第4卷第7期 Vo1.4No.7 2009年7月 中国科技论文在线Sciencepaper Online Ju1.2009 框支转换梁受力特征研究 术向东 ,徐 革 ,李英民2,刘建伟2,周自强2,龚国琴 ,周海鹰 (1.中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆400013;2.重庆大学土木工程学院,重庆400045) 摘要:为全面了解框支转换梁的受力特征并提出偏心受拉梁的判定依据,完成了两榀1:4缩尺的单跨框支剪力墙 结构模型的低周交变试验,并以试验结果为基础,对墙肢肢数变化、墙肢洞口宽度变化、框支梁尺寸变化、墙肢偏心 变化、墙肢形式变化等情况下框支梁的受力特征进行有限元模拟。研究显示,框支梁相对受拉区高度受跨高比、墙肢 位置、洞口大小等因素影响,而下述情况框支梁不易成为偏心受拉梁:一是框支墙在框支柱端部布置且形心落在框支 柱范围内时;二是跨中布置的框支墙长度小于2倍梁高,且任何部位到框支柱的距离大干框支梁梁高。 关键词:框支剪力墙;框支梁;低周交变试验;有限元模拟 中图分类号:TU375.1 文献标识码:A 文章编号:1673—7180(2009)07—0531—7 Study on mechanical behavior of frame-supported transfer beam Shu Xiangdong ,Xu Ge ,Li Yingmin ,Liu Jianwei ,Zhou Ziqiang ,Gong Guoqin ,Zhou Haiying (1.CISDIEngineering Co.Ltd,Chongqing 400013,China;2.College ofCivil Engineering,Chongqing University, Chongqing 400045,China) Abstract:To deeply understand the transfer beam’S stress characteristics and to propose the criterion of the eccentric-tensiona1.beam,tests oftwo one.forth.scale specimens under cyclic load reversals were implemented.Based on the test,finie eltement simulations on various number of piers,width of opening,dimension of transfer beam,eccentric of pier, nd adifferent type ofpiers were carried out.The results show that the relative height oftensile zone offrame-supported beams is affected by span—depth ratio,position ofpier,size of structural opening and other factors.Frame—supported beams are nluikely to ecome beccentric-tensile-eabm nderu two conditions as follows:(1)flame—supported wall is arranged at he tend of frame-supported columnandthe centroid ofthebeamis confinedthe rangeoffrarne—supported column;(2)flame—supported wall is located at mid-span,with the length ofpier less than twice ofthe depth ofthe beam and the distance between any positionofframe-supportedwallto ̄rlqe-supportedcolumnisgreaterthanthedepthofframe—supportedbeam. Key words:frame—supported shear wall;transfer beam;cyclic load reversals test;finite element analysis 0引言 ((高层建筑混凝土结构技术规程))JGJ3--2002(以 下简称高规) 。 对偏Jl、,、受拉框支梁上部纵筋的数量提出 了最低要求,但没有明确如何判定框支梁为偏心受拉 梁,工程实践中框支梁配筋构造通常全部按偏心受拉梁 处理,不具经济性、合理性。 