超高層建筑預(yù)制鋼筋混凝土組合梁抗彎性能研究

柴 燕

(江漢大學(xué) 數(shù)字建造與爆破工程學(xué)院,湖北 武漢 430012)

針對(duì)超高層建筑預(yù)制鋼筋混凝土組合梁的抗彎問題,已經(jīng)得到了一些較好研究成果。如選取3組12根等高度的水泥復(fù)合材料梁柱,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)獲取梁柱承載力、鋼筋撓度以及裂縫開裂變形寬度等指標(biāo)測(cè)試結(jié)果,以此驗(yàn)證梁柱抗彎性能[3]。設(shè)計(jì)了3根混凝土鋼結(jié)構(gòu)組合梁試件,并對(duì)其破壞形態(tài)、荷載曲線以及位移分布展開分析[4]。根據(jù)混凝土、鋼筋等材料在疲勞加載過程中疲勞退化程度以及殘余變形發(fā)展規(guī)律,建立材料的有限元模型;再以建立的模型為基礎(chǔ)對(duì)混凝土鋼結(jié)構(gòu)組合梁完成穩(wěn)固性分析與測(cè)試[5]。上述方法在現(xiàn)階段研究中具有一定應(yīng)用優(yōu)勢(shì),但由于未通過三分點(diǎn)加載原理制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案,導(dǎo)致研究不夠全面。

為此,研究著重制定了預(yù)制鋼筋混凝土組合梁抗彎性能測(cè)試過程的加載方式,以驗(yàn)證在多種情況下鋼筋混凝土組合梁的抗彎性能,增強(qiáng)研究的全面性。

1 抗彎性能測(cè)試方法設(shè)計(jì)

混凝土材料使用高性能C35型號(hào)ECC細(xì)石混凝土,實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度控制在48.0 MPa,抗拉強(qiáng)度為23.5 MPa。ECC主要由普通硅酸鹽水泥、石英砂、粉煤灰以及PVA纖維攪拌而成。高性能C35型號(hào)ECC細(xì)石混凝土被認(rèn)為是未來建筑材料的發(fā)展方向之一。ECC力學(xué)性能如表1所示。

表1 ECC混凝土參數(shù)力學(xué)性能

HRB335二級(jí)鋼筋材料綁扎至混凝土后置入模板分層澆筑,再倒入ECC振搗至密實(shí)[6],澆筑混凝土振搗密室完成梁柱試件的制作。組合梁尺寸為3 m×0.3 m×6 m,單鋼筋長(zhǎng)度為6 m,直徑為8 mm,單混凝土板的尺寸與組合梁尺寸相同。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度,設(shè)置3組實(shí)驗(yàn),每組試件分為單混凝土板、單鋼筋和鋼筋混凝土組合梁3種形式;梁柱試件分組如表2所示。

表2 試件分組結(jié)果

2 組合梁壓力加載方式設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用三分點(diǎn)靜力加載方式,并依次記錄各個(gè)設(shè)備的觀察數(shù)據(jù),獲取試件在測(cè)試過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)形態(tài)。加載示意圖如圖1所示。

圖1 三分點(diǎn)靜力加載示意圖

測(cè)試過程中,在位移量測(cè)試件支座、加載點(diǎn)以及跨中等位置等間距布設(shè)若干千分表,通過千分表的讀數(shù)結(jié)果,獲取各個(gè)組別梁柱試件截面荷載作用下應(yīng)變值[7-8];與此同時(shí),在BFRP筋跨[9]中位置設(shè)置2個(gè)應(yīng)變片測(cè)量組合梁柱受拉作用下的應(yīng)變值;使用千斤頂對(duì)試件實(shí)施擠壓,通過傳感器測(cè)量梁柱荷載狀態(tài)以及裂縫在荷載作用下的發(fā)展規(guī)律。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 受彎承載力、延性及位移測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)3組試件的測(cè)試數(shù)據(jù)求取平均值,所得各個(gè)階段的試件跨中彎矩對(duì)應(yīng)位移、延性系數(shù),結(jié)果如表3所示。

