帶缺陷鋼筋混凝土疊合梁斜截面抗剪性能試驗(yàn)研究*

馮慶興， 徐錚弢， 徐宏廣， 林皇誠， 龔順風(fēng)

(1 浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院， 杭州 310023； 2 浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所， 杭州 310058)

0 引言

隨著對傳統(tǒng)建筑業(yè)提出產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級要求，裝配式結(jié)構(gòu)體系重新受到工程師的重視。但在裝配式結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈完全建立之前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系存在建造成本、運(yùn)輸、節(jié)點(diǎn)連接等一系列問題[1]，所以混凝土疊合結(jié)構(gòu)這種兼有現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式就成為了過渡時(shí)期較好的選擇，它具有整體剛度較好、施工速度快、與裝配式結(jié)構(gòu)相比抗震性能優(yōu)越、節(jié)約材料、綜合經(jīng)濟(jì)效益較好等優(yōu)勢[2]。在國內(nèi)外裝配式建筑的應(yīng)用中發(fā)展出了多種混凝土疊合梁板結(jié)構(gòu)形式[3]。而在國內(nèi)自對疊合梁及疊合面的研究開始以來，對完整的疊合梁抗剪性能[4-6]和各種界面粘結(jié)的疊合面的抗剪性能[7-10]做了較多的研究。但對于疊合構(gòu)件在生產(chǎn)制造階段、裝配施工階段、使用維護(hù)階段出現(xiàn)真實(shí)的質(zhì)量問題，尤其是存在于疊合面的缺陷導(dǎo)致的質(zhì)量問題對疊合梁剛度、極限承載能力和延性等關(guān)鍵性能的影響研究還不足。本文以在疊合面上特定位置放置泡沫板的方式設(shè)定質(zhì)量缺陷，有針對性地設(shè)計(jì)了疊合梁抗剪性能試驗(yàn)，以研究疊合梁在疊合面存在既有缺陷時(shí)抗剪性能的削弱程度。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)重點(diǎn)研究帶缺陷鋼筋混凝土矩形截面疊合梁的抗剪性能，以疊合梁試件達(dá)到《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[11](簡稱GB/T 50152—2012)規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志作為終止加載條件。疊合梁抗剪試件共3根，其中編號中帶D為設(shè)置缺陷的疊合梁，以填充與梁等寬的20mm厚泡沫板的方式設(shè)定缺陷。試件幾何尺寸和配筋規(guī)格如圖1和表1所示，梁疊合面上缺陷做法如圖2所示，其中b為梁截面寬度，h1為預(yù)制梁截面高度，h為疊合梁截面高度，L為梁長度，L0為支座間凈跨跨度，受拉縱向鋼筋配筋率ρ均為1.73%，箍筋配筋率ρsv均為0.14%。疊合梁試件的制作采用現(xiàn)有國內(nèi)通用工藝流程和技術(shù)要求由裝配式構(gòu)件廠專門制作。

疊合梁試件尺寸和配筋規(guī)格 表1

圖1 疊合梁試件配筋示意圖

圖2 疊合梁試件質(zhì)量缺陷設(shè)置位置

根據(jù)常鵬等[12]對疊合梁斜截面承載力進(jìn)行數(shù)值模擬的研究可知，在αM=M1/Mu1(即第1階段荷載作用下跨中彎矩與預(yù)制截面極限承載彎矩之比)小于0.5時(shí)，有疊合梁與整澆梁抗剪承載力的比值V/V0隨αh=h01/h0(即預(yù)制截面高度與疊合截面高度之比)增大而增大的趨勢，故本研究考慮施工中梁底支模(即αM視作0)的情況，設(shè)定2種不同長度的缺陷，其中試件PCB-RS130-D研究在h1/h較大且缺陷較小時(shí)的抗剪性能，試件PCB-RS180-D研究在h1/h較小且缺陷較大時(shí)的抗剪性能。

