梁端开单孔RC框架梁抗震性能试验研究

工程抗震与加固改造

EarthquakeＲesistantEngineeringandＲetrofitting

Vol.40，No.1Feb．2018

［8412（2018）01-0044-06文章编号］1002-DOI：10.16226/j．issn．1002－8412.2018.01.008

梁端开单孔ＲC框架梁抗震性能试验研究

122苗生龙，袁广林，李庆涛，何

旭

2

（1．中国矿业大学徐海学院，江苏徐州221008；2．中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州221116）［提

要］考虑梁端开孔大小、孔洞位置等因素，对梁端开单孔的ＲC框架梁的抗震性能进行了试验研究。研究结果表明，孔

洞直径d越大，孔洞距柱边距离S1越小，梁的破坏越突然，脆性越明显，极限承载力越低。梁端开孔降低了ＲC梁的抗震性d、S1等参数的变化对梁的抗震性能有显著影响。当S1≥1.5h，d≤0.4h（h为梁高）时，能，是否开孔对梁的极限承载力和抗震d≤0.4h。在孔周配加强筋可有效提高ＲC梁的抗震性能，性能的影响可以忽略不计，建议在ＲC梁端开孔时，宜取S1≥1.5h，当S1＜1.5h时，可在孔边增配加强筋或采用其它方法加固。［关键词］钢筋混凝土；框架梁；单孔；抗震性能［中图分类号］TU352．1

［文献标识码］A

ExperimentalStudyonSeismicPerformanceofＲCBeamwithASingleHoleattheEnd

MiaoSheng-long1，YuanGuang-lin2，LiQing-tao2，HeXu2

（1．XuhaiCollege，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China；2．SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China）

Abstract：Consideringthesizeandthelocationofthehole，theseismicperformanceofＲCframebeamswithaholeattheendistested．Theresultsshowthat，thelargerthediameterofthehole，thesmallerthedistancebetweentheholeandtheedgeofthecolumn，andthemoresuddenthefailureofthebeam，themoreobviousthebrittlenessandthelowertheultimatebearingcapacityofthebeam．TheholeattheendofthebeamreducestheseismicperformanceofＲCbeam，andthechangeoftheparameters（d，S1）hasasignificanteffectontheseismicperformanceofthebeam．TheeffectoftheholeonultimatebearingcapacityandseismicperformanceofthebeamcanbeneglectedwhenS1≥1.5h，d≤0.4h（histheheightofthebeam）．ItissuitablefortakingS1≥1.5handd≤0.4hwhenopeningaholeattheendofthebeam．ＲeinforcingbarsaroundtheholecaneffectivelyimprovetheseismicperformanceofＲCbeams．ItshouldaddreinforcingbarsaroundtheholeoruseothermethodstoreinforcethebeamwhenS1＜1.5h．Keywords：reinforcedconcrete；framebeam；singlehole；seismicperformanceE-mail：cumtmiao@126．com

1引言

在已建成的钢筋混凝土结构中，当需要增设设备管线时，为保证建筑使用净空的要求，常常需要在ＲC框架梁端部开孔。梁端开孔后ＲC框架梁的力学性能和抗震性能是人们关心的问题之一。国内外，并取得了一定的学者对此进行了广泛的研究

成果，但缺乏系统性。本文对ＲC开单孔框架梁的抗震性能进行了试验研究，考虑孔洞直径d（0.3h、

［1－9］

0.4h、0.5h，h为梁高）、孔洞位置（孔洞边缘距柱边

1.0h，1.5h）等参数，距离S1∶0.5h，对7根梁进行了低周反复荷载试验，系统分析了孔洞大小、孔洞位

置等对梁的承载能力、滞回性能、耗能能力、延性性可为地震区能和刚度退化等抗震性能的影响规律，开孔ＲC框架梁的设计提供参考。22.1

试验概况试件设计

［收稿日期］2017－06－05

［基金项目］国家自然科学基金项目（51208504）

试件模拟平面框架边节点梁柱反弯点之间的区段，根据梁端开孔直径、孔洞距柱边距离和孔周是否配加强筋的不同，本试验共设计了7根梁，采用C25

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第40卷第1期苗生龙，等：梁端开单孔ＲC框架梁抗震性能试验研究

表1Tab．1

试件

编号LA0LA1LA2LA3LA4LA5LA6

孔洞形状—圆形圆形圆形圆形圆形圆形

试验梁分组Testbeamgroup

孔洞边缘至柱边距离S1（mm）

—150（0.5h）150（0.5h）150（0.5h）300（1.0h）450（1.5h）150（0.5h）

·45·

28天实测抗压强度约为28.5N/mm2，混凝土，梁、

柱纵筋和孔周加强筋为HＲB400，箍筋为HPB300。梁截面尺寸为150mm×300mm，柱截面尺寸为300mm×400mm，分组见表1。试件具体尺寸及配筋见图1所示。

