CN102888945A - 一种小跨高比交叉式对角斜筋连梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小跨高比交叉式对角斜筋连梁。该连梁包括纵筋、设置在纵筋外侧的箍筋和设置在纵筋间的交叉式对角斜筋以及填充材料高延性纤维混凝土。该连梁相较于普通混凝土对角斜筋连梁，由于采用高延性纤维混凝土为基体材料，从而提高了连梁的抗剪承载力和延性，并降低了结构自重；同时该连梁中对角斜筋无需设置箍筋，减小了钢筋用量，避免了由于钢筋拥挤导致的施工困难。

Description

一种小跨高比交叉式对角斜筋连梁

技术领域

本发明涉及一种小跨高比连梁，具体为一种高延性纤维混凝土小跨高比交叉式对角斜筋连梁。

背景技术

在剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，两端与剪力墙相连且跨高比（连梁净跨与梁高的比值）小于5、连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。在风荷载和地震荷载作用下，墙肢产生弯曲变形，使连梁产生转角，从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形，对墙肢起到了一定的约束作用，改善了墙肢的受力状态。连梁是主要经历塑性变形并耗散地震能量的构件，连梁的刚度、强度和变形性能对联肢剪力墙结构的抗震性能有很大的影响。通过对连梁合理的设计，可以提高联肢剪力墙结构的利用率和经济效益。当剪力墙连梁跨高比偏大(＞2.5)时，其端部塑性铰区在正、负弯矩交替作用下的抗震性能与一般框架梁端塑性铰区相似，其抗震设计方法和构造措施均较为成熟，按现行设计方法可以保证连梁发生延性破坏，既梁端首先形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，可以吸收大量的地震能量，同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的刚度和强度，起到对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。

根据建筑需求及结构刚度要求，在剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，多采用跨高比小于2.5的小跨高比连梁，此类连梁属于反弯点在跨中的反对称弯曲深梁，剪弯比较大，难以避免在达到所需延性之前过早发生脆性破坏。连梁在发生脆性破坏时就会迅速丧失其承载力，在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，各墙肢丧失了连梁对它的约束作用，将成为单片的独立墙，导致结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，并且进一步增加P-Δ效应（竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩），并最终可能导致结构的倒塌。

小跨高比连梁由于跨高比较小，名义剪压比较大，属于两端刚接，反弯点在跨中的反对称弯曲深梁，其受力和变形性能与跨高比较大的细长梁或简支深梁都有很大的差别，在抗震联肢墙中常规小跨高比连梁（如图1所示，常规小跨高比连梁包括纵筋2和设置在纵筋2外侧的箍筋3以及普通混凝土填充材料）已无法避免其自身过早发生剪切破坏，从而无法满足结构对其抗震性能的要求。为了提高小跨高比连梁的抗震性能，现有技术中主要从连梁的配筋方案、截面形式和基体材料三个角度对其进行改进。在配筋方案和截面形式改进上，主要有交叉暗柱式配筋连梁、菱形配筋连梁、双连梁和钢纤维连梁等。其中，交叉暗柱式配筋连梁（如附图2所示，交叉暗柱式配筋连梁包括纵筋2、设置在纵筋2外侧的箍筋3和设置在纵筋2之间的交叉暗柱6以及设置在交叉暗柱上的暗柱箍筋7）可以满足整体结构对小跨高比连梁抗震性能的要求，具有较优的抗剪能力和耗能能力。但因其配置有交叉暗柱1，各暗柱上配置有大量箍筋2，导致此类连梁用钢量大、钢筋拥挤造成施工困难。

另外，ZL201120109680.2公开的高延性混凝土连梁以普通框架梁的构造为基础，基体材料采用高延性混凝土，在一定程度上提高了小跨高比连梁的延性和耗能能力；但当跨高比过小时（小于1.5），其延性不再满足结构抗震要求，需进一步增加箍筋的配置数量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于施工、延性高和抗震性能好的小跨高比连梁。

为此，本发明提供的小跨高比交叉对角斜筋连梁与常规的小跨高比连梁相比其特征在于：纵筋间设置有交叉式对角斜筋，并且其填充材料为高延性纤维混凝土。

上述对角斜筋的配置应满足下述条件：

V_wb≤0.14f_cbh₀+1.3f_tbh₀+0.24A_sdf_sdsinα    （式1）

（式1）中：

V_wb为连梁斜截面抗剪承载力；

b为连梁截面宽度；

h₀为连梁截面有效高度；

f_c为高延性纤维混凝土抗压强度；

f_t为高延性纤维混凝土轴心抗拉强度，f_t＝3.683f_c ^0.174；

A_sd为单向对角斜筋面积；

f_sd为对角斜筋屈服强度；

α为对角斜筋与连梁纵轴的夹角，α＝arctan(l_n/h)，l_n为连梁净跨。

上述高延性纤维混凝土的组分为水泥、粉煤灰、硅灰、砂、PVA纤维和水，其中，按质量百分比计，水泥：粉煤灰：硅灰：砂：水=1：0.9：0.1：0.76：0.58；以水泥、粉煤灰、硅灰、砂和水混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的体积掺量为1.5%。

