作者：郑晓蒙
梁巧真，刘 凡，丁红艳
（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215000）
[摘要]制作了2个箱型截面的钢筋混凝土悬臂构件模型，试验包括了模型构件屈服前的加载和屈服后的加载，其加载方案为保持轴力不变的情况下施加水平线荷载。试验中采用应变采集仪采集应变，采用读数显微镜观察裂缝，并用百分表测量构件的挠度。分析试验数据，得出各截面应力应变的分布；通过改变试件的轴压比，分析弹塑性阶段各截面剪力滞系数随轴压比的变化趋势，得出各截面剪力滞系数在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后随轴压比变化的规律；且研究表明，材料非线性对翼板与肋板交界处的剪力滞系数影响较大，与弹性阶段相比，箱形截面构件处于非线性阶段时轴压比对剪力滞效应的影响较小。
[关键词]剪力滞；模型试验；材料非线性；轴压比；
O 引言
在水平荷载作用下，框筒结构的受力性能类似于薄壁箱形截面构件，箱形截面具有抗弯抗扭刚度大、适合现代化施工等优点，由于具有这些良好的结构性能，箱形截面构件被广泛应用于各类工程中。但薄壁箱形截面构件的受力相当复杂，由于箱形截面构件翼板的剪切变形使翼板远离肋板处的纵向位移滞后于肋板根处，从而使得弯曲应力横向分布呈曲线形状，即剪力滞后现象，若靠近肋板处的应力比远离肋板处的小，则称为负剪力滞后现象。剪力滞系数A是研究剪力滞现象的重要参数：A= u/uo，σ为考虑剪力滞效应所得的法向应力，口。为按初等梁理论求得的法向应力。
国内外学者对剪力滞效应进行了大量模拟分析及理论研究，得出了几何非线性对剪力滞的影响、非线性阶段宽跨比与剪力滞的关系、曲线箱梁考虑剪力滞效应的刚度矩阵等。但目前对箱形截面剪力滞效应的分析大都停留在理论分析或弹性分析阶段，而考虑材料非线性的剪力滞分析还未研究。本文通过试验，分析各截面在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后的剪力滞系数，研究材料非线性及轴压比对剪力滞现象的影响。
1 模型及试验
1.1 试验目的及内容
本试验的目的是通过测试箱形截面构件各截面在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后（极限荷载之前）的纵向应力分布，研究材料非线性及轴压比对悬臂箱形截面构件剪力滞后现象的影响。
本试验内容包括3个部分：①混凝土开裂前，对各测点的应变及加载点位移测试；②混凝土开裂后，测量各测点的应变及加载点的位移，并观察构件裂缝的发展；③钢筋屈服后，对各测点的应变及加载点位移进行测试，并观察裂缝的发展趋势。
1.2 钢筋混凝土箱形构件模型
试验中选择和框筒结构类似的矩形截面构件，并参考实际桥梁的截面尺寸，同时结合实验室试验场地及加载装置的条件限制，拟定了试验模型的尺寸及箱体的配筋。悬臂构件体长1. 4m，构件宽600mm，高300mm，其顶板、底板和肋板厚度各为70mm，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)及试验加载情况进行配筋计算，按照C20要求进行混凝土的配制，构件全部采用HPB300钢筋，受拉区钢筋（顶板）为11φ14，受压区钢筋为5φ10，两肋板各配置2φ10的架立筋。箱形构件模型截面尺寸及配筋如图1所示。
1.3材料力学性能
1)混凝土
试验采用自制混凝土，设计强度为C20，用搅拌机进行现场搅拌，混凝土的材性试验和制作要求均按照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081-2002)和《混凝土结构试验方法标准》( GB/T 50152-2012)规定的试验方法进行，在试件浇筑过程中对同批次的混凝土取样，每批次制作一组3个立方体(150mm×150mm×150mm)标准试块，并与试验试件在同等环境条件下养护28 d，拆模后进行混凝土压力机试验。混凝土材料性能如表1所示。
