開口永久柱模板結(jié)合方式對疊合柱力學(xué)性能影響

周 乾，張笑鑫，荀 勇，吳發(fā)紅，張亞仿

(1.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，鹽城 224051；2.鹽城市房產(chǎn)管理局，鹽城 224002)

為降低工程成本，縮短工期，節(jié)約資源能源，減少環(huán)境污染，促進(jìn)建筑工業(yè)化，中外學(xué)者對混凝土結(jié)構(gòu)永久模板模板進(jìn)行了大量研究[1-7]，張利斌[1]將預(yù)應(yīng)力模板成功運用于老撾南康3水電站項目的帶懸臂混凝土重力壩工程；劉山洪等[2]在四川博力溝主跨度170 m的勁性骨架鋼筋混凝土箱形拱橋中，進(jìn)行使用新型組合結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)永久性模板的澆筑方案和傳統(tǒng)澆筑方案模型比較，結(jié)果是骨架應(yīng)力變化小，撓度小，施工簡單方便；法國學(xué)者 Papanicolaou等[3]用纖維織物網(wǎng)與水泥砂漿制作成封閉的方形混凝土柱模板，其疊合柱的開裂荷載和極限和載均有不同程度提高；美國學(xué)者Hanus等[4]對使用FRP永久模板的混凝土柱進(jìn)行試驗研究發(fā)現(xiàn)，使用該種模板，既能減少柱內(nèi)配筋，又能防腐，延長柱混凝土使用壽命；張大長等[5]用鋼筋混凝土制作“□”形永久性柱模板，對其鋼筋混凝土疊合柱進(jìn)行抗震性能試驗，結(jié)果表明，用此種模板制作的鋼筋混凝土柱具有與傳統(tǒng)方法制作的鋼筋混凝土柱在整體性和抗震性能方面具有相同表現(xiàn)。

上述研究結(jié)果表明，使用預(yù)制混凝土永久模板制作的混凝土構(gòu)件(結(jié)構(gòu))具有不低于傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件(結(jié)構(gòu))的性能，該種技術(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供了新途徑。但在已有的成果中，永久性柱模板均為封閉的“□”形，對于面廣量大的房屋工程來說，其應(yīng)用可能受到一定限制。因為一般房屋工程要使用這些型式的封閉的“□”形柱模板，勢必要將模板由柱的鋼筋籠上方順鋼筋籠向下安裝，這就要求柱鋼筋籠必須具有非常好的垂直度和規(guī)整程度，同時，柱鋼筋籠保護(hù)層的設(shè)置必須很牢，否則，模板安裝將比較困難，且鋼筋骨架容易產(chǎn)生變形和損壞，還可能引起模板及鋼筋骨架位置偏差過大等，最終導(dǎo)致鋼筋骨架質(zhì)量難以保證，特別是在遇到長柱施工時，這種情況將更加明顯。有鑒于此，本研究提出使用永久性開口柱模板，其做法是將預(yù)制永久柱模板截面制作成 “[”形，立模時，將兩個“[”形模板開口相對，再用合適方法對模板進(jìn)行連接、固定和支撐，這樣，不僅能使預(yù)制模板安裝大為簡便，同時也能像傳統(tǒng)立模方法一樣，保證工程質(zhì)量，可以徹底解決封閉型柱模板所遇到的問題。但使用該種開口永久模板的混凝土柱，能否具有傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱的各項性能，必須要有足夠的依據(jù)。本文就是針對永久性開口柱模板結(jié)合方式對混凝土疊合柱力學(xué)性能影響進(jìn)行試驗研究，以期為該種模板實際應(yīng)用提供參考。

1 試件的設(shè)計與制作

圖1 柱模板示意圖

1.1 模板試件設(shè)計

由于本研究的板、梁模板使用帶肋纖維混凝土永久模板[8-9]的疊澆試件均取得較為理想效果，所以試驗亦采用預(yù)制肋形永久混凝土模板，以保證其與新澆混凝土有可靠連接，其示意圖如圖1所示。為檢驗開口模板的受力性能和考慮使用該種模板的方便性，試驗分別設(shè)計了對縫整塊、對縫分塊、錯縫分塊的預(yù)制模板，同時，接縫分別采用干接(不作任何處理)、預(yù)埋細(xì)鉛絲連接、環(huán)氧樹脂連接、同時使用環(huán)氧樹脂和鉛絲連接型式，如表1所示。