所有試件均采用C30混凝土，澆筑試件時(shí)，同時(shí)制作6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，同條件養(yǎng)護(hù)。在進(jìn)行疊合梁試驗(yàn)前，將標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[13]的要求使用WYA-2000型數(shù)字壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行立方體試塊抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場照片及結(jié)果見圖3和表2。

圖3 混凝土試塊抗壓試驗(yàn)

混凝土材料參數(shù) 表2

圖4 鋼筋拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載裝置參考規(guī)范GB/T 50152—2012相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，剪跨跨度取1.75h0，使用MAS-500/2Q型電液伺服垂向加載作動器對試件進(jìn)行加載，如圖6(a)所示。在正式加載過程中，先按開裂荷載計(jì)算值20%的級差由零加載至開裂荷載計(jì)算值80%，然后按開裂荷載計(jì)算值5%的級差繼續(xù)加載至開裂，期間時(shí)刻觀察是否有裂縫出現(xiàn)，在開裂后按極限荷載計(jì)算值5%的級差繼續(xù)加載至出現(xiàn)規(guī)范GB/T 50152—2012中規(guī)定的極限狀態(tài)檢驗(yàn)標(biāo)志之一為止，每級持荷時(shí)間5min，觀測并記錄各項(xiàng)讀數(shù)。在彎剪段斜裂縫寬度達(dá)到1.5mm后，不再測量裂縫寬度直至試件破壞。

圖5 試驗(yàn)測得的鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼筋材料參數(shù) 表3

圖6 疊合梁抗剪試驗(yàn)加載實(shí)物圖及示意圖

梁上布置BX120-50AA型電阻應(yīng)變片，鋼筋上布置BX120-3AA型電阻應(yīng)變片，采集裝置采用DH3816N型靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，位移計(jì)采用機(jī)械式百分表。梁上應(yīng)變片及位移計(jì)布置及編號見圖6(b)，鋼筋上應(yīng)變片見圖7。裂縫寬度測讀采用裂縫測寬儀，裂縫分布及發(fā)展記錄采用數(shù)碼攝像裝置。

圖7 疊合梁試件鋼筋應(yīng)變片布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1)

(2)

圖8 試驗(yàn)測得的試件荷載-跨中撓度(P-f)曲線

由表4和表5可知，疊合梁試件的開裂剪力和極限抗剪承載力試驗(yàn)值均隨著疊合面缺陷區(qū)的增大而降低。相對于無缺陷試件PCB-RS130，試件PCB-RS130-D和PCB-RS180-D的開裂剪力分別降低了6.3%，37.5%；極限抗剪承載力分別降低了25.6%和39.5%。3根試件的開裂剪力實(shí)測值均小于式(1)的計(jì)算值，而缺陷區(qū)較大的試件PCB-RS180-D的極限抗剪承載力實(shí)測值小于式(2)的計(jì)算值。由試驗(yàn)現(xiàn)象分析，在疊合面粘結(jié)不理想時(shí)，箍筋承受了大部分剪力且失去了與混凝土的協(xié)同作用，導(dǎo)致試件的極限抗剪承載力明顯被削弱。

開裂剪力試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式計(jì)算值對比 表4

極限抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式計(jì)算值對比 表5

從圖8可以看出，彎剪段斜裂縫出現(xiàn)前，疊合面有無缺陷對疊合梁試件的剛度影響不大，但疊合面存在的缺陷越大，開裂剪力越小；斜裂縫出現(xiàn)后，彎剪段疊合面缺陷較大的試件PCB-RS180-D剛度明顯降低，而無缺陷試件PCB-RS130和缺陷較小的試件PCB-RS130-D剛度下降較小。存在缺陷的2根試件在缺陷區(qū)疊合面出現(xiàn)滑移后，跨中撓度迅速增大，隨后缺陷區(qū)箍筋被拉斷，疊合梁出現(xiàn)斜截面破壞，試件PCB-RS180-D破壞前后變形如圖9所示。

