北京工人體育場超長混凝土結(jié)構(gòu)S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

邱意坤, 李 偉, 丁大勇, 王 猛, 許 慶,李 欣, 趙 明, 盛 平

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2 中赫工體(北京)商業(yè)運(yùn)營管理有限公司， 北京 100020；3 北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055；4 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

1 工程概況

北京工人體育場改造復(fù)建項(xiàng)目位于北京市朝陽區(qū)原工人體育場內(nèi),地下三層,地上六層,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),改造后建筑總面積達(dá)到38.5萬m2;地下范圍東西跨度約438m,南北跨度約496 m,地上體育場結(jié)構(gòu)東西長213 m,南北長280m,結(jié)構(gòu)最大環(huán)向周長約796 m。為了解決溫度應(yīng)力問題,原北京工人體育場在設(shè)計(jì)建造時設(shè)置了24條徑向伸縮縫[1-2],降低了原體育場結(jié)構(gòu)的整體性,也嚴(yán)重影響了體育場建筑使用功能,并帶來了防水等一系列結(jié)構(gòu)耐久性問題。因此,北京工人體育場在復(fù)建時,取消了伸縮縫,通過設(shè)置后澆帶、設(shè)計(jì)雙層看臺板、采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)、設(shè)置誘導(dǎo)縫等綜合措施來解決體育場超長混凝土結(jié)構(gòu)的開裂問題[3]。

本文介紹了S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造在北京工人體育場復(fù)建項(xiàng)目超長結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況,并開展誘導(dǎo)縫構(gòu)件試驗(yàn)研究,以揭示S形彎折鋼筋混凝土誘導(dǎo)縫工作機(jī)理。

2 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)

2.1 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造

誘導(dǎo)縫是一種削弱構(gòu)件截面的構(gòu)造做法,通過引導(dǎo)超長結(jié)構(gòu)在誘導(dǎo)縫處開裂,起到釋放誘導(dǎo)縫間混凝土溫度應(yīng)力的作用,達(dá)到控制結(jié)構(gòu)裂縫的效果[4-5]。圖1為北京工人體育場復(fù)建時在地下室外墻采用的一種S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造,設(shè)置最大間距為11m,其主要特點(diǎn)是:1)混凝土構(gòu)件表面開槽;2)構(gòu)件的分布鋼筋在開槽位置彎折;3)開槽位置表面或內(nèi)部填充防水材料。

圖1 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造圖示

S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造可同時在地下室外墻、室外女兒墻、樓板以及和樓板相連的梁上設(shè)置。圖2為S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫在北京工人體育場不同位置的構(gòu)造情況。

對于地下室外墻和室外女兒墻,豎向鋼筋按照原有構(gòu)造施工,將水平分布鋼筋在誘導(dǎo)縫開槽位置進(jìn)行彎折,這樣既保證了外墻正常受力,也能達(dá)到釋放溫度應(yīng)力的效果。類似地,可在樓板設(shè)置誘導(dǎo)縫。為保證樓板受力安全,在樓板開槽位置的梁上增設(shè)牛腿,板邊界條件在設(shè)計(jì)時按照簡支考慮。在6層環(huán)梁位置,對梁腹筋采取彎折措施,配合與其相連的樓板誘導(dǎo)縫構(gòu)造,減小樓板誘導(dǎo)縫的變形約束,達(dá)到最大程度釋放溫度應(yīng)力效果。

在正常使用階段,當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后,構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。誘導(dǎo)縫構(gòu)造通過開槽削減了構(gòu)件抗拉截面尺寸,能夠在溫度應(yīng)力下首先開裂,釋放溫度應(yīng)力。其主要的優(yōu)點(diǎn)是:可在誘導(dǎo)縫內(nèi)部和開槽位置同時設(shè)置防水材料,構(gòu)成多道防水防線,保障構(gòu)件耐久性能。此外,水平分布鋼筋通過彎折措施實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造連續(xù),保證了構(gòu)件完整性,且無需額外附加鋼筋,降低了施工難度,節(jié)省了工期和成本。