表1 預(yù)制永久模板類型表

1.2 模板制作

試驗柱邊長確定為200 mm，高確定為400 mm，制作永久模板的模板用膠合板，肋用塑料條。模板內(nèi)配筋使用直徑4 mm的帶肋鋼絲，如圖2所示。制作模板的混凝土等級按C30配置，配合比(質(zhì)量比)為水泥︰黃沙︰石子︰水=520︰593︰1 050︰240，混凝土中聚乙烯醇(PVA)纖維的摻量為1 kg/m3混凝土，水為自來水，水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥，石子為粒徑0～4 mm級配細(xì)碎石。脫模后的永久模板如圖3所示。

圖2 模板鋼筋籠實物照片

圖3 模板實物照片

圖4 試驗柱配筋

1.3 試驗柱制作

試驗按表1的12種類型模板，每種類型制作2根柱，另為了與傳統(tǒng)方法柱進(jìn)行對比，按同規(guī)格，同配筋、配合比同時制作2根對比柱(編號“PT”)，共26根。所有柱箍筋規(guī)格及間距如圖4所示。立模后的疊澆柱預(yù)制模板內(nèi)混凝土和整澆柱混凝土均使用同一配合比的C20混凝土。模板圖如圖5所示，試驗成品柱如圖6所示。

圖5 模板

圖6 試驗成品柱照片

2 試驗

2.1 數(shù)據(jù)采集及試驗方法

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

試驗數(shù)據(jù)采集主要從兩個方面，一是試件中的主筋和箍筋應(yīng)變，二是混凝土試驗柱側(cè)面中部豎向及橫向應(yīng)變，如圖7所示。

圖7 應(yīng)變測點布置

2.1.2 試驗方法

試驗在電液伺服壓力試驗機(jī)上進(jìn)行，執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)標(biāo)準(zhǔn)。試驗采用20 kN/min的等荷載加載方式，以試件承載力開始下降為破壞標(biāo)志，停止加載。

2.2 試驗過程

2.2.1 整澆柱

PT柱在荷載加至415 kN時，試件中部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，隨著荷載的增加，裂縫數(shù)增多，且裂縫寬度明顯變大，臨近極限荷載時，出現(xiàn)劈裂聲音，縱向鋼筋向外壓屈，聲音變大，達(dá)到極限荷載時，承載力快速下降，試件中部向外凸出，呈倒錐形，破壞形態(tài)如圖8(a)所示。

2.2.2 疊澆柱

試驗中，疊澆柱破壞現(xiàn)象大致呈兩類，現(xiàn)分述如下。

(1)干接縫試件

干接縫試件包括DZ-G、DZ-Q試件和CZ-G、CZ-Q試件，當(dāng)加載至開裂荷載時，上部靠近拼縫處首先出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫順拼縫向下延伸，繼而拼縫兩側(cè)出現(xiàn)裂縫，在臨近極限荷載時，模板拼縫處裂縫寬度增加迅速，并伴隨著“滋滋”壓碎聲，最終隨著試件模板拼縫處完全往外展開，展開寬度達(dá)5 mm左右, 承載力迅速下降，試件破壞，其破壞形態(tài)分別如圖8(b)～圖8(d)所示。

(2)環(huán)氧樹脂接縫類試件

環(huán)氧樹脂接縫類試件包括DZ-H、CZ-H、CF-H、DZ-HQ、CZ-HQ和CF-HQ試件，在試驗荷載開裂之前，基本同整澆試件，當(dāng)加載至開裂荷載時，試件開始出現(xiàn)裂縫，裂縫位置多在模板拼縫以外靠近拼縫處，隨著荷載的增加，裂縫寬度逐漸變大，其中，DZ-H、DZ-HQ、CZ-H、CZ-HQ增加速度較慢，而CF-H、CF-HQ試件裂縫增加較快，荷載繼續(xù)增加，出現(xiàn)輕微的“滋滋”聲，且隨荷載進(jìn)一步增加，“滋滋”聲也逐漸變大，當(dāng)達(dá)到破壞荷載時，承載力迅速下降，試件破壞。該類試件基本均表現(xiàn)為上端壓潰，DZ-H、DZ-HQ、CZ-H、CZ-HQ試件裂縫相對較小，CF-H、CF-HQ試件裂縫較大，其DZ-H、CZ-H和CF-H試件破壞形態(tài)分別如圖8(e)～圖8(g)所示。

