不同配箍率下混凝土疊合梁靜力性能試驗研究

鄧鑫 李帥

(1.武漢市中心工程檢測有限公司，湖北 武漢 430014；2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430070)

工業(yè)化建筑實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的有效途徑之一，就是發(fā)展預(yù)制裝配式。裝配式結(jié)構(gòu)除了具有不受現(xiàn)場環(huán)境影響的優(yōu)點，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，具有精度高，效率高，綠色環(huán)保，節(jié)省人力等優(yōu)點。疊合梁的研究是裝配式結(jié)構(gòu)的一部分，意義重大。

疊合梁是一種特殊的結(jié)構(gòu)，具有兩階段澆筑的特點，一部分預(yù)制構(gòu)件，一部分現(xiàn)澆。其中預(yù)知部分在工廠中制作，當(dāng)達(dá)到齡期后將其運到現(xiàn)場裝配，再在其上澆搗現(xiàn)澆部分，當(dāng)現(xiàn)澆部分結(jié)硬后即形成了混凝土裝配整體式。本文針對裝配整體式結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷、破壞形態(tài)研究。因為由于預(yù)制構(gòu)件間、預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土間的接觸面存在接縫面，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)存在著顯著的差別,目前現(xiàn)澆混凝土的研究成果不能復(fù)制過來，因此本文的研究具有重要意義。

我國在對疊合構(gòu)件的研究中[1]，對8根疊合梁和2根整澆梁進(jìn)行單調(diào)和反復(fù)加載，探究疊合面和斜截面受剪機(jī)理、影響因素和破壞形態(tài)，提出了受剪承載力公式，并首次納入我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB/J 10—1989)，并且沿用志今。文獻(xiàn)[2]的研究表明：采用現(xiàn)澆梁的公式，可以求出鋼筋混凝土疊合梁的正截面抗彎承載力。

楊云俊，薛偉辰[3]對兩種新型一次受力的混凝土疊合梁進(jìn)行試驗，該疊合梁是T形梁，由預(yù)制梁、預(yù)制板及現(xiàn)澆層組成，結(jié)果表明：①和整澆梁相比，疊合梁具有相似的裂縫分布及破壞形態(tài)；②疊合層在受壓區(qū)時，疊合梁比整澆梁承載力稍低，延性比整澆梁稍好一些；③疊合梁的承載力和延性在疊合層位于受拉區(qū)時與整澆梁十分接近；④由于極限狀態(tài)下梁內(nèi)部分受拉鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，疊合梁與整澆梁的承載力計算值均只有試驗值的0.43～0.62倍；⑤試驗實測疊合梁新舊混凝土間最大滑移值小于0.13mm，試件設(shè)計采取的疊合面構(gòu)造措施有效。并在展望中提出一些特殊截面和連接方式的新型混凝土疊合梁的開發(fā)，這種疊合梁的受力性能和設(shè)計方法在低周反復(fù)荷載作用下的研究將成為未來探索的重點，不同材料的混凝土和鋼筋都是未來重要的方向。

張毅，江道鐠等[4]試驗表明：不管再生骨料取代率是多少，有些再生混凝土T形截面疊合試驗梁的受力變形過程和極限破壞形態(tài)是與普通混凝土試驗梁相似的；各部分再生混凝土T形截面疊合試驗梁受荷過程中產(chǎn)生裂縫和發(fā)展變化的規(guī)律在再生骨料取代率增加的情況下基本一致；各部分再生混凝土T形截面疊合試驗梁實測的開裂荷載和極限承載力隨再生骨料取代率的增加而略有降低；部分再生混凝土T形截面疊合試驗梁的受彎構(gòu)件承載力計算仍然適用于現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)的公式；各試驗梁的撓度隨荷載變化的規(guī)律基本相似，其速率和幅度隨再生骨料取代率的提高而提高，但極限撓度值不會發(fā)生太大的變化。隨后，張毅[5]使用標(biāo)號為C30的再生混凝土對普通C30的梁進(jìn)行疊合，試驗中，混凝土澆筑的翼緣與普通混凝土澆筑的腹板之間的疊合面沒有發(fā)生錯動滑移的現(xiàn)象，由于澆筑翼緣的混凝土中再生骨料的取代率不同，體現(xiàn)了再生混凝土疊合梁良好的整體工作性能；再生混凝土疊合梁開裂荷載采用GB 50010—2010計算，雖然符合正常使用要求，但由于計算結(jié)果過于保守，需要進(jìn)一步研究確定更為合理的計算方式。