2.2 S形彎折鋼筋設(shè)置間距

一般認(rèn)為,拉應(yīng)力是控制混凝土開裂的主要因素[6-7]。誘導(dǎo)縫設(shè)置的間距應(yīng)小于裂縫的最大分布距離,才能起到釋放溫度應(yīng)力作用。文獻(xiàn)[8]給出本文S形彎折鋼筋混凝土誘導(dǎo)縫間距計(jì)算方法,如式(1)所示。

(1)

式中:H為構(gòu)件高度;α為混凝土膨脹系數(shù);T為溫差;E為彈性模量;Cx為約束系數(shù);εp為混凝土達(dá)到開裂應(yīng)力時對應(yīng)的應(yīng)變值。

表1為北京工人體育場結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)縫實(shí)際布置最大間距和按照(1)式計(jì)算的間距。結(jié)果顯示對于檐口環(huán)形梁、地下室外墻以及室外女兒墻,計(jì)算間距分別為10.62、20.82m和11.41m。室外女兒墻誘導(dǎo)縫間距與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[9]中規(guī)定的室外女兒墻伸縮縫間距12m較為接近,且更為保守。在實(shí)際施工時,控制誘導(dǎo)縫間距小于計(jì)算值。如圖3所示,以地下1層室外女兒墻為例,墻最大連續(xù)長度約120m,誘導(dǎo)縫按照最大間距9m布置,女兒墻的水平鋼筋在誘導(dǎo)縫開槽位置彎折45°。

表1 工人體育場誘導(dǎo)縫設(shè)置間距

圖3 室外女兒墻S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫做法示意

為了驗(yàn)證誘導(dǎo)縫實(shí)際開裂效果,揭示彎折鋼筋誘導(dǎo)縫工作機(jī)理,并為工人體育場誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)提供依據(jù),開展了六組配置S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫的鋼筋混凝土試件試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)六組誘導(dǎo)縫鋼筋混凝土試件,以軸向拉伸方式模擬構(gòu)件在降溫工況下的受力情況。構(gòu)件詳細(xì)尺寸如圖4(a)～(c)所示,試件長為2m,高0.5m,寬0.2m,試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d,在試件的中部兩側(cè)分別設(shè)置20mm×20mm的誘導(dǎo)縫,試件開槽位置混凝土保護(hù)層厚度10mm,其他位置30mm。應(yīng)變片位置如圖4(d)、(e)所示。為避免彎折鋼筋受力后試件產(chǎn)生較大的錯動變形,各組試件頂部和底部均設(shè)置三根水平鋼筋,試件中部的水平分布鋼筋分別采用彎折0°、30°和60°三種工況,試件詳細(xì)尺寸信息見表2。

表2 試件詳細(xì)信息

圖4 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫試件尺寸及應(yīng)變片位置

3.2 材料性能

通過劈裂試驗(yàn)測量混凝土材料軸心抗拉強(qiáng)度,混凝土試件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的立方體試件,尺寸為150×150×150。試件混凝土強(qiáng)度等級為C40,實(shí)測抗拉強(qiáng)度為3.73MPa。受力鋼筋以及箍筋等級為HRB400,埋件鋼板材料等級采用Q355B。試驗(yàn)選用受力鋼筋的公稱直徑分別取10mm和8mm,箍筋直徑為6mm,箍筋間距200mm。鋼筋材性試驗(yàn)參照《鋼筋混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》(GB/T 28900—2012)[10]和《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2007)[11]完成,試驗(yàn)用鋼筋詳細(xì)的材料性能參數(shù)見表3。

表3 鋼筋材料信息

3.3 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)測量

本試驗(yàn)在北京科技大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用201型MTS作動器,配備動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖5為試驗(yàn)加載情況,試件通過銷軸與加載設(shè)備連接,試件底部設(shè)置兩個可滑動的千斤頂支座。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時,首先進(jìn)行兩次預(yù)拉加載,調(diào)整荷載傳遞裝置使偏心率不大于10%。正式拉伸試驗(yàn)時,加荷速度應(yīng)取0.08～0.10MPa/s。每次加荷10kN,測讀并記錄變形值,觀察裂縫發(fā)展情況并測量裂縫寬度,試件破壞后停止加載,試驗(yàn)結(jié)束。

圖5 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫試驗(yàn)加載情況

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試件破壞形態(tài)