上述水泥为P.O.52.5R硅酸盐水泥；上述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；上述硅灰的烧失量小于6%、二氧化硅含量大于85%、比表面积大于15000m²/kg；上述砂的最大粒径为1.26mm；上述PVA纤维的长度为6~12mm、直径为26μm以上、抗拉强度为1200MPa以上、弹性模量为30GPa以上。

本发明提供的小跨高比交叉式对角斜筋连梁具有以下特点：

（1）抗剪箍筋用量少，节约钢材，降低施工难度。

（2）以高延性纤维混凝土作为连梁的填充材料，可减小连梁的自重，并且高延性纤维混凝土具有良好的塑性变形能力，连梁破坏时保护层混凝土不会剥落，可减少甚至免去强震后的修复费用。

附图说明

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为常规小跨高比连梁的结构示意图；

图2为交叉暗柱式配筋连梁的结构示意图；

图3为本发明的小跨高比交叉对角斜筋连梁的结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为为非线性力-位移理论模型计算简图；

图6为R/C试件和R/FRC试件的尺寸与配筋示意图；

图7（a）为R/C试件的破坏形态示意图；

图7（b）为R/FRC试件的破坏形态示意图；

图8（a）为R/C试件的滞回曲线图；

图8（b）为R/FRC试件的滞回曲线图；

图9为试件CB-1与试件CB-2的荷载-位移骨架曲线图。

具体实施方式

高延性纤维混凝土是一种在水泥基体中加入随机分布短纤维，并通过界面设计的水泥基复合材料，纤维类型包括钢钎维、碳纤维、聚合物纤维等。其具有很大的吸收能量的能力，与普通纤维混凝土最大的区别是仅添加2%左右的纤维，其单轴拉伸应变可达到3%，且拉伸时出现准应变硬化现象。延性高性能混凝土与钢筋之间有很好的协调变形能力，钢筋的粘结滑移变形较小。现有技术表明，每生产1吨水泥熟料约排放1吨CO₂等有害气体，延性高性能混凝土利用工业废料（粉煤灰）取代部分水泥熟料（约50%~70%），减少了有害气体的排放。延性高性能混凝土经界面设计，不含粗骨料，可缓解我国天然骨料资源趋于枯竭的现状。

本发明是结合高延性纤维混凝土结构上的优点，同时考虑了连梁中钢筋的配置方式，而对现有的小跨高比连梁构造进行改进所得到的技术方案。

参考图3和图4，本发明的小跨高比交叉式对角斜筋连梁包括纵筋2、设置在纵筋2外侧的箍筋3和设置在纵筋2间的交叉式对角斜筋4以及填充材料高延性纤维混凝土(FRC)5。

所用的高延性纤维混凝土的组分为水泥、粉煤灰、硅灰、砂、PVA纤维和水，其中，按质量百分比计，水泥：粉煤灰：硅灰：砂：水=1：0.9：0.1：0.76：0.58；以水泥、粉煤灰、硅灰、砂和水混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的体积掺量为1.5%。优选后的各种材料为：水泥为P.O.52.5R硅酸盐水泥；上述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；上述硅灰的烧失量小于6%、二氧化硅含量大于85%、比表面积大于15000m²/kg；上述砂的最大粒径为1.26mm；上述PVA纤维的长度为6~12mm、直径为26μm以上、抗拉强度为1200MPa以上、弹性模量为30GPa以上。并且高延性纤维混凝土中可添加有减水率在30%以上的聚羧酸减水剂，减水剂的添加量为粉煤灰、硅灰和水泥总质量的0.8%。

本发明的连梁可为预制的连梁，其纵筋2和对角斜筋4在墙肢1浇筑时应伸入剪力墙墙肢，伸入长度由钢筋直径决定，连梁埋入剪力墙墙肢1的长度a取为墙肢厚度和梁高的1/4的较大值。