圖8 試件破壞形態(tài)照片

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 特征荷載

各類試件的開裂荷載和極限荷載平均值見表2。

2.3.2 荷載-應(yīng)變

圖9(a)為PT試件和模板不同拼接方式同種接縫(干接縫)方法試件的荷載-鋼筋應(yīng)變圖，圖9(b)為同種拼接(錯縫整塊拼接)方式不同接縫方法荷載-鋼筋應(yīng)變圖。圖10(a)為PT試件和模板不同拼接方式(干接縫)試件荷載-混凝土應(yīng)變圖，圖10(b)為同種拼接(錯縫整塊拼接)方式不同接縫方法試件荷載-模板縫處應(yīng)變圖。

圖9 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

圖10 荷載-混凝土應(yīng)變圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓性能分析

根據(jù)表2，對抗壓性能作如下分析。

表2 試驗特征荷載

(1)使用本研究的帶肋纖維混凝土預(yù)制模板的試件的抗壓開裂荷載和極限荷載均高于PT試件，其中，CZ-HQ試件的開裂荷載和極限荷載分別比PT試件高59.04%和62.98%，說明使用本研究的帶肋纖維混凝土預(yù)制模板的試件柱的抗壓能力大于用傳統(tǒng)方法制作試件。同時，PT試件的極限荷載與開裂荷載的比值為1.22，而疊澆試件的這兩者的比值為1.25～1.33，也均大于PT試件，說明使用本研究的帶肋纖維混凝土預(yù)制模板的試件抗壓能力疊澆試件的“延性”好于PT試件。導(dǎo)致這兩個結(jié)果的主要原因是疊澆試件的模板中摻有1%的PVA纖維，并配有直徑4 mm細(xì)箍筋，同時，其齡期比PT試件和疊澆試件的疊澆混凝土長28 d，不但使疊澆試件的混凝土綜合抗壓強(qiáng)度提高，而且模板還起著約束試件橫向變形的 “環(huán)箍”作用，同時，這類試件在受壓過程中，經(jīng)歷纖維的逐漸拔出或拉斷和細(xì)箍筋的逐漸拉伸變形、屈服甚至拉斷的逐漸破壞的過程，因而使其“延性”好于PT試件。

(2)各種接縫方法對應(yīng)的拼接方式中，其抗壓能力試驗結(jié)果是CZ>DZ>CF，其主要原因是，對于CZ和CF兩類試件，雖然都是錯縫拼接，橫斷面是相同的，但CF類試件的模板豎向上是分塊的，模板縱向細(xì)鋼絲不連通，上下節(jié)模板約束橫向變形能力不完全協(xié)調(diào)，由一個整“環(huán)箍”變成兩個相互聯(lián)系不太緊密的小“環(huán)箍”，引起“環(huán)箍”效應(yīng)下降。同時，CF試件的上下節(jié)開口模板接口位置不同，在豎向上，有兩個不同位置的薄弱部位，在試件受壓過程中，可能形成破壞效應(yīng)疊加。由于這種試件的一個有利效應(yīng)下降，一個破壞效應(yīng)疊加，即導(dǎo)致承載能力下降，所以，其整體抗壓性能不如CZ類試件。與CZ類試件相比，DZ類試件的預(yù)制模板拼縫距離較近，拼縫間受壓混凝土面積較小，所以，在試件受壓過程中，更容易產(chǎn)生破壞，其整個試件抗壓荷載必然小于CZ試件。

(3)所有同種拼縫方式中，不同的接縫處理方法的試件，抗壓能力均表現(xiàn)為HQ>H>Q>G，但同時也存在同種拼縫方式試件中，Q類試件和HQ試件雖分別比G類試件和H類試件抗壓能力有一定提高，但提高幅度均不大。其主要原因是這4種接縫方式對受壓試件的橫向約束作用程度不同，G類試件接縫未經(jīng)任何處理，兩個開口模板無任何連接，因此，模板對試件橫向約束效果最差；Q類試件采用是細(xì)鉛絲接縫，該種接縫是點式的，不連續(xù)的，且鉛絲受力時，拉伸變形較大，導(dǎo)致橫向約束作用效果較差。環(huán)氧樹脂黏結(jié)力強(qiáng)，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好[10]，本試驗是在模板接口處滿涂環(huán)氧樹脂，因此，用其處理的接縫是連續(xù)的，且與混凝土能形成整體，在試件受壓過程中，橫向約束效果好，對試件承載力提高作用明顯。同時用環(huán)氧樹脂和鉛絲處理的接縫既有環(huán)氧樹脂的作用，鉛絲也能發(fā)揮一定作用，所以，該類試件受壓承載力最高，但由于鉛絲作用有限，所以，提高幅度較小。