圖9 試件PCB-RS180-D破壞前后變形

3.2 裂縫分布

圖10為試件PCB-RS130裂縫分布。試件在荷載加至60kN時(shí)，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫，同時(shí)，在純彎段出現(xiàn)從底部以45°延伸向加載點(diǎn)的斜裂縫，但自始至終在背面都沒有出現(xiàn)相應(yīng)的對稱裂縫且裂縫寬度也較小，故判斷此裂縫的出現(xiàn)是梁制作和運(yùn)輸?shù)脑驅(qū)е碌膫€(gè)例，可忽略。在加載至160kN時(shí)，在右側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)出現(xiàn)第一條斜裂縫。在加載至200kN時(shí)，在左側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)出現(xiàn)斜裂縫，同時(shí)右側(cè)彎剪段外側(cè)出現(xiàn)斜裂縫；在此之后，純彎段豎向裂縫緩慢發(fā)展，彎剪段左右兩側(cè)的外側(cè)斜裂縫均成為了主斜裂縫，在沿疊合面延伸一小段后繼續(xù)以45°向加載點(diǎn)延伸。在加載至430kN時(shí)，彎剪段左側(cè)主斜裂縫寬度達(dá)到1.50mm，在主斜裂縫沿疊合面發(fā)展的一小段中疊合面出現(xiàn)微小滑移，其余疊合面外觀保持良好，沒有明顯開裂滑移，這說明有良好構(gòu)造措施的疊合梁疊合面在達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)仍能保證大部分疊合面粘結(jié)良好。

圖10 試件PCB-RS130裂縫分布

圖11為試件PCB-RS130-D裂縫分布。試件同樣在荷載加至60kN時(shí)，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫。在加載至150kN時(shí)，在左右兩側(cè)彎剪段內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)第一條斜裂縫，斜裂縫在出現(xiàn)后均逐漸沿45°向鄰近加載點(diǎn)延伸。但由于缺陷的存在，左側(cè)斜裂縫通過疊合面時(shí)恰好在缺陷內(nèi)邊緣，故無明顯的沿疊合面延伸，而是向粘結(jié)更差的缺陷段反向撕裂疊合面一小段后繼續(xù)以45°向加載點(diǎn)延伸；而右側(cè)第一條斜裂縫在延伸至接近疊合面后發(fā)展停滯。在加載至260kN時(shí)，在更外側(cè)出現(xiàn)第二條斜裂縫并迅速越過疊合面沿右側(cè)缺陷上表面延伸至內(nèi)邊緣后繼續(xù)以45°向加載點(diǎn)延伸。在加載至300kN時(shí)，左側(cè)彎剪段疊合面缺陷的外邊緣一角出現(xiàn)裂縫并迅速以45°向支座延伸，此時(shí)梁整體變形較小，左右兩側(cè)彎剪段斜裂縫基本呈現(xiàn)“幾”字形，最大主斜裂縫寬度約0.84mm，跨中撓度約6mm。在加載至320kN時(shí)，左側(cè)疊合面突然撕裂，主斜裂縫寬度急速增加并超過1.50mm，左側(cè)梁頂面拉裂，疊合梁達(dá)到承載能力極限。

圖11 試件PCB-RS130-D裂縫分布

圖12為試件PCB-RS180-D裂縫分布。試件在荷載加至80kN時(shí)，在跨中出現(xiàn)第一條豎向裂縫。但由于疊合面處的缺陷較大，第一條斜裂縫在加載至100kN時(shí)，在左側(cè)彎剪段出現(xiàn)并沿約60°向上延伸，同時(shí)缺陷外邊緣一角也出現(xiàn)斜裂縫并向下延伸，兩條斜裂縫在加載至120kN時(shí)交匯成為主斜裂縫，并在加載至160kN時(shí)越過疊合面沿缺陷上邊緣發(fā)展，在完全越過缺陷后以60°向加載點(diǎn)延伸；同時(shí)在右側(cè)未出現(xiàn)主斜裂縫的情況下在疊合面缺陷邊角處出現(xiàn)裂縫。在加載至200kN時(shí)，左側(cè)第二條斜裂縫在彎剪段內(nèi)側(cè)底部出現(xiàn)并沿45°向上延伸，同時(shí)右側(cè)疊合面出現(xiàn)較長的水平裂縫但沒有明顯滑移。在加載至240kN時(shí)，疊合梁左右兩側(cè)彎剪段上部均開始拉裂，此時(shí)梁整體變形依舊較小，左右兩側(cè)彎剪段斜裂縫基本呈現(xiàn)“幾”字形，最大斜裂縫寬度為1.10mm，跨中撓度7.40mm。在加載至260kN時(shí)，左側(cè)主斜裂縫寬度達(dá)到1.50mm，疊合面出現(xiàn)撕裂和滑移，但滑移量較小，主要出現(xiàn)在存在缺陷的區(qū)段。在加載至278kN時(shí)，疊合梁左側(cè)彎剪段疊合面突然撕裂、箍筋拉斷，試件破壞。

