框架梁研究論文：框架梁性能實驗探究
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本文作者：易偉建1余東1江濤2作者單位：1湖南大學土木工程學院2湖南省建筑設計院
試驗概況
1試件設計
試驗共設計制作3榀1層2跨鋼筋混凝土框架，試件編號為KJ1、KJ2和KJ3，其中試件KJ1和KJ2采用HRB500級鋼筋作為受力主筋，為了與試件KJ2進行對比，具有相近承載力的試件KJ3采用HRB400級鋼筋作為受力主筋。框架柱高h=1800mm(從基礎梁頂算起)，2跨跨度均為4000mm，梁截面尺寸為150mm×300mm，柱截面尺寸為250m×250mm，基礎梁橫截面尺寸為600mm×250mm，3榀框架試件尺寸如圖1所示。混凝土設計強度等級為C40，鋼筋混凝土框架柱配筋均為320，對稱配筋。框架梁則按跨編號為KL1、KL2，其配筋如表1所示。3榀試件框架梁的非加密區箍筋配置雙肢8@150，加密區箍筋配置雙肢8@75。縱向受力鋼筋材料性能如表2所示。
2試驗加載及量測
試驗加載采用框架梁跨中集中加載(圖2)。分4個階段進行加載。第1階段，分4～5級加載，每級荷載增量20～40kN，直到框架梁中柱端(C端)、跨中(B、D端)以及邊柱端(A、E端)都出現裂縫，分級卸載。第2階段，首先按第1階段加載方式加載至其卸載時的荷載值，再按框架梁中柱端(C端)計算的承載力分6～7級加載，每級荷載增量為10～40kN，待主裂縫寬度達到0.3mm，分級卸載。第3階段首先分級加載至第2階段卸載時的荷載值，按照第2階段的荷載級差加載，加載至框架梁中柱端(C端)計算承載力的90%，改變級差以計算極限荷載的5%分級加載。試驗量測的主要內容包括:測量梁端、梁跨中、柱頂、1/3柱高以及柱底等關鍵截面的混凝土應變和受拉鋼筋應變;用6個量程50mm的百分表來測量梁跨中以及1/4跨度處的撓度，5個量程10mm的百分表測量柱頂以及柱側向的位移;用6個電子傾角儀測量梁端及邊柱柱頂轉角;用4個量程1mm的千分表測量邊柱柱底的平均位移，用來校核所測混凝土應變;框架梁開裂后，描繪每級荷載作用下裂縫形態并量測記錄縱筋處的裂縫寬度。
試驗結果及分析
1裂縫形態
3榀框架試件在加載過程中，首先框架梁在中柱支座的梁端附近出現第1條裂縫(試件KJ1～KJ3對應的開裂荷載分別為19kN，22kN和21kN)，繼續加載，梁跨中附近和邊柱端也出現1條新裂縫，中柱支座端在第1條裂縫靠跨中一側出現1條新裂縫。原有的裂縫寬度進一步增大，在己開展的裂縫相鄰一定間距內又有新裂縫出現，已開展的2條裂縫之間很少再有新裂縫出現。所有裂縫沿豎直方向延伸一定高度以后斜向發展，框架梁柱邊裂縫斜向支座端，跨中裂縫斜向加載點。緊靠柱邊的梁端裂縫沒有傾斜，沿垂直方向延伸。進一步加載，梁跨中的下排鋼筋首先屈服，裂縫寬度加大，梁兩端轉角增大。隨后跨中裂縫發展進一步加速，撓度增大更加明顯。最終跨中受壓區混凝土壓碎(試件KJ1～KJ3對應的極限荷載分別為216kN，200kN和230kN)，框架梁裂縫形態如圖3所示。
2裂縫寬度
在3榀框架梁支座端附近各選取4條主裂縫(A端裂縫編號A1、A2、A3、A4，E端裂縫編號E1、E2、E3、E4，中柱左側梁KL1端裂縫編號C1、C2、C3、C4，中柱右側梁KL2端裂縫編號C1''''、C2''''、C3''''、C4'''')，在正常使用荷載作用下進行裂縫寬度比較分析，如圖4～6所示。由圖4～6可知，在正常使用荷載作用下，除了試件KJ2的E端以及試件KJ3的C端，其余框架梁支座截面端部的裂縫寬度最大，且靠近柱邊的裂縫在每級荷載作用下的裂縫寬度增量也較其他裂縫大，這些支座端的裂縫是控制整個框架梁裂縫的關鍵。對于試件KJ1和試件KJ3，具有相近配筋率、不同鋼筋直徑的A端和E端，每級荷載作用下的最大裂縫寬度比較如圖7所示，直徑較大的鋼筋導致較寬的裂縫。對承載力相近分別配有HRB500鋼筋的試件KJ2和配有HRB400鋼筋的試件KJ3的A、C端在每級荷載作用下的最大裂縫寬度比較如圖8所示。由于HRB500級鋼筋使配筋率降低，導致較寬的裂縫。試件KJ1、KJ2、KJ3在正常使用荷載作用下實測框架梁端最大裂縫寬度明顯大于按2010版規范公式計算的裂縫寬度(表3)，而梁跨中的最大裂縫寬度與按2010版規范公式計算的寬度之比小于1。
計算結果與試驗結果對比分析
圖12包含文獻［14-15］的共51個數據，wj為實測梁端主裂縫最大寬度;wjmax1為按2010版規范公式計算的短期荷載作用下的裂縫寬度最大值;wjmax2為按式(11)計算的短期荷載作用下的裂縫寬度最大值。由圖可知:wj/wjmax1與wj/wjmax2分布近似服從正態分布。進行k-s檢驗，檢驗P值分別為0.08與0.05，均不小于0.05，可以認為符合正態分布。試驗實測值與按2010版規范計算的短期裂縫寬度最大值和采用式(11)計算的短期裂縫寬度最大值的比較列于表3。由表3的計算結果統計分析可知:1)wj/wjmax1均值23，wj/wjmax2均值00，說明2010版規范裂縫寬度計算結果小于試驗值，而式(12)計算值與試驗值符合良好。2)wj/wjmax1變異系數0.13，wj/wjmax2變異系數0.09，說明式(12)計算值與2010版規范裂縫寬度計算值相比可靠性較好。