李衛(wèi)衛(wèi)，高榮譽(yù)[6]運用ANSYS對疊合梁的撓度進(jìn)行模擬。在擬合出疊合參數(shù)αh、αM和預(yù)制部分及疊合部分混凝土強(qiáng)度對疊合梁撓度值的關(guān)系式后，得出疊合梁在設(shè)計和施工過程中一定要注意預(yù)制部分高度不能過低，一般取在0.55～0.6，一階段荷載也不能過大，這兩種情況主要是防止一階段撓度過大影響后期疊合梁的正常使用，再者就是疊合梁新舊混凝土盡量避免采用同等級的，因為不管是理論還是模擬結(jié)果都告訴我們，當(dāng)采用同等級混凝土?xí)r，疊合梁的撓度都比較大，同時為了防止疊合梁一階段撓度值過大，所以盡量要用高強(qiáng)度混凝土在預(yù)制部分進(jìn)行施工。

目前，疊合梁的研究還存在相關(guān)問題：①目前大多數(shù)疊合梁研究中是針對矩形梁的，實際現(xiàn)澆板與預(yù)制梁之間的協(xié)同工作和損傷破壞機(jī)理尚不清楚；②在實際試驗中，疊合梁與現(xiàn)澆梁存在的差異和現(xiàn)有影響因素的具體表現(xiàn)是什么；③提升配箍率對常規(guī)材料下的混凝土疊合梁有無提升空間。本文將對疊合梁與現(xiàn)澆梁在傳統(tǒng)疊合形式下的協(xié)同工作與破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 構(gòu)件設(shè)計

本試驗按照1∶2的縮尺比例，設(shè)計3個構(gòu)件，具體情況見表1。混凝土的配合比設(shè)計參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級為 C30。三個構(gòu)件的長度均為2300mm(見圖 1)，其中CB-1和CB-2為傳統(tǒng)混凝土疊合梁，CB-0為現(xiàn)澆對比構(gòu)件。

表1 試件明細(xì)表

圖1 疊合構(gòu)件尺寸

1.2 構(gòu)件制作

1)首先制作疊合梁預(yù)制部分，后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)14d[7]，將預(yù)制梁接觸面進(jìn)行鑿毛處理，提高粘結(jié)強(qiáng)度，疊合時將疊合面清洗干凈，待清除水漬后，再綁扎板內(nèi)鋼筋，支承模板，最后澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)28d。

2)現(xiàn)澆部分直接綁扎梁板內(nèi)鋼筋后統(tǒng)一澆筑，同樣養(yǎng)護(hù)28d。表2和表3分別為鋼筋及混凝土的實測力學(xué)指標(biāo)。

表2 鋼筋實測力學(xué)指標(biāo)

表3 混凝土實測力學(xué)指標(biāo)

1.3 加載方案

本實驗采用長駐壓力機(jī)(YAM-2000F)為加載儀器，采用兩端簡支的方式。儀器加載時，調(diào)試儀器使其與分配梁接觸后，保壓值設(shè)置20KN，每5KN為一級，依次加載，自動記錄位移、力和變形的情況。使用BZ2205C靜態(tài)應(yīng)變儀，以2s為時間間隔連續(xù)采集記錄應(yīng)變值。每級加載過程中采用裂縫寬度觀測儀對裂縫進(jìn)行捕捉測量。

2 試驗現(xiàn)象與分析

2.1 破壞形態(tài)

在單調(diào)荷載的作用下，適筋梁的破壞特點均適用于試驗所用的3個構(gòu)件的破壞形態(tài)。首先構(gòu)件梁底的鋼筋先屈服，隨著中和軸的上升進(jìn)入加強(qiáng)階段，構(gòu)件處在大變形時鋼筋完全滑移，最終板頂?shù)幕炷岭S著承載力下降被壓碎。