3.2 破壞形態(tài)分析

3.2.1 破壞型式分析

由圖8可明顯看出，PT試件是比較典型的短柱受壓破壞，整個柱身破壞比較嚴(yán)重，基本處于壓碎狀態(tài)，而疊澆試件除CZ-G、DZ-G、CF-G和CF-H試件在拼縫處裂縫較大外，主要表現(xiàn)的是端部特別是上端破壞較嚴(yán)重。其主要原因為PT試件混凝土是同期澆筑的，內(nèi)外質(zhì)量相同，抵抗破壞能力理論上是相同的，所以，表現(xiàn)的是整個斷面破壞。疊澆試件的模板配有直徑4 mm的帶肋鋼絲，且摻有1%PVA纖維，同時模板齡期比后澆混凝土(與PT試件相同)長28 d，與后澆混凝土共同組成的復(fù)合斷面抗壓能力和四周側(cè)面抗破壞能力均較PT試件強(qiáng)，所以，其破壞程度較PT試件輕；由于模板混凝土齡期比后澆混凝土長28 d，其混凝土的彈性模量大于后澆混凝土，導(dǎo)致試件受壓時的同樣豎向應(yīng)變情況下，模板部分的應(yīng)力較內(nèi)部后澆混凝土大，同時模板對試件端部橫向約束沒有中部強(qiáng)，所以，試件呈現(xiàn)中部破壞輕于端部現(xiàn)象；又由于本試驗設(shè)備加壓是通過上支座向下運動實現(xiàn)的，上支座對試件約束沒有下支座強(qiáng)，所以，試件上端破壞較下端嚴(yán)重。

3.2.2 裂縫特征分析

針對圖8的裂縫分布，對裂縫特征分析如下。

(1)干接縫試件中，CZ、DZ試件豎向最大裂縫均在拼縫處，縫寬均較大，CF試件也是，但該種試件在豎向拼縫的延長線上的上(下)節(jié)模板無拼縫處也產(chǎn)生豎向裂縫。其主要原因是干接縫試件的拼縫未經(jīng)任何處理，約束試件橫向變形的“環(huán)箍”沒有封閉，接縫處為最薄弱部位，所以，在豎向荷載作用下，裂縫肯定從最薄弱部位開始。CF試件，裂縫也發(fā)生在拼縫處，但當(dāng)拼縫處產(chǎn)生裂縫時，勢必在拼縫端部的上(下)節(jié)模板的無縫處產(chǎn)生集中應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力大于模板的抗拉能力時，即產(chǎn)生裂縫，集中應(yīng)力越遠(yuǎn)離拼縫越小，所以，其裂縫寬度越來越小，見圖8(d)。

(2)DZ-H、CZ-H豎向裂縫基本都在拼縫附近，而不直接在拼縫處，裂縫寬度明顯小于干接縫試件。其主要原因是環(huán)氧樹脂黏結(jié)力大于試件受壓在此處產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力，在此種情況下，由于兩個開口模板的橫向箍筋不連通，且都有相應(yīng)厚度的保護(hù)層，相對于模板本身及環(huán)氧樹脂接縫，模板接縫處的保護(hù)層即為抵抗橫向拉應(yīng)力的薄弱部位，同時，還存在在模板制作等過程中造成的其他薄弱部位，當(dāng)橫向應(yīng)力大于這些薄弱部位的模板抗拉能力時，即可能產(chǎn)生裂縫，但由于混凝土中的纖維作用，其裂縫較小，見圖8(e)、圖8(f)。

(3)CF-H試件的裂縫位置與DZ-H、CZ-H試件相似，都在拼縫外，但裂縫寬度比DZ-H、CZ-H試件大得多，同時與干接縫的CF-G試件不同的是，兩條不在同一垂線上的裂縫是通過模板水平拼縫連通，而不是CF-G試件既不連通，又在拼縫延長線上的上(下)模板無拼縫處產(chǎn)生裂縫。裂縫位置的原因與DZ-H、CZ-H試件相同；裂縫大于其他H類試件的原因是該種試件預(yù)制模板上下由兩節(jié)組成，將原來的一道大“環(huán)箍”變成相互聯(lián)系不緊密的兩端小“環(huán)箍”，在相同荷載作用下，小“環(huán)箍”的變形肯定大于大“環(huán)箍”；CF-H試件在模板拼縫處裂縫出現(xiàn)之前，與上(下)節(jié)模板接縫處的下(上)模板拼縫處并無集中應(yīng)力，當(dāng)模板拼縫處裂縫出現(xiàn)裂縫時，此時的壓力荷載已較大，在該處突然出現(xiàn)較大集中應(yīng)力，由于上下兩條豎縫在相應(yīng)拼縫外側(cè)，距離很近，該段水平拼縫兩端均存在較大集中應(yīng)力，當(dāng)集中應(yīng)力大于模板保護(hù)層或拼縫處抗剪強(qiáng)度時，勢必產(chǎn)生裂縫，使兩條豎縫貫通。