本发明提供的小跨高比交叉式对角斜筋连梁的配筋方法为：

首先根据结构设计要求确定连梁构件尺寸，包括：连梁长l、连梁截面宽度b和连梁截面有效高度h₀；

接着根据混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）要求配置连梁纵向钢筋和箍筋；

然后按照（式1）的要求配置对角斜筋，其中连梁斜截面抗剪承载力V_wb应满足（式1）要求：

V_wb≤0.14f_cbh₀+1.3f_tbh₀+0.24A_sdf_sdsinα    （式1）

（式1）中：

f_c为高延性纤维混凝土抗压强度；

f_t为高延性纤维混凝土轴心抗拉强度，f_t＝3.683f_c ^0.174；

A_sd为单侧对角斜筋面积；

f_sd为对角斜筋屈服强度；

α为对角斜筋与梁纵轴的夹角，α＝arctan(l_n/h)。

以下是发明人提供的关于上述（式1）的推导过程：

根据压杆—拉杆理论推导，参考图5，该推导过程仅考虑对角斜筋和FRC的抗剪作用。

根据力的平衡原理，可得梁端剪力V_wb为

V_wb＝(T+C)·sinα    （式2），

（式2）中，α为对角斜筋与梁纵轴的夹角，C为压杆合力，T为拉杆合力，并且：

C＝A′_sdσ′_sd+A′_cσ′_c    （式3），

T＝A_sdσ_sd +A_cσ_c    （式4），

（式3）中：

A′_sd为单向（同一倾斜方向）受压对角斜筋的总面积（压杆），A_sd为单向受拉对角斜筋的总面积（拉杆），对称配筋时，A′_sd＝A_sd；

A_c′为高延性纤维混凝土压杆截面面积（压杆），A_c为高延性纤维混凝土拉杆截面面积（拉杆），假设A_c′＝A_c；

σ_c′为高延性纤维混凝土的拉应力，σ_c为高延性纤维混凝土的压应力，σ′_sd为对角斜筋拉应力。

高延性纤维混凝土对角压杆的面积A_c′定义为：

A_c′＝a_s×b_s    （式5）

（式5）中：a_s为高延性纤维混凝土斜压杆截面高度，b_s为高延性纤维混凝土斜压杆截面宽度，当沿连梁截面宽度方向仅配置单层对角斜筋时，b_s取连梁截面宽度。

根据对角斜筋连梁的破坏机理，假设：

a_s＝2x    （式6）

（式6）中：x为单向（同一倾斜方向）对角斜筋轴线间的垂直距离。

高延性纤维混凝土交叉式对角斜筋连梁斜截面抗剪承载力V_wb可认为由高延性纤维混凝土压力、高延性纤维混凝土拉力和对角斜筋三部分共同承担，即：

V_wb＝V_c+V_t+V_sd    （式7）

（式7）中由高延性纤维混凝土抗压承担的剪力值V_c可表达为：

V_c＝k_cf_cbh₀    （式8）

（式8）中，k_c为高延性纤维混凝土抗压强度抗剪影响系数。

根据（式3），V_c又可表达为：

V_c＝a_s×b_s×σ_c′×sinα    （式9）

令（式8）与（式9）相等，可得：

$k_c=\frac{a_s\sin \mathrm{\α}}{h_o}$ （式10）

（式7）中由高延性纤维混凝土抗拉承担的剪力值V_t可表达为：

V_t＝k_tf_tbh₀    （式11）

（式11）中，k_t为高延性纤维混凝土抗拉强度抗剪影响系数；

根据（式4），V_t又可表达为：

V_t＝a_s×b×σ_csinα    （式12）

则

$k_t=\frac{a_s{\mathrm{\σ}}_c\sin \mathrm{\α}}{f_t{h}_o}$ （式13）

（式7）中由对角斜筋承担的剪力值V_sd可表达为：：

V_sd＝k_sdA_sdf_sdsinα    （式14）

（式14）中，k_sd为对角斜筋项抗剪影响系数；

根据（式3）和（式4），V_sd又可表达为：

$V_{\mathrm{sd}}=2A_{\mathrm{sd}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}\sin \mathrm{\α}=2A_{\mathrm{sd}}[f_{\mathrm{sd}}+0.01E_{\mathrm{sd}}({\mathrm{\ϵ}}_c-\frac{f_{\mathrm{sd}}}{E_{\mathrm{sd}}})]\sin \mathrm{\α}$ （式15）

则，

$k_{\mathrm{sd}}=\frac{2[f_{\mathrm{sd}}+0.01E_{\mathrm{sd}}({\mathrm{\ϵ}}_c-\frac{f_{\mathrm{sd}}}{E_{\mathrm{sd}}})]}{f_{\mathrm{sd}}}=0.18+\frac{0.02E_{\mathrm{sd}}{\mathrm{\ϵ}}_c}{f_{\mathrm{sd}}}$ （式16）