国内虽然完成了一定数量框支结构的试验研究及 基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(2007BB0109);中冶赛迪科研资助项目 作者简介:术向东(1967 ),男,高级工程师,XiangDong.Shu@cisdi.corn.cn 532 中国科技论文在线Sciencepaper Online 第4卷第7期 2009年7月 有限元模拟,但研究对象框支墙多为单肢,框支墙形式 SJI框支墙为一字型双肢墙,SJ2框支墙偏心布置,为L 不同时对框支转换梁受力特征的研究仍不够全面 “,为 型双肢墙,2个试件均为3层,其中框支框架1层,框 此,本文完成了2榀1:4框支剪力墙模型的拟静力试 支墙2层,如图l所示。考虑到墙体以平面内受力为主, 验,在此基础上对工程中可能出现的框支墙布置不同的 厚度变化对结构抗震性能影响不大,为防止框支墙平面 情况进行了有限元模拟,分析了形成偏心受拉框支梁的 外失稳,试件墙厚取1O0 mm,除此之外,其余尺寸均 条件并提出了针对性的工程措施。 取原结构的1/4;为不致形成短肢墙,框支墙长度取为 1周交变荷载试验 900 llllTl。墙端构造边缘构件设置、配筋率、钢筋锚固 长度等构造措施均满足高规。试件配筋如表l所示。 1.1试件设计 试件SJ1,SJ2模拟框支墙为联肢墙的框支结构, 连蔡 图1试件尺寸(单位:ffktn) Fig.1 Dimension ofspecimens 1.2加载装置及加载制度 筋接近或略高于屈服应变)以前,采用荷载控制,当试 试验过程中首先由位于墙顶的2个竖向油压千斤顶 件达到屈服以后,采用变形控制。即按屈服位移控制循 对试件施加轴力至预定轴压比(试验轴压比0_3 1),并 环一周后,再按2倍,3倍,屈服位移进行加载,在每 保持厘定。然后由加载梁、转换梁梁端的两水平拉压千 一个位移量下循环2次。……梁外端承载力下降至最大 斤顶按2:1(上:下)的比例对构件施加低周反复荷 承载力的85%时,认为试件失效。试验加载装置如图2 载。在试件屈服(参照滞回曲线形状确定,屈服时梁纵 所示。 1 60T液压千斤顶 2拉压千斤顶 3试件 4地锚 5反力墒 6加载钢板 7位移计 图2加载装置 Fig.2 Test setupandloadingdevice 第4卷2009年7月 第7期 框支转换粱受力特征研究 533 l-3试验现象 有裂缝出现。 :2之后,框支梁、框支墙、连梁裂缝 竖向荷载作用下SJ1框支梁出现竖直裂缝,该裂缝 发展缓漫,框支柱斜向、竖向裂缝显著增加,加载后期 在框支墙洞口附近开展最陕。水平荷载作用下框支梁竖 形成较宽的斜向裂缝及竖向劈裂裂缝。 =4第2循环 向裂缝继续开展,并形成新的斜向裂缝;斜向裂缝向框 完成后停止加载,构件主要变形及损伤部位出现在框支 支墙延伸并不断发展至墙体顶部,除此之外,墙体底部 柱,尤其是上下端破坏较为严重,最终框支柱小偏压破 另有水平缝出现;此后连梁左右端、框支柱上下端相继 坏导致构件失效。 表1试件配筋及强度 Table 1 Reinforcement details ofspecimens 为严重,变形更为明显;墙肢裂缝开展至翼墙,翼梁无 一一 明显裂缝出现。试件SJ1,SJ2破坏形态如图3所示。 1.4框支梁钢筋应变 竖向荷载作用下,除支座范围外,SJ1框支梁上下 纵筋均受拉,SJ2下部纵筋受拉,上部纵筋应力很小; 水平荷载作用下框支梁纵筋在支座范围外一侧受拉、一 (a)SJ1 (b)SJ2 侧受压,压力明显低于拉力,尤其是SJ2,其纵筋、腰 图3崩坏形态 筋几乎全截面受拉,如图 图7所示。此外,框支梁 Fig.3 Failure patterns ofspecimens 箍筋应力普遍较低,仅个别点屈服。由钢筋应变可知, 试验过程中试件SJ1,SJ2框支梁与上部墙体共同承担 SJ2也完成了 =4第2循环的加载,由于试件的 弯矩、剪力,属于偏心受拉构件。 破坏部位仍主要集中在框支柱,框支墙偏心设置时试验 现象与SJ l相似,不同之处主要体现在:SJ2框支梁裂 缝较少,竖向荷载作用下没有开裂;SJ2框支柱破坏更 534 中国科技论文在线Sciencepaper Online 第4卷第7期 2009年7月 理 蠕 躲 (a)框支梁上部纵筋 (b)框支梁下部纵筋 图4试件SJ1竖向荷载作用下框支梁纵筋应变 Fig.4 Typical strain disrtibution in l/'ans ̄r beam ofspecimen SJ1 under vertical load ■一1 0OKN 一300KN I—-r_520KN J■ 鲁 l 型 矮 一^. 搞 晤 J| 器 V h 测点他胃,mm 测点位置/ram (a)框支梁上部纵筋 (b)框支梁下部纵筋 图5试件SJ2竖向荷载作用下框支梁纵筋应变 Fig.5 Typical straindisrtibutionintransferbeamofspecimenSJ2underverticalload 制 制 盛 控 墨 蓝 (a)正向加载 (b)反向加载 图6试件SJI水平荷载作用下框支梁上部纵筋应变 Fig.6 Typical strain disrtibution in top-Of n硼sfer beam ofspecimen SJ1 under horizontal Load 第4卷第7期 2009年7月 框支转换梁受力特征研究 535 姗 础 一: ㈣ 。 