圖12 試件PCB-RS180-D裂縫分布

3.3 應(yīng)變發(fā)展

圖13為試件PCB-RS130截面混凝土應(yīng)變隨荷載的發(fā)展變化，另2根試件截面混凝土應(yīng)變發(fā)展無明顯區(qū)別，故此處不再論述。由圖可知：在裂縫出現(xiàn)以前，試件各測點(diǎn)應(yīng)變都非常??；在斜裂縫出現(xiàn)后，彎剪段部分應(yīng)變片由于斜裂縫通過而急劇增大，跨中段受拉和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變增長均較穩(wěn)定，受裂縫發(fā)展的影響較小。

圖13 試件PCB-RS130截面混凝土應(yīng)變發(fā)展

圖14和圖15為2根有缺陷梁鋼筋應(yīng)變隨荷載的發(fā)展變化。由圖可知：彎剪段疊合面存在缺陷導(dǎo)致的疊合面水平開裂會使混凝土過早退出工作而由箍筋承擔(dān)主要拉應(yīng)力，最終均由于疊合面處箍筋拉斷而破壞；跨中截面縱向鋼筋應(yīng)變增長較為穩(wěn)定，均未達(dá)到屈服應(yīng)力。

圖14 試件PCB-RS130-D截面鋼筋應(yīng)變發(fā)展

圖15 試件PCB-RS180-D截面鋼筋應(yīng)變發(fā)展

4 結(jié)論

(1)疊合面粘結(jié)構(gòu)造良好的疊合梁試件表現(xiàn)出了剪壓破壞形態(tài)，整個(gè)加載過程中疊合面沒有出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象，斜裂縫僅沿疊合面水平開展一小段就繼續(xù)向加載點(diǎn)延伸。

(2)彎剪段疊合面存在缺陷的2根試件均只有1條主斜裂縫，此裂縫延伸至疊合面后沿水平開裂通過整個(gè)缺陷區(qū)段，之后在缺陷的另一端才出現(xiàn)第2條斜裂縫，最終彎剪段斜裂縫均呈現(xiàn)明顯的“幾”字形。

(3)彎剪段疊合面存在缺陷對試件的抗剪性能影響較大。與無缺陷疊合梁相比，2根帶缺陷試件的開裂剪力分別降低了6.3%和37.5%；極限抗剪承載力分別降低了25.6%和39.5%。

(4)3根疊合梁試件的開裂剪力均小于規(guī)范公式計(jì)算值；除缺陷較大的試件PCB-RS180-D外，另2根試件的極限抗剪承載力大于規(guī)范公式計(jì)算值。

(5)在斜裂縫出現(xiàn)之前，帶缺陷試件剛度與無缺陷試件差距較??；斜裂縫出現(xiàn)后，疊合面缺陷越大的試件，箍筋越早受力并率先發(fā)生屈服，試件剛度顯著下降。

(6)在臨近破壞時(shí)，疊合面存在缺陷的區(qū)段會出現(xiàn)1～2mm的滑移，但滑移并不會延伸到整個(gè)疊合面，僅延伸至鄰近的箍筋截面附近，說明通過疊合面的箍筋對疊合面滑移有明顯的抑制作用。