3.2.3 應(yīng)變分析

(1)PT試件和疊澆試件鋼筋及試驗柱應(yīng)變

從圖9(a)、圖10(a)明顯看出，在同等荷載作用下，PT試件的鋼筋應(yīng)變大于所有使用預(yù)制模板試件的主筋應(yīng)變，PT試驗柱的縱橫向應(yīng)變(絕對值、下同)大于所有使用預(yù)制模板的試驗柱的縱橫向應(yīng)變，使用預(yù)制模板制作的試件的主筋應(yīng)變和試驗柱的縱橫向應(yīng)變均表現(xiàn)為CF試件>DZ試件>CZ試件。其主要原因是PT試件沒有預(yù)制模板試件中模板的“環(huán)箍”約束，是在自由狀態(tài)下受壓，主筋及試驗柱縱、橫向變形必然大于有預(yù)制模板的“環(huán)箍”約束的試件。同時，在其他條件相同的條件下，不同模板拼接方式試件中，“環(huán)箍”效應(yīng)表現(xiàn)的是CF試件DZ>CZ試件的結(jié)果。

(2)不同接縫處理方式試件的鋼筋及試驗柱應(yīng)變

由圖9(b)、圖10(b)可知，在使用同種拼縫，不同接縫方式的試件中，其鋼筋及試驗柱的縱橫向應(yīng)變均表現(xiàn)的是CZ-G試件>CZ-Q試件>CZ-H試件>CZ-HQ試件，但在CZ-HQ試件與CZ-H試件之間和CZ-Q試件與CZ-G試件之間的應(yīng)變均相差不大，而CZ-H與CZ-Q之間相差比較明顯。說明模板接縫使用鐵絲對主筋及試驗柱變形變影響很有限，而使用環(huán)氧樹脂作為模板接縫材料效果比較明顯。其主要原因是使用鉛絲連接是不連續(xù)的點式連接，且連接是柔性的，而用環(huán)氧樹脂接縫的試件，環(huán)氧樹脂凝固后，不但黏結(jié)力強(qiáng)，而且是剛性大[10]，所以，用環(huán)氧樹脂和鉛絲作為預(yù)制模板接縫的試件中，模板的“環(huán)箍”作用相差明顯，亦即在抗壓過程中，對試件橫向約束相差明顯，但使用鉛絲連接畢竟其一定連接作用，所以有CZ-G試件>CZ-Q試件>CZ-H試件>CZ-HQ試件，CZ-HQ試件與CZ-H試件之間和CZ-Q試件與CZ-G試件的主筋和試驗柱之間應(yīng)變均相差不大之結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)使用本研究帶肋纖維混凝土預(yù)制模板的柱抗壓能力均高于常規(guī)方法制作的普通柱，其中，同時使用鉛絲及環(huán)氧樹脂接縫的錯縫拼接整塊模板柱的開裂荷載和極限荷載分別比普通柱高59.04%和62.98%。

(2)不同型式模板試件的抗壓能力是錯縫整塊模板試件>對縫整塊模板試件>錯縫分塊模板試件。

(3)同種型式模板不同接縫方式試件抗壓能力是同時用鉛絲和環(huán)氧樹脂接縫試件>環(huán)氧樹脂接縫試件>鉛絲接縫試件>干接縫試件。但鉛絲接縫作用較有限。

(4)使用本研究的帶肋纖維混凝土預(yù)制模板試件破壞程度低于普通試件，試件及其鋼筋應(yīng)變均小于普通試件。

(5)根據(jù)本試驗結(jié)果及預(yù)制模板制作安裝的方便性、結(jié)構(gòu)耐久性等要求，建議工程實際使用時，選擇錯縫拼接的環(huán)氧樹脂接縫方法的整塊模板。