在正式加載的初始階段,試件無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象。隨著水平力增加,試件表面未觀察到裂縫產(chǎn)生。當(dāng)水平力達(dá)到一定數(shù)值時,伴隨巨響,六組試件均在誘導(dǎo)縫開槽位置產(chǎn)生首條貫穿裂縫。繼續(xù)加載,誘導(dǎo)縫位置裂縫寬度不斷擴(kuò)大。隨著荷載增大,新的裂縫在誘導(dǎo)縫開槽位置兩側(cè)對稱產(chǎn)生。試件首條裂縫如圖6所示。

圖6 S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫首條裂縫

試件的開裂荷載及首條裂縫寬度見表4。整體上,六組試件開裂荷載較為接近,開裂荷載不受鋼筋彎折角度的影響。假定鋼筋與混凝土在開裂前變形協(xié)調(diào),計(jì)算試件的理論開裂荷載值均小于試驗(yàn)值。此外,隨著試件彎折鋼筋的角度增大,首條裂縫的寬度呈現(xiàn)增大的趨勢。在配筋率相近的情況下,減小分布鋼筋間距(即分布鋼筋數(shù)量增多)有利于減小裂縫寬度。

表4 試件開裂荷載及裂縫寬度

4.2 混凝土荷載-應(yīng)變曲線

由于構(gòu)件在實(shí)際溫度作用下的受力情況很難開展試驗(yàn)研究,本試驗(yàn)是以軸向拉伸近似模擬構(gòu)件在降溫工況下受拉開裂情況,并不關(guān)心構(gòu)件的軸向拉伸極限強(qiáng)度。重點(diǎn)關(guān)注誘導(dǎo)縫位置混凝土與彎折鋼筋應(yīng)力應(yīng)變情況。

圖7對比了六組試件誘導(dǎo)縫位置混凝土與誘導(dǎo)縫兩側(cè)未開槽混凝土的荷載與應(yīng)變情況。由圖可得,在0～25με應(yīng)變范圍內(nèi),誘導(dǎo)縫位置及其兩側(cè)混凝土變形隨著外荷載增大呈現(xiàn)線性增長現(xiàn)象,且曲線斜率相同。隨著外荷載進(jìn)一步增大,誘導(dǎo)縫開槽位置(圖4(a)、(b))混凝土變形呈現(xiàn)快速增長趨勢,混凝土荷載-應(yīng)變曲線斜率開始減小,曲線增長變緩,在50～75με應(yīng)變范圍內(nèi),誘導(dǎo)縫開槽位置混凝土荷載-應(yīng)變曲線曲率變化較大,剛度退化明顯。此時,該位置混凝土內(nèi)部微裂縫開始產(chǎn)生發(fā)展并逐漸貫通。開槽位置裂縫發(fā)展到一定程度后,混凝土退出工作,荷載-應(yīng)變曲線逐漸變?yōu)樗?誘導(dǎo)縫開槽處的外荷載由鋼筋承擔(dān)。此時,誘導(dǎo)縫兩側(cè)位置的混凝土尚處于彈性階段,荷載-應(yīng)變曲線斜率無明顯變化,誘導(dǎo)縫兩側(cè)混凝土仍可承受軸向拉力。

圖7 混凝土荷載-應(yīng)變曲線

對比六組試件試驗(yàn)曲線,鋼筋彎折角度對試件開裂荷載以及誘導(dǎo)縫抗拉剛度無明顯影響。由于混凝土為脆性材料,抗拉強(qiáng)度低,拉伸變形能力很小,在混凝土誘導(dǎo)縫位置裂縫充分發(fā)展時(應(yīng)變約50με),假設(shè)混凝土與鋼筋材料變形協(xié)調(diào),此時鋼筋應(yīng)力僅10MPa,試件開裂前荷載主要由混凝土承擔(dān)。因此,誘導(dǎo)縫開裂荷載主要取決于混凝土材料等級及開槽尺寸。

誘導(dǎo)縫開槽位置削減了抗拉的混凝土面積,對比槽兩側(cè),當(dāng)誘導(dǎo)縫位置混凝土抗拉剛度有明顯軟化時,槽兩側(cè)變形量僅為開槽位置的1/2,槽兩側(cè)混凝土仍處于彈性階段。可見,對誘導(dǎo)縫開槽處理可明顯延緩其他位置混凝土拉伸變形的發(fā)展。

