浅谈支座约束对钢筋混凝土框架梁承载能力的影响

国外学者对钢筋混凝土板中的膜效应进行了大量研究, 包括一些理论分析和大量的足尺试验。研究表明, 通过这种膜效应可以大大提高构件的抗弯承载力, 从而与传统的理论分析相比, 构件具备较大的超载能力。与钢筋混凝土板中的膜效应类似, 同样作为受弯构件的钢筋混凝土框架梁也潜在着这种超载能力。钢筋混凝土框架梁在竖向荷载作用下受拉区混凝土会不断产生裂缝, 裂缝的发展使梁端有向外移动的趋势, 由于框架梁两端的侧向位移受到楼板和柱的约束, 结果在梁内产生轴向压力, 此压力导致梁的抗弯承载力提高 (假设梁不超筋) , 结果使梁的承载力显著提高, 此现象称为拱效应。1980年Park and Gamble提出了关于钢筋混凝土板考虑拱效应极限荷载和变形的塑性分析理论, 指出影响拱效应的主要因素是板边界的侧向约束刚度、配筋率和跨高比。

以往研究主要是关于钢筋混凝土板的拱效应, 很少涉及钢筋混凝土梁。传统的塑性铰理论认为超静定的框架梁形成塑性铰后, 在塑性铰区只有弯矩和剪力, 此方法可以准确的估计没有拱效应梁的极限荷载。但是由于边界条件和几何变形, 钢筋混凝土梁在极限状态时, 往往在梁内存在拱效应。即如果梁端的侧向位移受到其它刚性构件的约束, 而梁的几何变形使其边缘向外移动, 结果将在梁内产生轴向压力。此压力导致塑性铰处的抗弯承载力提高 (假设梁不超筋) , 于是梁的极限荷载大大超过按照传统塑性铰理论计算的结果。如果梁的变形继续增加, 梁的边缘会向内移动, 假如边界有侧向约束, 梁内会产生拉力, 即利用钢筋的索效应可以使梁承担更大的荷载。即使对于没有特意设置侧向约束的梁, 其在极限状态时的变形同样会引起梁内力重分布, 提高梁的承载力。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[1~3]。

本文通过5根钢筋混凝土框架梁的试验, 研究支座约束对钢筋混凝土框架梁拱效应的影响以及梁的极限承载力变化趋势。通过理论分析与试验结果的比较, 对框架梁的支座约束刚度提出经济合理的取值范围。

1 试件设计

试验中的试件分两组, 每组3根梁。试验计划的约束情况为:第一组为KL-1梁、KLY-1梁和KLY-2梁, KL-1为完全约束, KLY-1支座每端设计的水平位移为7.5mm, KLY-2支座每端设计的水平位移为15mm, 3根梁转动都是完全约束;第二组为KL-1梁、KLY-3梁和KLY-4梁, KLY-3支座每端设计转动为3度, KLY-4支座每端允许转动为6度, 3根梁的水平方向为完全约束。KL-1梁为两组的公共梁, 总共设计试验梁5根。

2 试验梁支撑装置设计

为保证试验所需的约束条件, 即达到试验梁的两端近似完全固定, 必须保证支座有足够的刚度、强度和稳定性。

3 试验加载设计

(1) 试验系统:试验加载采用450k NMTS拟动力系统, 试验中采用6个25t荷载传感器测量支座的竖向拉力和水平力, 数据由采集系统采集并记录。 (2) 加载方法:采用MTS拟动力试验系统在试验梁的跨中进行加载。

4 试验结果及分析

主要试验结果。试验得出的重要数据包括跨中极限荷载、支座极限水平反力、支座极限弯矩和对应的支座约束情况, 虽然这些极限值不同时出现, 但是从各自的变化中能找到规律。支座水平位移加大, 极限承载力、极限支座弯矩和极限水平反力就会降低, 支座转动角度增加, 三个极限值也会减小。由此可见, 支座约束对三个极限值尤其是产生拱效应的水平反力影响较大。

5 结语

(1) 施加端部约束的框架梁, 在加载过程中存在着拱效应, 使框架梁的极限承载能力有了显著的提高, 如KL-1梁, 极限承载力提高到计算值的1.9倍, 即使是提高程度最小的KLY-4梁, 其跨中极限荷载与计算值之比仍然达到了1.33。所以, 基于经济和安全两方面的考虑, 我们在分析结构抗倒塌性能时, 考虑拱效应的影响是非常必要的。

(2) 通过试验结果分析, 随着支座刚度 (包括水平约束刚度和转动约束刚度) 的增加, 梁的极限跨中承载力也随之不断增加, 即刚度越大, 承载力提高越大。

摘要：通过对5根截面尺寸和配筋都相同但支座约束不同的试验梁进行跨中加竖向集中力的试验来研究支座约束对拱效应下钢筋混凝土框架梁极限承载力的影响。试验研究和理论分析表明, 施加端部约束的框架梁存在着拱效应, 使框架梁的极限承载能力有了显著的提高。

关键词：支座约束,钢筋混凝土框架梁,拱效应

参考文献

[1] Park, R.and Gamble, W.L., Reinforced Concrete Slabs, John Wiley and Sons, 1980, pp:562～565.

[2] Ockleston, A.J., “Load Tests on a Three Story Reinforced Concrete Build-ing in Johannesburg, ”Structural Engineer (London) , V.33, No.10, Oct.1955, pp:304～322.

[3] 苏幼坡, 张玉敏, 等.钢筋混凝土建筑抗连续倒塌设计综述[C].北京:中国科学技术出版社, 2006:258～263.