上式中，E_sd为对角斜筋弹性模量，ε_c为FRC单轴抗压时的峰值应变。

发明人根据正交试验设计了42个跨高比不同配筋率及跨高比等参数连梁试件，根据（式10）、（式13）、（式16）分别计算了混凝土抗压强度抗剪影响系数k_c、混凝土抗拉强度抗剪影响系数k_t和斜筋项抗剪影响系数k_sd，通过参数拟合，并取各参数下限，得到混凝土抗压强度抗剪影响系数k_c、混凝土抗拉强度抗剪影响系数k_t和斜筋项抗剪影响系数k_sd分别为0.14，1.3和0.24，最终可得到（式1）。

本发明的小跨高比交叉式对角斜筋连梁的预制方法为：

（1）按图纸放样，配置连梁中的水平钢筋与箍筋；

（2）配置连梁中的对角斜筋，对角斜筋采用扎丝与水平钢筋和箍筋固定；

（3）支连梁模板；

（4）浇筑连梁：该高延性纤维混凝土的制备方法为：首先将水泥、硅灰、粉煤灰和砂倒入强制式搅拌机中干拌2~3分钟；再加入减水剂和80%的水，搅拌1~2分钟；然后加入PVA纤维再搅拌2分钟后加入剩余20%的水，搅拌1~2分钟；

（5）养护：在浇筑完成后，12h以内应进行养护；高延性纤维混凝土强度未达到设计强度的70%以前，严禁任何人在上面行走、安装模板支架，更不得作冲击性或上面任何劈打的操作。应在初凝以后开始覆盖养护，在终凝后开始浇水（12小时后）覆盖物、麦杆、烂草席、竹帘、麻袋片、编制布等片状物，养护不少于14d。

（6）拆除模板。

以下是发明人提供的关于本发明的高延性纤维混凝土的力学性能试验及其结果。

（1）采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准试模制作立方体试块，按标准养护方法养护60天，进行立方体抗压强度试验。试验结果表明：高延性纤维混凝土试块抗压强度平均值为65MPa，试块达到峰值荷载后卸载再进行第二次加载，残余抗压强度可达到峰值荷载的80%，试块破坏过程具有明显抗压韧性。

（2）采用40mm×40mm×160mm的标准试模制作棱柱体抗弯试件，按标准养护方法养护60天，进行抗弯性能试验。试验结果表明：高延性纤维混凝土试件的初裂强度为4.8MPa，试件开裂以后承载力继续提高，极限强度为10.1MPa，达到峰值荷载后承载力下降缓慢，按照ASTM C1018法计算所得的弯曲韧性系数其弯曲韧性I₅、I₁₀、I₂₀、I₃₀分别为6.2、14.5、33.0、50.6，表明具有很高的弯曲韧性。

（3）采用50mm×15mm×350mm的试模制作拉伸试块，按标准养护方法养护60天，进行直接拉伸试验。结果表明：高延性纤维混凝土试件单轴抗拉强度平均值为3.6MPa，极限拉应变可达到1.2%，试件开裂以后承载力基本保持不变，具有良好的抗拉韧性，破坏过程中出现10余条裂缝。

以上试验表明，高延性纤维混凝土的极限拉应变远高于《混凝土结构设计规范GB50010中普通混凝土的极限拉应变，高延性纤维混凝土受压、受拉、受弯破坏时均具有较高的韧性，其破坏特征与普通混凝土发生脆性破坏具有明显不同。

本发明的高延性纤维混凝土的上述力学特性表明，其作为连梁的填充材料能够显著增强连梁的抗压承载力、变形能力，不宜发生脆性破坏，减少或避免结构的震后修复工作。

以下是发明人提供的关于本发明的连梁（R/FRC试件）与普通混凝土对角斜筋连梁（R/C试件）的抗震性能对比试验：

（1）试验方案

共制作2个试件，试件截面尺寸及配筋完全相同，基体材料分别采用普通混凝土（R/C试件）和高延性纤维混凝土FRC（R/FRC试件）；试件截面尺寸均为600×110mm；跨高比均为1；上、下纵向受力钢筋分别为

截面一侧的纵向构造钢筋为

沿一个方向的对角斜筋为

为了验证FRC及交叉式对角斜筋对连梁抗震性能的贡献，连梁箍筋为Ф8150，配箍率远小于规范要求。截面尺寸及配筋见图6所示。R/FRC试件制作时，连梁预制，即先浇筑连梁，7天后浇筑用于模拟墙肢的上、下端块，连梁两端埋入墙肢深度均为1/4梁高（150mm）。