由以上材性数据及《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)得出混凝土的应力应变关系（取其参数fe．，=f。、8C,r=1.48×10。），如图2所示。
2)钢筋
钢筋材性试验所用钢筋是根据《混凝土结构试验方法标准》( GB/T 50152-2012)的要求制作加工，分别制作2根直径为lOmm和2根直径为14mm的500mm长的HPB300钢筋，然后按照《金属材料室
由以上材性数据及《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)得出钢筋的应力应变关系（其参数
），如图3所示。
1.4 加载方案
试验加载时，首先通过竖向千斤顶施加轴向荷载至恒定值，然后保持该竖向加载（构件1轴压比为0.2，构件2轴压比为0.4）不变，通过水平加载装置在距离固端1. 2m处施加单调水平线荷载。按照《建筑抗震试验方法规程》( JGJ 101-1996)，本次试验采用荷载一变形双控制的方法。箱形试件屈服之前按力加载，分级（每级2kN）加载，箱形构件屈服后按位移加载，当此钢筋混凝土试件的水平荷载下降到最大水平荷载的85%时终止试验。
1.5 测点的布置
根据本次试验的目的，浇筑混凝土之前需粘贴钢筋应变片。在悬臂构件的固端及距固端600mm位置的钢筋表面粘贴应变片，以便观察加载过程中纵向钢筋的应力发展情况。
在悬臂构件的悬臂端和中间位置布置4个位移计，将位移计的固定装置固定在固端，以使试验得到的位移数据为所需净位移，从而由位移传感器所测得的数据得到试件的荷载一位移曲线。应变片的布置、编号及位移计的布置如图4—图6所示。
2试验结果
本试验中各截面分别布置了16个钢筋应变片，其加载装置如图6(b)所示，主要通过分析受压和受拉面的钢筋纵向应力，研究悬臂箱形构件的剪力滞现象。
2.1 材料非线性对剪力滞的影响
本文采用的剪力滞系数A=σ／σ，σ为考虑剪力滞效应所得的法向应力，σ为弯曲平均应力。试验测得各阶段的应变，并由材料的应力应变关系求得对应的应力。
当轴压比为0.2时，各截面的剪力滞系数，随构件进入混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后阶段（本阶段仅指部分钢筋屈服之后、极限荷载
之前的阶段）的变化，如图7所示。
当轴压比为0.4时，各截面的剪力滞系数，随构件进入混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后阶段的变化，如图8所示。
由图7和图8可知，
1)固端截面受拉翼缘：肋板外边缘的剪力滞系数在混凝土开裂前阶段时最大，随水平荷载的增大，混凝土进入非线性阶段，混凝土开裂之后此剪力滞系数变小；而翼板中间的剪力滞系数在混凝土开裂前最小，由于材料非线性的影响混凝土开裂之后有所增大，但弹塑性阶段此截面的应力分布并无较大变化，即肋板与翼缘交界处的应力始终大于翼缘中间的应力；且由试验数据可知，与弹性阶段相比较，塑性阶段时此截面受拉区近肋板处的剪力滞系数约减小5%、翼缘板中间的剪力滞系数约增大5qo。
2)固端截面受压翼缘：随着构件进入混凝土开裂前阶段、带裂缝工作阶段、钢筋屈服后阶段，混凝土及钢筋先后进入非线性阶段，因而其受拉翼缘的剪力滞系数发生了变化，由试验数据可知肋板外边缘的剪力滞系数增大、翼板中间的剪力滞系数减小，与弹性阶段相比较，塑性阶段时固端截面受压区近肋板处的剪力滞系数约增大10%、翼缘板中间的剪力滞系数约减小15%。
3)距固端600mm处的受拉翼缘：在混凝土开裂前阶段构件处于弹性阶段，该受拉翼缘出现负剪力滞现象；带裂缝工作阶段混凝土已进入非线性阶段，由于混凝土非线性的影响，此受拉翼缘的应力趋于均匀分布；钢筋屈服后，因钢筋及混凝土的非线性影响，该受拉翼缘的应力又趋于不均匀分布发生变化，出现正剪力滞现象。
4)距固端600mm处截面的受压翼缘：由于混凝土及钢筋先后进入非线性阶段，该受压翼缘的剪力分布发生变化，即随材料进入非线性阶段翼板外边缘应力偏大、翼板中间的应力有所减小。
根据已有的研究成果可知，在钢筋屈服前，随荷载的增大，曲线简支箱梁跨中截面受拉翼缘的翼板边缘之剪力滞系数随荷载增大而减小、翼板中间之剪力滞系数则增大。本试验得到的结果与其相符。