CB-0首先在純彎段出現(xiàn)裂縫，其寬度均小于0.01mm，隨后裂縫出現(xiàn)在彎剪段，并隨支承端推移，此時裂縫均為新增裂縫并未增大，剛度下降之后彎剪部分開始出現(xiàn)斜向裂縫，并且擴(kuò)展延伸，在梁底鋼筋達(dá)到屈服之后，裂縫開始貫通，且最大裂縫寬度超過0.15mm，在破壞時承載力極速下降，梁腹彎剪段有輕微鼓出，伴隨混凝土大塊剝離，板上受力部分出現(xiàn)橫向裂縫，板底開裂板頂破碎(見圖2，圖3)，梁底裂縫超過8mm。

圖2 混凝土鼓出剝離 圖3 混凝土被壓碎

CB-1在彎剪段出現(xiàn)第一條寬度為0.06mm的裂縫之后便迅速向上延伸，并且極易延伸至梁板接觸面，同時有多條平行45°的裂縫從支座段向受力處延伸，屈服時最大裂縫寬度達(dá)到1.09mm，屈服后在純彎段由于荷載增加而產(chǎn)生的裂縫有50%以上已經(jīng)從板底向板頂延伸，并與主裂縫貫通，在承載力下降之后，板頂混凝土開始剝離，板變形嚴(yán)重兩端開始翹曲，后澆接觸面顯現(xiàn)，板底混凝土掉落，破壞形態(tài)屬于剪切破壞中的斜拉破壞(見圖4，圖5)。同其他兩個構(gòu)件相比，裂縫總條數(shù)最少，并且寬度最大。

圖4 剪切段主裂縫 圖5 接觸面錯開

CB-2在純彎段首次出現(xiàn)0.04mm寬的裂縫，并且向上延伸，隨后在彎剪段出現(xiàn)裂縫，純彎段的裂縫延伸至板梁接觸面便不再延伸，同時寬度也不再增加，此時開始逐漸出現(xiàn)新裂縫，裂縫總條數(shù)是遠(yuǎn)多于CB-0與CB-1的。在梁底鋼筋屈服后，裂縫極速增大到0.58mm，此時剛度降低加快，在達(dá)到峰值荷載下未馬上出現(xiàn)下降，此時位移卻不斷增大，板底混凝土與鋼筋逐漸從受壓變?yōu)槭芾?，此時梁底鋼筋已經(jīng)滑移嚴(yán)重，試驗結(jié)束時，裂縫最大寬度達(dá)到6mm，極限位移達(dá)到8cm。翼板與腹板之間并未產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，具有良好的工作性能。

2.2 承載力分析

從骨架曲線(圖6)可以看出，屈服前三個構(gòu)件的承載力相近，屈服前試驗梁處于彈性階段，尤其是CB-2與CB-1骨架曲線基本上是一致的，CB-1與CB-2的屈服荷載分別降低22.4%和21.4%，而極限荷載分別降低了22.1%和21.0%，這是因為疊合梁“應(yīng)力超前”現(xiàn)象存在。屈服和極限提前，僅增加箍筋，并不能使屈服荷載和極限荷載提高，對之前的疊合梁承載力影響因素進(jìn)行了補(bǔ)充研究[6-8]。從圖7、圖8中看出CB-1前期剛度小于CB-2，CB-2增加了前期剛度，但前期剛度仍遠(yuǎn)小于CB-1，并且但是在梁底鋼筋屈服以后表現(xiàn)為剛度迅速下降與CB-1重合，從而進(jìn)入大變形階段，疊合梁與現(xiàn)澆梁的差異性在變形上存在大的差異。CB-2與CB-1在承載方面的不同體現(xiàn)也在延性上面(表4)，提高箍筋能增大極限位移和位移延性系數(shù)，并且最大位移(失效位移)也有所提高，提高箍筋能提高疊合梁的延性是可以預(yù)見的，并且是對抗震是有利的。CB-2增加箍筋后，盡管剛度仍然比現(xiàn)澆梁CB-0小，但是屈服前的剛度與CB-1相比要大，有利于控制變形。如果能解決“應(yīng)力超前”的問題，那么就可以提高強(qiáng)度和抗變形能力。