（2）试验结果

图7和图8为普通混凝土对角斜筋连梁(R/C试件)和高延性纤维混凝土交叉式对角斜筋连梁(R/FRC试件)拟静力试验结果。由图7可以看出，R/C试件破坏时，连梁“X”形斜裂缝交汇处混凝土剥落，而R/FRC试件保护层未脱落。由图8可以看出，R/C试件在斜筋局部压屈后，迅速丧失了承载能力，而R/FRC试件由于纤维的桥接作用，在斜筋局部压屈后，承载力仍能继续提高，裂缝开展较R/C试件缓慢，在连梁出现沿对角斜筋方向的主斜裂缝之后仍可继续稳定承载，提高了对角斜筋连梁的延性和耗能能力。用高性能纤维增强混凝土替代普通混凝土做为对角斜筋连梁基体，可以提高连梁的屈服荷载(位移)、峰值荷载(位移)和最大位移，连梁的延性、耗能能力和耗能潜能得到了显著的改善。通过试验验证，延性高性能混凝土对角斜筋连梁具有优越的延性和耗能能力，并可取代斜筋拉结筋的作用。由上述试验可知：

（1）连梁达到极限荷载时，本发明的连梁裂缝细密，裂缝开展和延伸缓慢，裂缝宽度明显比普通混凝土连梁裂缝小，且保护层没有剥落，损伤容限较高，可减小强震后的修复费用。

（2）本发明的连梁在达到极限荷载后仍能继续承载，刚度下降较缓慢，延性较好；普通混凝土连梁在达到极限荷载后，刚度突然下降，不能继续承载。

以下是发明人提供的关于本发明的连梁（试件CB-2）与普通配筋高延性纤维混凝土连梁（试件CB-1）的抗震性能对比试验。

连梁试件CB-1与试件CB-2截面尺寸相同，基体材料均为高延性纤维混凝土，箍筋、纵向受力筋配置相同，试件CB-2沿对角方向配置了

对角斜筋，试件CB-1无斜筋。经数值分析，其荷载-位移曲线如图9所示。

为了对连梁的耗能能力进行研究，通过对荷载-位移滞回曲线进行积分计算得到试件CB-1与试件CB-2在弹塑性变形阶段的耗能值分别为312400和551848kN/mm²。结果表明，连梁中加入对角斜筋可显著提高连梁的耗能能力。

经计算，试件CB-2位移延性系数为3.8，明显大于CB-1位移延性系数2.6，表明在连梁中加入对角斜筋可以显著提高连梁的延性。

Claims (4)

1.一种小跨高比交叉式对角斜筋连梁，包括纵筋、设置在纵筋上的箍筋和填充材料，其特征在于，所述纵筋间设置有交叉式对角斜筋，所述填充材料为高延性纤维混凝土。

2.如权利要求1所述的小跨高比交叉式对角斜筋连梁，其特征在于，所述对角斜筋的配置应满足下述条件：

V_wb≤0.14f_cbh₀+1.3f_tbh₀+0.24A_sdf_sdsinα    （式1）

（式1）中：

V_wb为连梁斜截面抗剪承载力；

b为连梁截面宽度；

h₀为连梁截面有效高度；

f_c为高延性纤维混凝土抗压强度；

f_t为高延性纤维混凝土轴心抗拉强度，f_t＝3.683f_c ^0.174；

A_sd为单向对角斜筋面积；

f_sd为对角斜筋的屈服强度；

α为对角斜筋与连梁纵轴的夹角，α＝arctan(l_n/h)，l_n为连梁净跨。

3.如权利要求1所述的小跨高比交叉式对角斜筋连梁，其特征在于，所述高延性纤维混凝土的组分为水泥、粉煤灰、硅灰、砂、PVA纤维和水，其中，按质量百分比计，水泥：粉煤灰：硅灰：砂：水=1：0.9：0.1：0.76：0.58；以水泥、粉煤灰、硅灰、砂和水混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的体积掺量为1.5%。

4.如权利要求3所述的小跨高比交叉式对角斜筋连梁，其特征在于，所述水泥为P.O.52.5R硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述硅灰的烧失量小于6%、二氧化硅含量大于85%、比表面积大于15000m²/kg；所述砂的最大粒径为1.26mm；所述PVA纤维的长度为6~12mm、直径为26μm以上、抗拉强度为1200MP以上、弹性模量为30GPa以上。

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