锄 彻 j粤 型 制 塔 毯 蓝 盎 拉 器 、|c// : _ 500 —1000 —50(2 0 500 1000 1500 测点位置/mm 溯点位置Imm (a)正向加载 (b)反向加载 图7试件SJ2水平荷载作用下框支梁下部纵筋应变 Fig.7 Typical strain disrfibution in bottom—of-wansfer beam ofspecimen SJ2 under horizontal Load 表2有限元模拟对象及分析结果 Table 2 Models and results offinite element analysis 试件编号 A1 A2 A3 框支墙肢数 单肢 双肢 三肢 A组 框支墙肢数不同 洞口增多时梁墙共同作用削弱,框支墙为三肢时仅与中部墙肢形成共 受力特征 同作用;洞口边缘部位框支梁应力集中;应力发展规律与试验相近, 但发展程度不如试验 试件编号 B1 B2 B3 框支墙洞口宽度变 洞口宽度/m 6.0 4.2 2-4 B组 化 B1,B2均未表现出明显的梁墙共同作用,尤其是B1墙肢长度不超过 受力特征 框支柱宽度的2倍,竖向荷载绝大多数直接传向框支柱,框支梁受力 特征与普通框架梁相近 试件编号 Cl C2 C3 C4 框支梁尺寸 0.8m×0.8m O.8mx 1.6m 0.8mX2.4m 0.4m×1.6m C组 框支梁尺寸变化 梁高度变化对框支梁受力特征具有明显影响,梁高度相对跨度较大时, 受力特征 参与梁墙共同作用的墙体范围较小,框支梁受力类似于自身受力平衡 框架梁。即随着跨高比的增大,框支梁相对受拉区面积逐步增大 试件编号 D1 D2 D3 D4 墙肢长度/m 9.6 5.6 偏心距 无 0.25m 无 O.25m D组 框支墙偏心变化 剪力墙偏心时框支梁承受扭矩,造成框支梁两侧应力分布形式不同, 受力特征 数值模拟时偏心较大,其应力变化比试验结果更为明显。剪力墙偏心 不影响竖向荷载的传递方式,及梁、墙共同作用的机理。墙肢主要分 布在跨中时,框支梁受力更为不利 试件编号 E1 E2 E3 E组 L型框支墙短肢长 短肢长度,度变化 m 0 0.8 1.8 受力特征 墙肢由一字型变为L型时,墙肢刚度增大,引起框支梁局部应力增加, 短肢越长局部应力增加越明显 一 536 中国科技论文在线Sciencepaper Online 第4卷第7期 2009年7月 2框支转换梁受力模拟 为进一步研究框支转换梁的受力特征,本文以试验 结果为基础,针对框支剪力墙布置方式不同的模型,进 征较为吻合,试验过程中较早出现裂缝的部位,数 值模拟所得应力较高,如框支梁跨中附近、框支墙 行有限元数值模拟。研究对象以试验模型原结构为模 板,仍为单榀框支剪力墙,框支墙取3层,上部施加均 布荷载使柱轴压比达到0.31。研究对象如表2所示,部 分框支剪力墙模型应力分布见图8。 洞口边缘等;试验时墙体斜向裂缝自框支梁底部边 缘向上延伸,与有限元分析时主拉应力方向也较为 吻合。相比之下,试验研究过程试件非线性特性发 展充分,框支梁上部拉应力高于模拟分析的结果。 有限元模拟结果与试验过程中框支梁的受力特 (a)A3水平应力 (b)B3水平应力 (c)C3水平应力 (d)D2正面水平应力 (e)D2背面水平应力 (f)E3水平应力 图8部分框支剪力墙模型应力分布 Fig.8 Stress distribution in parts offrame—supported shear wall models 上述研究显示,剪力墙荷载以压力拱的方式传递, 框支柱上部一定范围内竖向荷载直接传递至框支柱, 第4卷第7期 2009年7月 框支转换梁受力特征研究 537 多数情况下框支梁与其上部单个墙肢或墙肢共同受 弯,共同作用范围大致如图9所示,墙体偏心可能使 框支梁产生较大扭矩,但对梁墙共同作用影响不大。 框支梁相对受拉区高度受跨高比、墙肢位置、洞口大 小等因素影响,下述情况框支梁不易成为偏心受拉梁: ①当框支墙在框支柱端部布置且形心落在框支柱范围 内时,此时绝大多数竖向荷载直接传至框支柱;②框 支墙在跨中布置且墙肢长度小于2倍梁高,任何部位 与框支柱的距离大于框支梁梁高,此时框支梁上部纵 筋跨中通常不会出现拉应力。 通过对框支剪力墙模型的试验研究和有限元分析, 本文认为框支转换梁满足下列2种情况时,可不按偏心 受拉梁考虑: 1)所有框支墙均在框支梁范围内布置,长度不大 于2倍梁高,且墙肢任何部位与框支柱柱内边水平距离 均大于转换梁梁高,或距离梁端竖向加腋起始边水平距 离均大于转换梁梁高; 2)框支墙在框支梁端部布置时,墙体形心在框支 柱截面范围之内。 [参考文献](References) [1] 中国建筑科学研究院.JGJ3 ̄002高层建筑混凝土结构技术规 程[s1.北京:中国建筑工业出版社,2002. 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