2.2试验装置及加载制度2.2.1试验装置

本试验采用往复水平荷载加载装置，见图2所示。固定于反力墙上的水平伺服作动器通过螺杆和钢板与梁端相连，并施加水平往复荷载。柱子采用锚栓固定于地面，并通过置于柱端与固定钢梁之间的千斤顶将柱顶紧。

孔径d（mm）—90（0.3h）120（0.4h）150（0.5h）120（0.4h）120（0.4h）120（0.4h）

孔周加强钢筋—否否否否否是

图1

Fig．1

试件尺寸及配筋图

Dimensionandreinforcementoftestspecimens

2.2.2

加载制度

本试验采用“荷载﹣位移混合控制”的加载制见图3所示。

3试验结果分析3.1

极限承载力

梁的极限承载力见表2。由表2可知，梁LA1、LA2和LA3的极限承载力分别较梁LA0降低3.5%、9.4%和37.6%，说明梁端开孔后随孔洞直

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度：屈服荷载前，采用荷载控制，每级控制荷载下循

环一次。达到屈服荷载后，将伺服机位移回零，采用位移控制，按位移增量5mm进行加载，每级荷载循环三次，直至荷载下降至最大荷载的85%时停止，

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·46·工程抗震与加固改造2018年2月

图2试验加载装置Fig．2

Loadingequipment

图3加载制度Fig．3

Loadingsystem

径d的增加，梁的极限承载力逐渐降低。梁LA4和

LA5的极限承载力分别为63.7kN和65.8kN，较梁LA0分别降低了3.8%和0.6%，说明孔边至柱边距离S1越大，极限承载力越大，当S1≥1.5h，d≤0.4h时，是否开孔对梁的承载力影响可以忽略不计。梁LA6的极限承载力为68.3kN，较梁LA2的极限承载力60.0kN提高了13.8%，

说明孔周配置加强筋可以有效提高开孔梁的极限承载力。

表2

梁的极限荷载

Tab．2

Ultimatebearingcapacityofbeams

编号极限承载力（kN）

LA066．2LA163．9LA260．0LA341．3LA463．7LA565．8LA6

68．3

3.2滞回性能和耗能能力3.2.1

滞回性能

各试验梁的荷载﹣位移滞回曲线见图4所示。

从图4（a）、（b）、（c）、（d）中可以看出，梁

LA0的滞回曲线比梁LA1、LA2和LA3的滞回曲线更为饱满，说明开孔降低了梁的滞回性能，并

且随着孔径的增大，梁LA1、LA2、LA3滞回曲线的饱满程度逐渐下降，

梁的滞回性能逐渐降低，这是因为梁端开孔减小了梁的有效面积，同时开孔区产生

的应力集中也加剧了混凝土的破坏。其中梁LA3的滞回性能显著降低，说明梁中开孔时孔径不宜大于0.4h。

由图4（c）、（e）、（f）可知，随着S1的增大，梁

LA2、LA4和LA5滞回曲线的饱满程度逐渐提高，滞回环所包围的面积逐渐增大，

说明孔洞距离梁端越远，

对梁的滞回性能影响越小，当S1≥1.5h，d≤0.4h时，是否开孔对梁的滞回性能影响可以忽略不计。

由图4（c）、（g）可知，梁LA6的滞回曲线比梁

LA2更为饱满，滞回环包围的面积更大，滞回性能明

显提高，这是因为孔周配置的加强筋抑制了裂缝的

开展，使混凝土充分发挥了作用。3.2.2

耗能能力

各试验梁每一级循环的耗能能力，为每级加载时第一次循环下滞回环的面积与相应循环下的峰值位移Δ的关系。各梁的耗能能力见图5所示。由图5（a）可知，相同位移下，梁LA0、

LA1、LA2和LA3的耗能能力逐渐降低，这是由于梁端开孔减小了梁的有效面积，产生了应力集中现象，且随开孔孔径的增大，应力集中现象愈发明显，引起混凝土过早破坏。其中梁LA3由于开孔孔径过大（d＞0.4h），耗能能力明显降低。由图5（b）可知，相同位移下，梁LA2、LA4、LA5的耗能能力依次提高，说明随孔边至柱边距离S1的增大，梁的耗能能力逐渐提高；此外，梁LA5和LA0的耗能能力曲线相似，说