圖6 骨架曲線

圖7 跨中撓度-荷載曲線

圖8 跨中撓度—剛度退化

表4 構(gòu)件延性與變形

2.3 裂縫分析

圖9，表5反映了在荷載作用下試驗梁最大裂縫的發(fā)展規(guī)律，可以將試驗梁的主裂縫寬度分為穩(wěn)定發(fā)展和極速擴(kuò)張階段：裂縫在鋼筋屈服前發(fā)展穩(wěn)定，裂縫在鋼筋屈服后極速擴(kuò)張。同CB-0相比，CB-1和CB-2都提前開裂，開裂荷載和正常使用階段開裂的荷載隨著箍筋的增加分別提高9.1%和8.7%，兩個階段的荷載仍然接近，屈服后CB-2和CB-0裂縫最大寬度發(fā)展趨同，提高箍筋可以高抗裂性，對正常使用極限狀態(tài)有利。

圖9 荷載-最大裂縫寬度曲線

表5 承載力特征值

2.4 箍筋應(yīng)變分析

本文從CB-1測量的數(shù)據(jù)出發(fā)，箍筋的應(yīng)變片分布見圖10及圖11。

圖10 CB-1箍筋應(yīng)變片分布圖

圖11 箍筋上應(yīng)變片分布圖

CB-1的裂縫出現(xiàn)位置為：先純彎段后彎剪段，一旦出現(xiàn)便產(chǎn)生貫穿縱橫裂縫，從圖12可見：CB-1中同一個箍筋，不同位置的應(yīng)變有區(qū)別，荷載作用較小的前期中部應(yīng)變和下部應(yīng)變接近，應(yīng)變增長低于下部應(yīng)變，箍筋底部先于縱筋屈服，隨著箍筋下部屈服，主裂縫急劇擴(kuò)展同箍筋垂直面產(chǎn)生交叉，裂縫在中部箍筋和上部鋼筋依次屈服后分別穿過屈服箍筋。

圖12 CB-1中1號箍筋荷載應(yīng)變曲線

從圖13可見：梁內(nèi)箍筋中部應(yīng)變隨縱筋的屈服劇增，CB-2應(yīng)變小于CB-1，即使在縱筋屈服后箍筋中部始終未屈服，使得屈服面中不會出現(xiàn)斜向的裂縫穿過，裂縫更傾向豎向發(fā)展。由于箍筋上部不屈服，導(dǎo)致垂直裂縫在到達(dá)梁板交界面后梁板接觸面不產(chǎn)生水平開裂。與CB-1相比，CB-2垂直裂縫的條數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，裂縫的最大寬度得以減小而且分布均勻，從而降低了梁的損傷破壞程度。同CB-0相比，CB-2中同位置的箍筋應(yīng)變增長更快，因而發(fā)生剪切破壞的幾率更大，也說明了增大配箍率的方法在疊合梁的設(shè)計中是必要的。

圖13 1號箍筋中部應(yīng)變片的荷載應(yīng)變曲線

3 結(jié)語

1)與現(xiàn)澆梁相比，同等配筋率下的疊合梁更容易發(fā)生剪切破壞和承載力與剛度下降，其中屈服荷載降低22.1%，最大荷載降低22.4%，“粘結(jié)性”的不足是疊合面開裂的原因。

2)提高疊合梁配箍率雖然不能提高屈服荷載和最大荷載，尤其極大提高延性，使得裂縫分；布更加均勻，從而減小最大裂縫寬度，鋼筋屈服后開裂破壞情況同現(xiàn)澆梁，疊合面未開裂，具有強(qiáng)“粘結(jié)性”，減少損傷破壞程度，但是前期剛度卻遠(yuǎn)小于現(xiàn)澆梁，并且在梁底鋼筋屈服以后剛度急劇下降，進(jìn)入“大變形”階段，如何提高疊合梁剛度對于其設(shè)計使用有重要的影響。