，理由有二：（１）试验要模拟薄壁柱上端均匀受压，上部单点加载无法实现这一要求；上部多点加载则由于不可避免的各加载点荷载增加的不同步性导致弯矩产生，这不是试验所预期的。

（２）试件方柱截面较小，而且上重下轻，自上而下加载难于保证试件的稳定性。由于此次实验的目的是为得到斜柱转换节点在竖向力作用下１４

２试件设计和试验方法

的性能，而构件为一字形，且构件高３ｍ宽２．８ｍ，最薄的地方只有８０ｍｍ，因此，保证试件平面外的稳定，就成为试验成功的关键，为了较好的达到试验目的，２００３年２月加工了滚轴支撑（如图２．８），该支撑施加于方柱与薄壁柱相交处，限制刚度较大的方柱在受力后发生平面外的移动，同时允

许构件在竖直方向上可以自由移动。

基于上述原因，同时为了便于安装就位

和对中，试验时将试件倒置，采用反向

加载的方法，并在试件中安滚动支撑。

由于试件自重和所加荷载相比是很小

的，自重的反向对试件的应力状态影响

很小，可以忽略不计。圣维南原理指出：

如果把物体的一小部分边界上的面力，

变换为分布不同但静力等效的面力（主

矢量相同，对于同一点的主矩也相同），

那么，近处的应力分布将有显著的改

变，但是远处所受的影响可以不计。根

据这一原理和作用力反作用力原理，我

们可以得出，采用反向加载，在保证荷

载不偏心的前提下，将只影响柱端加载

点附近和传力梁的应力分布，其余部位

图２．４试件加载装置图

Ｆｉ９２，４Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ的应力受到的影响可忽略不计。这就使得离转换粱较远处薄壁柱中的压力接

近均匀，试件的弹性有限元分析也得

出了这一结论。

２．３．２试验目的

通过两个构件的试验研究，将达到以下目的：

（１）在试件加载过程中，确定转换梁的开裂荷载、薄壁柱的开裂荷载，并观察裂缝的开展情况和测定裂缝的宽度。

（２）测定各荷载阶段转换粱箍筋、纵筋的应变。

（３）测定各荷载阶段薄壁柱纵筋的应变、薄壁柱的竖向应变。

＜４）获得竖向荷载作用下试件的应力分布规律，以及关键部位的受力情况。

（５）了解竖向荷载在该类节点中的基本传递途径，分析竖向荷载在

有孔斜柱转换节点和无孔斜柱转换节点中的传递路径和比例

重庆大学硕士学位论文

（６）观察最终的破坏现象，确定试件的破坏荷载和破坏形态。

２．３．３测试内容和方法

本次试验在重庆大学土木工程实验中心完成。试验对薄壁柱混凝土、暗柱纵笈、竖向分布筋、转换梁纵筋和箍筋、斜柱纵筋和箍筋等的应变进行了测量。

（１）钢筋和混凝土应变的测量

测量钢筋和混凝土应变的主要目的是：捕捉开裂荷载；获得竖向荷载在薄壁柱中的分布规律；了解转换梁的钢筋、混凝土的应力变化；钢筋应交片采用３×２ｍｍ纸基电阻应变片，薄壁柱上混凝土应变片采用１００ｘ４纸基电阻应交片。

（２）裂缝观测

每加一级荷载后，观测混凝土应变片输出数据是否有异常变化；同时借助灯光照明用肉眼观察和找寻裂缝，于裂缝处标注裂缝形状、走向和加载级别，并用读数放大镜读取试件各部位的裂缝宽度。最后通过拍照记录完整的裂缝信息。

（３）数据采集

所有应变片、百分表均由７Ｖ１４数据采集仪接入计算机，各级荷载下的数据由７Ｖ１４采集后传入计算机，由计算机形成数据文件，并即时打印。２。４试验准备

２．４．１预加载

试验前力求使试件垂直和保证试件中心与压力机加载点对中，以尽量减小荷载偏心对试验结果的影响。在正式加载前，先预加ｌ～２级荷载，以观察各仪器是否正常工作，试件重心是否与荷载重心基本对中，如不满足要求，则进一步调整直至满足要求。

２．４．２加载制度

根据本次试验的具体情况以及以往的经验，制定如下加载制度：采用逐级加载法施加荷载。每个试件在开裂前每级２０ｋＮ，持荷３分钟：开裂后每级１０ｋＮ，持荷５分钟。每级荷载在持荷阶段末采集数据。

２．４．３破坏准则

混凝土结构试验方法标准（ＧＢ５０１５２．９２）规定，结构构件受力为受弯１６

２试件设计和试验方法

时，在加载或持荷过程中出现以下标志之一时，即认为该构件己达到或超过承载力极限状态：

（１）对有明显物理流限的钢筋，其受拉主筋应力达到屈服强度，受拉应变达到Ｏ．０１；对无明显物理流限的钢筋，其受拉主筋的受拉应变达到０．０１：

（２）受拉主筋拉断；

（３）受拉主筋出最大垂直裂缝宽度达到１．５ｒａｍ；

（４）挠度达到跨度的１／５０；

（５）受压区混凝土压坏。

参照以上国家标准，本试验为确定试件的最大承载力，采用以下原则：当加荷时荷载加不上去或加上去后不能持荷时，视具体情况，将其上一级荷载或半级荷载作为极限荷载。在７Ｖ１４采集完数据后分级卸载。此时的破坏特征多为受压区混凝土压碎。

２．５材料的力学－ｌ生能

２．５．１混凝土立方体强度

在试件开始时，用万能试验机测试与试件相对应的混凝土试块的强度，试验时所取混凝土立方体强度．厶根据三个试块的强度和建筑材料强度计算的有关规定确定的，其余参数按下列公式计算，结果列于表２．３中。

工“＝ｏ．９７４ｆ。。（１００）

正＝Ｏ．７丘丘。

五＝Ｏ．２３∞。）“５

表２．３混凝士强度指标

！苎！！！：：ｉ！垒！竺！！塾苎里主！苎！￡：２￡！！！！！１２１１２呈！：！生

试件试块的强度（ＭＰａ）＾。工』

编号１２３（ＭＰａ）（ＭＰａ）（ＭＰａ）

２．５。２钢筋的力学性能

钢筋的典型应力一应变曲线如图２．５所示，所取样品的材料力学性能试验如表２．４。

表２．４钢筋材性试验结果

Ｔａｂｌｅ２．４Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ

钢筋类型

（１０５ＭＰａ）弹性模量Ｅ屈服应变ｒ。（‰）

１．７２７

１．７７３

２．２８８

２．１３４屈服强度五（ＭＰａ）２６２．８３１５．８４１４．２３８８．５极限强度五（ＭＰａ）４５１８４５２．２５９２．８５６９．２镌中１０虫１４雪２５１，５２１．６０２．３４１．８５

厂工‘

图２－５钢筋典型应力一应变曲线

Ｆｉｇ，２－５Ｔｙｐｉｃａｌｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ

ｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ

１８

２试验设计和试验方法

一毒≥兰暑ｐ凸

埋掌譬目≥。．函ｏ．Ｎ鱼‰匝

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