综上可知，材料进入非线性阶段后，箱形构件翼板中的剪切变形受到影响，使得翼缘的应力发生相应变化，即各截面翼缘的剪力系数随材料进入非线性阶段而发生了一定变化，尤其是肋板与翼缘的交界处剪力滞系数受材料非线性的影响较大。
2.2轴压比对剪力滞的影响
本试验通过保持两个悬臂箱形构件的其他条件相同而改变轴压比的大小，来分析不同阶段轴压比对各截面剪力滞的影响。
2.2.1 混凝土开裂前
测试混凝土开裂前各截面钢筋的纵向应力，分析其剪力滞系数分布情况，其各阶段的剪力滞系数变化如图9所示。
由图9可以看出，轴压比的改变使得各截面的应力分布发生变化，各截面的剪切变形程度受到影响，从而导致各截面的剪力滞系数有所改变。由图中试验数据可知，距固端600mm处截面受拉翼缘肋板外边缘的剪力滞系数随轴压比增大而减小，翼板中间的剪力滞系数随剪力滞增大而增大，而其他截面剪力滞系数的变化与之相反，且各截面的剪力滞系数变化程度不同，固端截面的剪力滞系数随轴压比变化的程度较大。
2.2.2 带裂缝工作阶段
随水平荷载的增大，构件进入带裂缝工作阶段，此阶段各截面的剪力滞系数随轴压比的变化趋势如图10所示。
由图10可知，进入带裂缝工作阶段后，固端截面的受拉、受压翼缘及距固端600mm处截面受压翼缘的剪力滞系数随轴压比的变化趋势相同，即肋板外边缘的剪力滞系数随轴压比增大而增大、翼板中间的剪力滞系数随剪力滞系数而减小，而距固端600mm处截面受拉翼缘的剪力滞系数随轴压比的变化趋势与之相反。在此阶段，固端截面受拉区肋板外边缘及距固端600mm处截面的翼板中间的剪力滞系数变化程度较大。
2.2.3 钢筋屈服后
随着水平荷载的增大，构件进入屈服阶段，此阶段各截面的剪力滞系数随轴压比的变化趋势如图11所示。
从图11可看出，钢筋屈服后，由于轴压比对翼缘的剪切变形的影响，各截面的剪力滞系数随轴压比的改变而变化；距固端600mm处截面的受拉区的剪力滞系数随轴压比的变化趋势与其他截面不同，其肋板外边缘的剪力滞系数随轴压比增大而减小；固端截面的受压、受拉区及距固端600mm处截面受压区肋板外边缘剪力滞系数随轴压比增大而增大、翼板中间的剪力滞系数则随轴压比的增大而减小。固端截面受拉区的变化程度最为显著，即轴压比为0.4的构件与轴压比0.2的相比，肋板边缘外侧剪力滞系数增大约0. 29倍，翼板中间的剪力滞系数约减小0. 20倍。
从以上试验结果可知，在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后，各截面的剪力滞系数随轴压比的变化趋势没有改变，但因轴压比对翼缘的剪切变形程度的影响，固端截面的受拉受压区的肋板外边缘的剪力滞系数随轴压比增大而增大、翼板中间的剪力滞系数随轴压比增大而减小；距固端600mm处的截面受拉、受压翼缘的剪力滞系数随轴压比变化的趋势不同。由于混凝土和钢筋先后进入非线性阶段，各截面翼缘的剪切变形程度发生变化，使得剪力滞系数的变化程度发生了变化，混凝土开裂后其变化程度有所减小，即材料进入非线性阶段后剪力滞系数随轴压比的变化程度减小。
3 结语
1)对试验中的两个悬臂箱形构件进行了混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后的试验研究，得到轴力和水平荷载共同作用下，基于材料非线性状态下各截面剪力滞后变化的规律，并与已有的研究成果相比较，验证了试验的合理性。
2)通过改变试件的轴压比，分析弹塑性阶段各截面剪力滞系数随轴压比的变化趋势，得出各截面剪力滞系数在混凝土开裂前、带裂缝工作阶段及钢筋屈服后随轴压比变化的规律。试验结果表明，材料处于非线性状态时，各截面的剪力滞系数随轴压比的变化程度较弹性时小。
3)材料非线性对剪力滞系数的影响较大，进行悬臂箱形截面构件设计时有必要考虑材料非线性的影响，塑性阶段与弹性阶段相比较可知，固端截面受拉区近肋板处的剪力滞系数约减小5%、翼缘板中间的剪力滞系数约增大5%，固端截面受压区近肋板处的剪力滞系数约增大10 010、翼缘板中间的剪力滞系数约减小15%。