4.3 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖8對比了六組試件鋼筋彎折段和直線段荷載-應(yīng)變情況。當(dāng)誘導(dǎo)縫位置鋼筋彎折角度為0°時(即鋼筋不彎折),彎折段與直線段荷載-應(yīng)變曲線變化趨勢完全相同。當(dāng)誘導(dǎo)縫彎折鋼筋角度為30°時,彎折段鋼筋與直線段鋼筋曲線斜率有一定差異,在相同外荷載作用下,彎折段的鋼筋變形更小。當(dāng)誘導(dǎo)縫位置混凝土開裂后,混凝土退出工作,外荷載由鋼筋承擔(dān),彎折段變形能力較強(qiáng),產(chǎn)生了較大變形,此時直線段鋼筋應(yīng)力仍在增長。當(dāng)彎折鋼筋角度為60°時,彎折段鋼筋荷載-應(yīng)變曲線斜率更大,混凝土退出工作后,鋼筋產(chǎn)生較大的變形。

圖8 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

在混凝土退出工作后,主要裂縫在誘導(dǎo)縫位置不斷發(fā)展,暫緩其他位置裂縫的產(chǎn)生或減小了其他裂縫的寬度。對比鋼筋直線段和彎折段變形情況后發(fā)現(xiàn),在混凝土開裂前,彎折鋼筋在相同外荷載作用下,分擔(dān)的應(yīng)力更少,彎折鋼筋位置的混凝土?xí)袚?dān)更多的荷載。因此,在開槽位置將鋼筋進(jìn)行彎折處理,誘導(dǎo)縫位置的混凝土和鋼筋均為受力薄弱面,更有利于誘導(dǎo)縫發(fā)揮功效。

綜上,本文提出的S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫可在溫度應(yīng)力作用下首先開裂,能夠有效釋放溫度應(yīng)力,彎折鋼筋具有較大的變形能力,主要裂縫在誘導(dǎo)縫位置不斷發(fā)展,延緩了其他位置溫度裂縫的產(chǎn)生。

目前,北京工人體育場地下室外墻等位置誘導(dǎo)縫已經(jīng)正常工作近一年,經(jīng)歷了一整個升降溫周期。通過對現(xiàn)場誘導(dǎo)縫位置混凝土裂縫進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)部分誘導(dǎo)縫位置出現(xiàn)明顯裂縫,誘導(dǎo)縫附近混凝土未見明顯裂縫。圖9為典型的環(huán)梁和地下室外墻誘導(dǎo)縫裂縫情況,現(xiàn)場觀測表明S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫可以對裂縫出現(xiàn)位置起到一定控制作用。對構(gòu)件表面的開槽,可使用防水材料填涂,保證構(gòu)件的耐久性。

圖9 現(xiàn)場誘導(dǎo)縫裂縫

5 結(jié)論

(1)在軸向拉力作用下,試件在誘導(dǎo)縫位置首先開裂,呈現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象,誘導(dǎo)縫開裂荷載主要由混凝土材料強(qiáng)度決定。

(2)在相同外荷載作用下,隨著彎折角度增大,鋼筋分擔(dān)的應(yīng)力更少,對應(yīng)其彎折鋼筋位置的混凝土?xí)袚?dān)更多的外荷載。在開槽位置將鋼筋進(jìn)行彎折處理,更有利于誘導(dǎo)縫發(fā)揮功效。

(3)構(gòu)件裂縫產(chǎn)生及發(fā)展分布規(guī)律,以及彎折鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變情況符合北京工人體育場超長混凝土結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)縫的設(shè)計(jì)預(yù)期。試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場觀測表明,北京工人體育場使用的S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫可在溫度應(yīng)力作用下首先開裂,釋放了溫度應(yīng)力,同時解決了混凝土收縮問題,暫緩其他位置產(chǎn)生有害裂縫的效果。

(4)S形彎折鋼筋誘導(dǎo)縫構(gòu)造簡單、受力可靠、施工方便,在工人體育場超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了成功實(shí)踐,可作為應(yīng)對超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫問題的一種有效手段。