表3 梁柱試件受彎承載力、位移、延性系數(shù)匯總表

由表3可知,3組試件梁柱的開裂彎矩以及位移值測(cè)試結(jié)果相差較大。但混凝土板和單鋼筋試件測(cè)試出的各項(xiàng)梁柱受彎承載數(shù)值參數(shù)均低于組合梁柱測(cè)試結(jié)果,并且對(duì)比表3數(shù)據(jù)可看出,混凝土板材中添加的鋼筋數(shù)量越多,試件的受彎承載力越高,抗彎撓度越小。

3.2 抗彎極限承載力分析

獲取鋼筋-混凝土組合前后預(yù)制鋼筋混凝土組合梁抗彎加測(cè)試過程中試件承載力極限狀態(tài)觀測(cè)圖,如圖2所示;獲取研究組合梁抗彎承載力極限狀態(tài)數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3所示。

圖2 試件承載力極限狀態(tài)觀測(cè)圖

圖3 組合梁抗彎承載力極限狀態(tài)分布

由圖3可知,組合梁試件的抗彎承載力與綜合配筋指數(shù)存在相關(guān),隨著配筋指數(shù)的增加,試件梁柱測(cè)試出的抗彎承載力以線性趨勢(shì)上漲。

3.3 承壓加載下梁柱試件位移

基于上述表3數(shù)據(jù),分析試件在荷載作用下的三分點(diǎn)跨中位移曲線,獲取試件在加載過程中的彎矩變形性能,結(jié)果如圖4所示。

(a)BA組試件抗彎變形性能測(cè)試結(jié)果

由圖4可知,隨著試件上荷載力的不斷增加,測(cè)試出的梁柱的跨中位移值呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)。測(cè)試組別中,單混凝土板和單鋼筋試件的形變量明顯高于加固試件梁。

3.4 承壓加載下梁柱試件裂縫形變

荷載狀態(tài)下各組試件在抗彎矩裂縫形變曲線如圖5所示。

(a)BA組試件

由圖5可知,隨著加載壓力的增大,組合梁試件的裂縫寬度值小于單混凝土板和單鋼筋。根據(jù)3組結(jié)果綜合分析可知,隨著組合梁ECC高度替換率的不斷增加,裂縫曲線在后期斜率明顯增大,由此可證明使用ECC替換試件梁柱能夠有效的抵擋試件受拉運(yùn)動(dòng)下的試件抗裂性能[10-12],延遲試件梁柱的裂縫寬度增長(zhǎng)。

3.5 承壓加載下梁柱試件受壓應(yīng)變值測(cè)試

測(cè)試出的試件跨中彎矩抗彎應(yīng)變結(jié)果如圖6所示。

(a)BA組試件

由圖6可知,相同彎矩承載力下,BA組的單混凝土板試件以及BB組的單鋼筋試件受壓應(yīng)測(cè)試結(jié)果高于組合梁柱的彎矩抗彎應(yīng)變結(jié)果,并且會(huì)隨著承載力的增加而不斷升高。而且,組合梁試件在相同彎矩承載力作用下,縱筋拉應(yīng)變要明顯小于其余兩組試件的測(cè)試結(jié)果。由此可證明,預(yù)制鋼筋混凝土組合梁能夠使梁柱具備更優(yōu)的承壓性能,有效抵抗梁柱試件的變形。

4 結(jié)語

(1)超高層建筑預(yù)制鋼筋混凝土組合梁承載力顯著優(yōu)于單混凝土板與單鋼筋;

(2)混凝土板材中加入的鋼筋數(shù)量越多,組合梁柱抗彎性能越優(yōu);

(3)外在壓力逐漸增加時(shí),混凝土鋼筋組合梁的裂縫的寬度和長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度均較低;

(4)組合梁能夠承擔(dān)梁柱自身BFRP縱筋的拉力,從而縮減組合梁在荷載作用下的拉應(yīng)變值,有效抵抗梁柱的變形。