明当S1≥1.5h，d≤0.4h时，是否开孔对梁的耗能能力影响可以忽略不计。由图5（c）可知，在相同位移

下，梁LA6的耗能能力明显优于梁LA2，孔周配加强筋可以有效提高梁的耗能能力。3.3延性

本文采用位移延性系数［10］

来评价试件的延性

性能，计算结果见表3。

由表3可以看出，梁LA1、

LA2和LA3的延性系数分别较未开孔梁LA0降低了19.3%、52.9%和71.2%，说明梁端开孔降低了梁的延性，孔径越大，

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图4

Fig．4

各试验梁的荷载﹣位移滞回曲线

Load－displacementhystereticcurveofbeams

图5

Fig．5

各试验梁耗能能力对比

Energydissipationcapacitycomporisonofbeams

梁的延性越低，其中梁LA3下降最多，说明梁中开

孔孔径较大（d＞0.4h）时，对梁延性影响较明显。LA4和LA5的延性系数分别较LA0降低了梁LA2、52.9%、6.1%和0.7%，说明随着S1的增加，试件的延性性能逐渐提高，即孔洞距梁端越近，对试件的延

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d≤0.4h时，性性能越不利；当S1≥1.5h，开孔与否

对梁的延性几乎没有影响。此外，梁LA6的延性系数较梁LA2提高了52.8%，较LA0降低了28.1%，说明孔周配加强筋能显著提高开孔梁的延性性能，但其延性性能较未开孔梁仍有一定程度的降低。

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·48·

表3

Tab．3试件编号LA0LA1LA2LA3LA4LA5LA6

试件延性性能计算表

工程抗震与加固改造2018年2月

Ductilitycalculationresultsforspecimens屈服位移Δy（mm）9.2610.7511.7410.177.8010.5711.75

极限位移Δu（mm）38.0035.5422.11.9530.0443.0434.71

位移延性系数

Δu

μ=

Δy

4.103.311.931.183.854.072.95

由图6可知，梁LA0的初始刚度明显高于梁LA1、LA2、LA3、LA4和LA5，说明梁端开孔对梁的刚度有较大影响。

由图6（a）可知，梁端开孔时随着开孔孔径的增梁的初始刚度逐渐降低。随着荷载及侧向位移加，

LA1、LA2和LA3的刚度逐渐下Δ的增大，梁LA0、

降。这是因为开孔降低了梁的整体刚度，开孔区产

生了较为明显的应力集中，使孔周裂缝的产生与发展较为迅速，且随着孔径的增大，应力集中现象加剧，导致梁的刚度退化严重。由图6（b）可知，随着S1的增大，梁的初始刚度

梁逐渐提高。随着荷载及侧向位移Δ的逐渐增大，LA2、LA4、LA5的刚度逐渐提高。主要原因是随着

开孔位置S1的增加，孔周受到的叠加效应逐渐减小，应力集中作用也越小，刚度退化程度降低；当S1≥1.5h时，未开孔梁与开孔梁的刚度退化曲线趋于是否开孔对梁的刚度退化性能产生的影响可一致，

忽略不计。

3.4刚度退化

刚度退化是指构件在循环反复荷载作用下，裂缝不断产生和发展，当保持峰值荷载不变时，峰值点11］位移随循环次数的增加而增大的现象。文献［给出试件在反复荷载作用下的等效刚度K和平均侧向位移Δ的关系曲线见图6所示。

图6

Fig．6

各试验梁刚度退化曲线

Ｒigiditydegradationcurvesofbeams

由图6（c）可知，梁LA6的初始刚度明显高于未配加强筋的梁LA2，且试验中梁LA6的刚度始终大于梁LA2；此外，梁LA6与梁LA0两者的刚度退化

说明孔周配加强筋可以较好地提高曲线基本一致，

梁的整体刚度，这是因为加强筋抑制了孔周裂缝的

产生与发展，有效控制了梁刚度的退化。4

结语

本文考虑开孔大小、开孔位置等因素，对梁端开单孔ＲC框架梁的抗震性能进行了试验研究，主要结论如下：

（1）随孔洞直径d的增加，开孔梁的极限承载力逐渐降低；随孔边至柱边距离S1的增大，开孔梁的极限承载力逐渐提高。

（2）梁端开孔降低了ＲC梁的抗震性能，d、S1

等参数的变化对梁的抗震性能有显著影响。随d的S1的减小，增大、梁的滞回性能、耗能能力、延性和

d≤0.4h时，是否开孔刚度逐渐降低；当S1≥1.5h，

对梁的极限承载力和抗震性能的影响可以忽略

不计。

（3）相对于孔周未配加强筋的开孔梁，孔周配加强筋的梁的极限承载力、滞回性能、耗能能力和延性均显著提高，在孔周配加强筋可有效提高ＲC梁的抗震性能。

（4）建议在钢筋混凝土梁端开孔时，宜取孔径d≤0.4h，孔边到柱边距离S1≥1.5h。当S1＜1.5h，时，可在孔边增配加强筋或采用其它方法加固。

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